Traitement de calorisation d un acier inoxydable à haute température

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Abderrahmane Mira de Bejaia Faculté de Technologie

Département de Génie Mécanique

En Vue de l'Obtention du Diplôme de Master en Génie Mécanique

Spécialité : Matériaux pour l’ Ingénierie Mécanique

Traitement de calorisation d’un acier inoxydable à haute température

Présenté par :

Mr. ICHALAL Tarek.

Members de jury:

M^r. A. ATI President.

M^r. D. AMARI Encadreur.

M^r. K. YAYA Examinateur.

M^r. K. OURARI Examinateur.

 Année universitaire:2015/2016

Je remercie en premier lieu Dieu, le tout puissant de m’avoir donné la volonté de mener à terme ce travail qui représente le fruit de

plusieurs années d’études

JE tiens à exprimer vivement ma profonde gratitude à Monsieur AMARI Djamel, enseignant à l’université de Bejaia, pour avoir proposé, dirigé et encadré ce sujet de mémoire de fin de cycle.

Son soutien ininterrompu, ses qualités humaines, ses conseils, ses encouragements et sa grande disponibilité tout au long de ce travail.

Qu’il trouve ici, l’expression de mes profondes reconnaissances.

Je tiens à exprimer mes profonds remerciements à Mr ATI Abdelaziz responsable de l’a spécialité « Matériaux pour l’’Ingénierie mécanique » à l’université de Bejaia, de m’avoir fait l’honneur de présider le jury de ce mémoire.

Que Monsieur YAYA Kamel et Monsieur OURARI Kamel retrouvent ici, l’assurance de ma sincère reconnaissance pour leur participation au jury de soutenance.

Je tiens à remercier Mr TATA et tous l’organisme du labo de recherche USTHB d’’Alger.

Je tiens aussi à remercié tous ceux qui m’ont aidé de près ou de loin durant toutes mes années d’études.

Je dédie ce modeste travail : A mes très chers parents.

A mon frère.

A mes sœurs et leurs familles.

A toute la famille Ichalal.

A tous mes amis.

A tous ceux qui m’ont aidé de près ou de loin durant toutes mes années d’études.

^Tarek

Introduction générale ... 1

Chapitre I: Généralités I.1. Aciers Inoxydables ... 2

Introduction... 2

I.1.1. Classification des aciers inoxydables ... 2

I.1.1.1. Les aciers férritiques ... 2

I.1.1.2. Les aciers martensitiques ... 2

I.1.1.3.Les aciers inoxydables austénito-férritiques ... 3

I.1.1.4. Aciers inoxydables austénitiques ... 3

I.1.2. Influence des éléments d'alliage ... 5

I.1.2.1. Chrome (Cr) ... 5

I.1.2.2. Le carbone (C) ... 5

I.1.2.3. Le nickel (Ni) ... 5

I.1.2.4. Le molybdène (Mo) ... 5

I.1.2.5. L’azote (N) ... 5

I.1.2.6. Le manganèse Mn... 6

I.1.3. Désignation des aciers inoxydables ... 6

I.2. L’oxydation ... 6

I.2.1 Mécanismes de l’oxydation à haute température ... 7

I.2.2. Oxydations externes et internes : ... 8

I.2.2.1. Oxydations externes : ... 8

I.2.2.2. Oxydations internes : ... 8

I.2.3. Oxydation des aciers inoxydables à base de chrome et de nickel ... 9

I.2.4. Cinétique d'oxydation des aciers inoxydables ... 10

I.3. La calorisation ... 11

I.3.1. Procédés de calorisation ... 12

I.3.2. Constituants du mélange ... 13

I.3.2.1. Poudre d'aluminium ... 13

I.3.2.3. Le chlorure d'ammoniac (NH4Cl) ... 13

I.3.3. L’aluminium ... 14

I.3.4. Diagramme de phase Fe-AL ... 15

I.3.5. Composition et morphologie de la couche calorisation ... 16

I.3.6. Epaisseur de la couche de calorisation ... 17

I.3.7.Résistance à l'oxydation de la couche de calorisation ... 18

Chapitre II : Technique expérimentales et de caractérisation II.1. Matériaux et techniques expérimentales ... 20

II.1.1. Préparation des échantillons ... 20

II.1.1.1. Prélèvement des échantillons ... 20

II.1.1.2. Préparation des surfaces ... 20

II.1.2. Essai d’oxydation ... 21

II.1.2.1. Four d'oxydation ... 21

II.1.2.2. Procédure d'oxydation ... 21

II.1.3. Calorisation de l'acier inoxydable ... 22

II.1.3.1. Préparation du dispositif de calorisation ... 22

II.1.3.2. Echantillons et poudres de calorisation ... 22

II.1.3.3. Procédure de calorisation ... 22

II.2. Techniques de caractérisation ... 23

II.2.1. Microscope Optique (MO) ... 23

II.2.1.1. Principe du microscope optique ... 24

II.2.2. Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ... 24

II.2.2.1. Le principe ... 25

II.2.3. Diffraction des rayons X... 25

II.2.3.1. Production des rayons X... 26

II.2.3.2. Loi de Bragg... 26

Chapitre III: Résultats et Discussions III.1 Analyse par diffraction des rayons X ... 28

III.2. Influence de la température sur les cinétiques d’oxydation de l’acier inoxydable et

calorisé : ... 28

III.2.1. Comparaison des cinétiques d’oxydation ... 30

III.2.2. Oxydation de l’acier inoxydable calorisé ... 32

III.2.3. Influence de la calorisation de l’acier 18-8 sur son oxydation à 1050°C ... 33

III.3. Analyse par diffraction de rayons x ... 34

III.3.1. Analyse par diffraction des rayons X de l’acier inox 18-8 oxydé à T = 1050°C ... 34

III.3.2. Analyse par diffraction des rayons X de l’acier inoxydable 18-8 calorisé ... 35

III.3.3. Analyse par diffraction des rayons X de l’acier 18-8 calorisé oxydé ... 36

III.4. Analyse par microscope optique ... 37

III.4.1. Analyse par microscope optique de l’acier inoxydable 18-8 oxydé. ... 37

III.4.2. Analyse par microscope optique de l’acier inoxydable 18-8 calorisé ... 38

III.4.3.Analyse par microscope optique de l’acier 18-8 calorisé oxydé ... 39

III.5. Analyse par microscope Electronique à Balayage : ... 40

III.5.1. Le microscope électronique à balayage de la couche de calorisation ... 40

III.5.2. Microscope électronique à balayage de l’acier calorisé oxydé ... 41

Conclusion générale ... 43

Chapitre I :

Figure I.1 : La structure d'un acier inoxydable duplex [4]. ... 3

Figure I.2 : Structure d'un acier inoxydable austénitique. [4] ... 4

Figure I.3 : Illustration des différentes étapes du mécanisme de l’oxydation d’un métal à haute température ... 8

Figure I.4 : Représentation schématique de la structure de la couche d’oxyde d’un alliage fer- chrome, oxydé entre 1 073 et 1 523 K ... 9

Figure I.5: Courbe de prise de masse obtenue lors de l'oxydation isotherme de l'acier 304 à 1000°C ... 11

Figure I.6: Couche protectrice formée à 900 °C sur un acier inoxydable ferritique ... 11

Figure I.7 : Diagramme d'équilibre Fe-Al. ... 16

Figure I.8 : Morphologie de la couche calorisé [22]. ... 17

Figure I.9 : Microstructure d'un acier calorisé à 710 °C pendant 20 min [24]. ... 18

Figure I.10 : Microstructure de l'acier inoxydable 310 calorisé [23]. ... 18

Figure I.11 : Effet de la température et de la durée de calorisation ... 19

a) sur l'épaisseur de la couche d’aluminium, b) sur la couche intermétallique ... 19

Figure I.12 : Epaisseur de la couche d’oxyde et de la couche intermétallique de l'acier inoxydable calorisé à 750 °C pendant l0h et oxydé à 800°C. ... 19

Chapitre II Figure II.1 : la polisseuse mécanique utilisée... 20

Figure II.2 : Four à moufle utilisé ... 21

Figure II.3 : Balance de type KERN. ... 22

Figure II.4 : Dispositif de calorisation avec la position l’échantillon ... 23

Figure II.5 : Microscope optique ... 24

Figure II.6 : Représentation schématique de l'interaction entre un faisceau d'électrons et la surface d'un échantillon ... 25

Figure II.7 : Famille de plans cristallins en condition de Bragg. ... 27 Figure II.8 : Diffraction des rayons X ... 27 Chapitre III :

Figure III.1 : Spectre de diffraction de l’acier inox 18-8 ... 28 III.2. Influence de la température sur les cinétiques d’oxydation de l’acier inoxydable et calorisé : ... 28 Figure III.2 : Courbe de prise de masse de l’acier inoxydable 18-8 oxydé à 800 °C. .. 30 Figure III.3 : Courbe de prise de masse de l’acier inoxydable 18-8 oxydé à 900 °C. .. 30 Figure III.4 : Courbe de prise de masse de l’acier inoxydable18-8 oxydé à 1050 °C. . 31 III.2.1. Comparaison des cinétiques d’oxydation ... 31 Figure III.5 : Superposition des courbes de prise de masse de l’acier inoxydable oxydé à différentes températures ... 31 Figure III.6 : Courbe de prise de masse des échantillons calorisé oxydé à 1050°C. .... 33 Figure III.7 : Superposition des courbes de prise de masse à 1050°C de l’acier nu et de l’acier calorisé ... 34 Figure III. 8 : le diffractogramme de l’acier inoxydable 18-8 oxydé à 1050°C pendant 12h30min ... 35 Figure III.9 : Diffractogramme de l’acier inox 18-8 calorisé à T = 900°C pendant 5h ... Erreur ! Signet non défini.

... 37 Figure III 10 : Diffractogramme de l’acier inoxydable 18-8 calorisé oxydé à 1050°C pendant 8h30min. ... 37 Figure III.11 : Morphologie de l’état de surface de l’acier 18-8 oxydé à T = 1050°C pendant t = 8h30min. ... 39 Figure III.12 : Morphologie de l’état de surface de l’acier inox calorisé a T =900°C pendant t = 5h. ... 41

Figure III.13 : Morphologie de l’état de surface de l’acier inox calorisé à T = 1050°C pendant t = 8h30min ... 42 Figure III.14 : micrographie de l’acier inoxydable 18-8 calorisé ... 43 Figure III.15 : micrographie de l’acier inox 18-8 calorisé oxydé à 1050°C pendant 6h30min ... 44

Tableau I.1 : Quelques propriétés physiques des aciers inoxydables férritiques et

austénitiques. ... 5

Tableau I.2 : Propriété mécanique de l’aluminium à 99,6 % ... 16

Tableau II.1 : La composition du mélange de poudres de calorisation. ... 23

Tableau III.1 : Variations de masse des échantillons oxydés à différentes températures. ... 29

Tableau III.2 : Equation des courbes de tendance ... 32

Tableau III.3 : variation de masse des échantillons calorisés ... 33

Tableau III.4 : Equation de la courbe de tendance. ... 33

1

Introduction générale

La dégradation progressive des matériaux, due à l'effet d'un environnement agressif est un problème majeur pour la tenue en service de nombreuses installations et pièces de machine, dans ce cas, ce ne sont plus seulement les propriétés mécaniques du matériau qui vont déterminer son domaine d'utilisation, mais également son comportement vis-à-vis d'un milieu corrosif.

L'amélioration de la résistance à l'oxydation par l'addition d'éléments d'alliage dans la masse n'est pas toujours bénéfique car cela peut souvent affecter les propriétés thermomécaniques des matériaux. C'est pourquoi, les traitements de surface sont largement pratiqués pour combler cette lacune.

Les techniques de traitements thermochimiques sont a ctuellement très applicables.Ils peuvent influencer sur plusieurs propriétés notamment l'augmentation de la résistance à l'oxydation. Ces traitements sont liées au phénomène de la diffusion et à la saturation de la surface du matériau avec différents éléments (aluminium, azote, chrome, carbone...etc). Ils changent non seulement la structure de l'acier, mais aussi la composition chimique des couches superficielles

Notre travail s'inscrit dans cette problématique qui consiste à augmenter la résistance à l'oxydation à haute température de l'acier inoxydable austénitique X10CrNi18-8 par traitement de calorisation.

Ce travail comporte trois parties principales.

 La première présente une synthèse bibliographique qui englobe des généralités sur les aciers inoxydables, l'oxydation à hautes températures des aciers inoxydables et le revêtement de calorisation par pack cémentation.

 Le chapitre deux est consacré à l’élaboration et les techniques de caractérisation des matériaux étudiés.

 L’étude expérimentale avant et après oxydation à différentes températures, suivi de la présentation des résultats et leurs interprétations font l’objet du troisième chapitre.

1

Chapitre II

Généralités

2 Dans ce chapitre nous allons vous présentez quelque généralités sur l’acier inoxydable ainsi que son oxydation à haute température et le procède de calorisation.

I.1. Aciers Inoxydables

La dénomination aciers inoxydables concerne un ensemble d'alliages ferreux, essentiellement des alliages Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni à teneur en carbone variant de 0,02 à 1% selon les nuances .

Le chrome est l'élément essentiel qui, à des teneurs supérieures à environ 10.5, rend l'acier inoxydable en favorisant, en milieu oxydant la formation d'un film passif à sa surface.

D'autres éléments peuvent renforcer l'efficacité du chrome dans la formation et le maintien du film, mais aucun ne peut créer la caractéristique d'inoxydabilité. Les éléments tels que le Molybdène, le Niobium et le Titane peuvent être ajoutés pour l'amélioration de la résistance à la corrosion de ces aciers .Lorsque la teneur en chrome atteint 25 à 30%, la passivité du film protecteur est très élevée et la résistance à l'oxydation à haute température est maximale [1.2].

I.1.1. Classification des aciers inoxydables

Les nombreuses additions qui peuvent être ajoutées définissent toute une série de classe d'aciers à propriétés particulières. La désignation de la structure associée à celle de la composition chimique, permet de définir le plus complètement les grandes familles d'aciers inoxydables, habituellement, on en distingue quatre :

I.1.1.1. Les aciers férritiques

Ils ont une structure cubique centrée notée (α) .ces aciers ont une très bonne résistance à la corrosion.Les aciers inoxydables ferritiques sont utilisés en architecture et dans la fabrication des ustensiles de cuisine.

I.1.1.2. Les aciers martensitiques

La teneur en chrome des alliages de cette famille est comprise entre 12 et 17% ; leur teneur en carbone, qui est fonction de la teneur en chrome peut atteindre 1,1%, mais on limite souvent la teneur en carbone à 0,20% pour une meilleure résistance à la corrosion. Les aciers

3 inoxydables martensitiques sont utilisés pour les instruments chirurgicaux et en coutellerie[2.3].

I.1.1.3.Les aciers inoxydables austénito-férritiques

Une catégorie d'alliages dont la structure est formée par un agrégat de ferrite et d'austénite. Les propriétés de ces aciers sont un mélange des propriétés des aciers inoxydables austénitiques (ductilité) et des aciers inoxydables férritiques(résistance mécanique).Pour cette catégorie d'aciers, la résistance à la corrosion est excellente, souvent très supérieure à celle des aciers austénitiques classiques[4].

La microstructure de base de l'acier inoxydable duplex consiste de grains d'austénite dispersés dans une matrice férritique, comme s'est montré sur la figure(I.1).

Figure I.1: La structure d'un acier inoxydable duplex.[5]

I.1.1.4. Aciers inoxydables austénitiques

Malgré les progrès incontestables réalisés, en matière de ductilité et de ténacité, par les aciers inoxydables férritiques, les aciers inoxydables austénitiques du type Fe-Cr-Ni représentent encore 80 % du marché mondial. Les aciers inoxydables austénitiques contiennent généralement entre 0,02% et 0,1% carbone, 17 à 20% de chrome, 7 à 25% de nickel et 2 à 5% molybdène [2].

Comme le nickel est un élément gamma gène, il a tendance à stabiliser l’austénite.

Selon leurs teneurs en chrome, en nickel et en carbone, certains aciers peuvent conserver une structure austénitique (C.F.C). L'addition de nickel élément gamma gène, en quantité suffisante permet à l'acier de conserver sa structure austénitique à la température ambiante.

F errite

Ferrite

Austénite

4 Dans de nombreux milieux, leur résistance à la corrosion est remarquable, ainsi d'ailleurs que les propriétés mécaniques. Leur résistance à la corrosion et à l'oxydation permet leur emploi à haute température.

Les aciers inoxydables austénitiques ne peuvent subir aucun durcissement par traitement thermique. On peut toutefois les durcir par écrouissage. Comme ferritiques (C.C), ils sont sensibles au grossissement des grains au chauffage. Restant ductiles, la croissance des grains n'entraîne aucune fragilisation [6.3],quelques propriétés physiques des aciers inoxydablesférritiques et austénitiques sont présenté dans le tableau I.1.

La figure I.2 représente une micro structure d'un acier inoxydable austénitique consiste en des grains austénites qui peuvent montrer des macles.

FigureI.2 : Structure d'un acier inoxydable austénitique[5].

Aciers ferritiques Aciers austénitiques

Masse volumique (kg. ) 7 700 7 900

Module d'Young (MPa) 220 000 200 000

Limite d'élasticité (MPa) 370 270

Résistance à la rupture (MPa) 500 620

Allongement à la rupture (%) 26 56

5 TableauI.1 : Quelques propriétés physiques des aciers inoxydablesférritiques et

austénitiques [7].

I.1.2. Influence des éléments d'alliage[8]

I.1.2.1. Chrome (Cr)

Une teneur minimale d’environ 10,5 % est nécessaire pour former un film passif de chrome qui soit stable, suffisant pour protéger l’acier contre une corrosion atmosphérique modérée. La résistance à la corrosion augmente avec la teneur en chrome. Le chrome est alpha gène : il favorise la forme ferritique, c’est-à-dire la structure cubique centrée du fer. Des teneurs en chrome élevées nécessitent des quantités accrues de nickel pour former une structure austénitique ou austéno-ferritique Elles favorisent également la formation de phases intermétalliques.

I.1.2.2. Le carbone (C)

Le carbone est un élément inhérent aux aciers. Il permet d’améliorer la résistance mécanique du fer, en se plaçant dans les sites interstitiels des mailles cristallographiques. Le carbone est plus soluble dans l’austénite que dans la ferrite et par conséquent, il stabilise le domaine austénitique des aciers et il est dit gammagène (γ-gène). En effet, de faibles teneurs en carbone permettent d’améliorer la ténacité et la ductilité, tandis que des teneurs en carbone plus élevée apportent une meilleure résistance.

I.1.2.3. Le nickel (Ni)

Le nickel est l’élément γ-gène de base. Il a une structure cubique faces centrées (c.f.c.) et stabilise donc fortement l’austénite γ, L’addition de nickel en quantité suffisante dans un acier Fe-Cr permet l’obtention d’un acier austénitique.

Coefficient de dilatation thermique

linéaire entre 20 et 200°C ( ) 10 16

Capacité thermique massique (J. )

460 500

6 I.1.2.4. Le molybdène (Mo)

Le molybdène améliore la résistance à la corrosion uniforme. Cet élément est α-gène et comme le chrome, le molybdène favorise la précipitation d’intermétalliques, tels que la phase σ.

I.1.2.5. L’azote (N)

Élément gamma gène. Il agit comme le carbone. La solubilité de l'azote augmente dans les aciers au Cr et au Cr-Ni avec l'accroissement de la teneur en Cr. Dans les aciers austénitiques l'azote accroît la stabilité de l'austénite et les caractéristiques mécaniques sans compromettre la ténacité.

I.1.2.6. Le manganèse Mn

Récemment, l’addition de manganèse dans les aciers inoxydables et dans les aciers duplex en particulier, a retrouvé un fort intérêt car le manganèse augmente la solubilité de l’azote dans la solution solide de fer. Cet élément est particulièrement utilisé avec des teneurs élevées dans les nouveaux aciers austénitiques à hautes teneurs en éléments interstitiels.cet élément est gammagène[7].

I.1.3. Désignation des aciers inoxydables

Les normes relatives à la classification des aciers inoxydables sont variables d'un pays à l'autre. Les nuances d'aciers inoxydables sont désignées en Europe par une série de chiffres de type 1.4000 (norme EN 10088) et aux Etats-Unis par trois chiffres (norme AISI : American Iron and Steel Institute). Par exemple, 1.4310 (ou AISI 301) correspond à un inox austénitique qui comprend 18 % de chrome et 8 % de nickel. En outre, la lettre L dans l'appellation américaine indique un très faible taux de carbone qui garantit une meilleure résistance à la corrosion, à l'instar de la nuance 316L (ou 1.4404). L'Euro norme indique aussi de manière plus détaillée la composition : par exemple X5CrNi18-10 (acier très allié désigné par la lettre X, la teneur en C multipliée par 100, les principaux éléments suivis de leur teneur en %)[9].

7

I.2.L’oxydation

Introduction

La corrosion est définie comme étant l’interaction physico-chimique exercée sur le métal par son milieu environnant, entraînant des modifications de ses propriétés et très souvent une dégradation fonctionnelle du métal lui-même causant des pertes. Peu de matériaux se trouvent à l’état natif dans la nature, ils offrent une grande résistance plus au moins grande à l’altération par l’air atmosphérique, quelques-uns se trouvent sous forme métallique comme l’or ou le platine.

Lorsque les matériaux sont soumis à des températures élevées (supérieures à 500°C), ils sont détériorés par l’environnement gazeux extérieur. Ils sont exposés à des atmosphères plus ou moins complexes composées des gaz contenus dans l’air :(O₂, CO₂ et H₂O…) qui entraînent leur dégradation : c’est la corrosion sèche ou la hot corrosion.

L'élément d'alliage auquel les aciers inoxydables doivent leur principale caractéristique est le chrome. Contrairement à ce que l'on croit généralement, ce métal est très réactif du point de vue chimique et il est en particulier très oxydable, mais son oxyde forme une véritable peau à la fois transparente et protectrice. Allié au fer et au nickel, il provoque la formation d'un composé de surface oxydé capable de ralentir ou même d'arrêter totalement la corrosion [10.11].

Le chrome et le nickel s'oxydent ainsi :

4Cr + 3 O₂→ 2 Cr2O₃ 2Ni + O2→ 2 NiO I.2.1Mécanismes de l’oxydation à haute température

L’oxydation à haute température des matériaux, a fait l'objet de nombreuses études, d’un point de vue fondamental, ce processus se déroule en plusieurs étapes.

L'adsorption d'oxygène à la surface du matériau est le phénomène initiateur de l'oxydation. Les atomes d’oxygène adsorbés forment des anions par échange d'électrons avec le métal, favorisant ainsi la formation de cations métalliques .Le substrat réagit avec l'oxygène pour donner lieu à la germination de l'oxyde (thermodynamiquement plus

8 favorable) sous forme d'ilots en surface. Ces germes croissent alors horizontalement pour former une couche continue bidimensionnelle. La direction de croissance de la couche d'oxyde dépend de la vitesse de diffusion des espèces ioniques. Ainsi, si les cations métalliques se déplacent plus rapidement que les anions oxygène, la couche d'oxyde croît vers l'extérieur. Dans le cas où les anions oxygène se déplacent plus vite, la croissance de la couche a lieu vers l'intérieur.

Lorsque la couche d'oxyde croît par diffusion externe des cations métalliques, des porosités se forment à l'interface métal/oxyde. Ces porosités sont à l’origine de la formation de fissures à l'interface pouvant induire le décollement de la couche d'oxyde. Lorsque la couche d'oxyde croit par diffusion interne des anions, des zones de contraintes se forment à l'interface métal/oxyde. Ce phénomène peut également engendrer l'apparition de fissures à l'interface, et par conséquent le décollement de l'oxyde. Dans les deux cas, le métal est alors mis à nu et les gaz oxydants peuvent de nouveau accéder au métal, accélérant ainsi le processus d'oxydation.[11]

FigureI.3 : Illustration des différentes étapes du mécanisme de l’oxydation d’un métal à haute température[12]

I.2.2.1. Oxydations externes :

L’oxydation externe signifie que les cations diffusent à travers l’oxyde pour réagir à l’interface oxyde/gaz et faire croître ainsi la couche d’oxyde vers l’extérieur.Ces cations peuvent se déplacer via des lacunes cationiques, des sites interstitiels ou des joints de grains.

Dans ce cas de croissance de l’oxyde, la différence de volume molaire entre l’oxyde et le métal n’entraîne pas de contraintes mécaniques sur le métal.

9 I.2.2.2. Oxydations internes :

Contrairement au cas précédent, l’oxydation interne ce ne sont pas les cations qui se déplacent mais les atomes d’oxygène qui diffusent vers le cœur du matériau. Ici deux principaux modes de diffusion : par lacunes anioniques, par des sites interstitiels ou des joints de grains. Dans ce cas, la croissance de l’oxyde vers le cœur du matériau peut imposer des contraintes mécaniques si le volume molaire de l’oxyde est supérieur à celui du métal, car la consommation du métal pour la réaction ne laisse pas assez de place à la formation de l’oxyde [11.12].

I.2.3. Oxydation des aciers inoxydables à base de chrome et de nickel

La présence de chrome dans un acier augmente très fortement sa résistance à l’oxydation. Le taux d’oxydation d’une surface d’acier non oxydée est d’abord rapide, puis, à partir du moment où une couche de surface de 100nm est formée, elle ralentit très fortement l’oxydation. Cette couche de surface passivante est formée d’oxydes de fer et de chrome.

L’oxyde de chrome (chromine) . Est le seul oxyde de chrome thermodynamiquement stable à haute température. Il peut se grouper avec d’autres oxydes métalliques pour former des spinelles de composition .

FigureI.4 : Représentation schématique de la structure de la couche d’oxyde d’un alliage fer-chrome,oxydé entre 1 073 et 1 523 K

Un schéma a été proposé pour déterminer la couche d’oxyde au cours du temps (voir figure I.4), selon lequel une couche de wustite(FeO) se forme d’abord dans laquelle

10 apparaissent des îlots de chromite Fe . Le chrome diffuse ensuite dans la couche extérieure pour former une couche d’oxyde protégeant très efficacement l’acier de l’oxydation.

Cependant, les contraintes mécaniques qui sont emmagasinées dans la couche pendant sa formation ainsi que sa capacité de déformation influent beaucoup sur sa croissance. Celle- ci peut, selon les conditions, se fissurer, se déformer, se plisser ou bien former des poches.

Lorsque des fissures se produisent, on observe une croissance rapide d’hématite à l’intérieur des fissures. Il semble de manière générale qu’une couche d’oxyde formée lentement est monocristalline et protectrice, mais que, plus l’oxydation est rapide, plus on observe la formation de plissements, de nodules ou de vides susceptibles de remettre en cause son caractère protecteur [13].

Le seul oxyde de nickel stable à haute température est NiO. Sa structure est de type CFC, il n’a en revanche, en tant qu’élément d’alliage, que très peu d’effet sur la résistance de l’acier à l’oxydation. Lors que les aciers contiennent du chrome, le nickel est d’ailleurs absent de la couche d’oxyde formé, et ce pour des aciers contenant même jusqu’à 30% de nickel[14].

I.2.4. Cinétique d'oxydation des aciers inoxydables

Plusieurs études montrent que l’oxydation des aciers inoxydables suit une loi parabolique où la croissance de l'oxyde varie avec la racine carrée du temps.

=f√

Avec : Δm : prise de masse de l’échantillon en gramme S : surface de l’échantillon en Cm²

t : temps d’exposition en seconde[15]

La courbe cinétique relative à la prise de masse par unité de surface augmente avec le temps et la température d'oxydation. I1 présente en générale un régime linéaire durant les dix premières heures d'oxydation, suivi d'un régime parabolique [14]. En effet la figure I.5 montre cerésultat.

11 Figure I.5: Courbe de prise de masse obtenue lors de l'oxydation isotherme de l'acier

304 à 1000°C [14]

FigureI.6: Couche protectrice formée à 900 °C sur un acier inoxydable ferritique contenant 17 % de chrome et 0,5 % de silicium[16].

I.3. La calorisation

Introduction

Dans de nombreuses applications, le choix du matériau à utiliser dépend des caractéristiques à retenir en priorité. Les caractéristiques mécaniques sont souvent déterminantes, viennent ensuite les caractéristiques de qualités telles que :

 La résistance à la corrosion pour les pièces soumises aux milieux agressifs.

 La résistance à l'usure pour les pièces soumises aux frottements.

 La résistance à l'oxydation à chaud pour les pièces soumises à des températures élevées.

12 L'acier inoxydablerépond généralement aux critères mécaniques. Mais il perd très rapidement ses caractéristiques mécaniques d'origine, si le milieu est corrosif ou à haute température. Pour les applications à moyenne et haute température, l'aluminium répondent à cette exigence.

L’aluminisation de l’acier inoxydable, constitue une alternative intéressante pour conserver les caractéristiques mécaniques de l'acier tout en améliorant les ·propriétés anticorrosives et anti oxydantes à chaud apportées par l'aluminium [17].

I.3.1. Procédés de calorisation

L’intérêt des revêtements métalliques repose sur leur aptitude à former, dans les conditionsd’utilisation, des oxydes plus protecteurs que ceux formés par l’alliage de base.

Cependant, le choix d’un procédé de dépôt implique de considérer :

 La compatibilité chimique avec le substrat

 La tenue mécanique du système composite

 La géométrie du substrat

La méthode de dépôt chimique par voie gazeuse est celle qui est industriellement privilégiée pour ce type de revêtement. Elle inclut le procédé de calorisation ou pack- cémentation qui a été choisi dans ce projet notamment pour sa facilité de mise enœuvre et sa capacité à revêtir de façon homogène des substrats de forme complexe.[18]

Les pièces à revêtir sont immergées dans une caisse contenant une poudre constituée d’un mélange d’aluminium, un halogénure (NaF, NH4Cl, NaCl) agissant comme activateur et une poudre généralement , sont traitement thermique se fait à 900°C sous atmosphère inerte (typiquement l’argon). La poudre d’aluminium réagit avec l’activateur pour former un halogénure gazeux qui vient se décomposer à la surface de la pièce à traiter. Les espèces peuvent alors diffuser, la direction de la diffusion est déterminée par l’activité de l’aluminium, et la quantité introduite.

Le processus de calorisation peut se résumer par les 3 étapes suivantes o Processus assurant le dégagement de l'élément diffusant (Al).

o Adsorption de l'élément diffusant

o Diffusion solide de l'aluminium dans le matériau.

13 Les réactions mises en jeu lors de la cémentation en caisse pour les procédés sont

❖ Processus assurant le dégagement de l'élément diffusant (Al)

Prenant l'exemple de calorisation on utilisant un activateur NH₄CL Lorsque température dépasse 335°C, l'agent chimique NH4C1 se décompose suivant la réaction :

NH4Cl NH3 + HCl(g) Le chlorure d'hydrogène ainsi obtenu attaque l'aluminium :

6HCl(g)+2A1 2 AlCl3(g) + 3 H2(g) Pour former le trichlorure d'aluminium qui se décompose à son tour :

AlCl3(g) AlCl(g) + Cl2(g) A la surface de la pièce aura lieu la réaction suivante :

3 AlCl(g) AlCl₃(g) + 2Al atomique (élément diffusant)

❖ Adsorption de l’élément diffusant et sa pénétration dans le métal de base

L'élément diffusant (Al) libéré à l'état atomique est absorbé (c'est Yadsorption chimique) par le substrat, qui lui permet de former des liaisons chimiques avec le fer[.19.20.21.22].

I.3.2. Constituants du mélange

Le mélange de calorisation est constitué généralement d'une poudre d'aluminium, une poudre d'alumine et un activateur (exemple NH4Cl (chlorure d'ammoniac).

I.3.2.1. Poudre d'aluminium

L'aluminium est un métal qui trouve un usage très répandu, grâce à ces caractéristiques, faible densité, conductivité électrique, propriétés mécaniques et sa très bonne résistance à la corrosion. Dans ce mélange, il est ajouté en proportions de 25 à 50%, il représente le générateur de l'aluminium.

I.3.2.2. Poudre d'alumine

En calorisation, l'alumine n'entre pas en réaction chimique car elle est inerte.

Cependant, elle joue un rôle important, elle empêche le frittage de l'aluminium (la

14 solidification de l'aluminium en un bloc métallique), et peut dans une certaine mesure éviter la conglomération de celui-ci à la surface de la pièce. Celle-ci est ajoutée de 25 à 75%.

I.3.2.3. Le chlorure d'ammoniac (NH4Cl)

C'est un sel jouant un rôle important, d'un agent chimique activant, dans le traitement thermochimique. En effet, bien qu'il soit utilisé en faible proportion (1 à 2 %), sans sa présence l'opération se réduirait à une situation analogue à une immersion dans un bain d'aluminium (absence de phase gazeuse). I1 permet la production et le transport de l'aluminium à l'état gazeux combiné pour être céder à l'état atomique à la surface du substrat.

D'autres activateurs ont été utilisés tels que A1C13,A1F3, NaClet NaF. Des expériences ont étéeffectué de calorisation en caisse en utilisant ces différents activant dans le but d'identifier l'activant le plus approprié. Cependant, ces études ont montré qu'à 700°C, représente le meilleur activateur en raison de sa réaction totale dans le mélange. Suite à une analyse par diffraction des rayons X, l'absence des raies de cet activateur confirme sa disparition à la fin de la réaction [20.21.22]

I.3.3. L’aluminium [22.23]

L’aluminium a connu un développement spectaculaire depuis sa naissance en 1854, l’aluminium est aujourd’hui le premier métal non ferreux, c’est un métal blanc. Après polissage, il peut devenir réfléchissant. Il est un élément du troisième groupe de la classification de Mendeleïev, dont le nombre atomique est 13 et la masse atomique 26,98 (environ 27).

L'aluminium possède un réseau cubique à faces centrées à équidistance : a =4,0412 Å, sa caractéristique la plus importante est la faible densité 2,7 g/ (celle du fer 7,8 g/

L'aluminium représente environ 7,5 % en masse dans l’écorce terrestre. Un complément de caractéristiques physiques est représenté dans le tableau ci-dessous.

Caractéristiques de l’aluminium Caractéristiques physiques

 Température de fusion : 660°C.

 Point d’ébullition : 2060°C.

 Conductibilité thermique : c’est un excellent conducteur de chaleur.

15

 Résistivité à l’état pur 2,63.10-8Ω .m.

 Conductibilité électrique : (65% de celle du cuivre pour l’aluminium pur à 99,5%),la conductibilité électrique de l’aluminium diminue lorsque les impuretés augmentent.

Caractéristiques mécaniques

A cause de sa structure du type CFC, l'aluminium pur est très bien déformable à froid et à chaud, il est donc très ductile. Cette plasticité élevée à l’état recuit rend le corroyage facile contrairement à l’usinage. L'aluminium se prête bien à toutes les modalités de soudage sous gaz inerte tels que l'argon ou l’hélium (gaz de protection), sinon l’aluminium s'oxyde facilement et forme une pellicule d’ .

Sa faible dureté et sa faible limite élastique sont défavorables pour son emploi en mécanique. Quelque propriétés mécaniques de l’aluminium à (99,6 %) sont portées dans le tableau ci-dessous :

Résistance à la traction R(N/mm²). 70 à 100

Limite élastique R0.002 (N/mm²). 30 à 40

Allongement A(%). 15 à 25

Dureté brinell HB(HB). l5 à 25

Module d’élasticité E(N/mm²). 67500

TableauI.2 : Propriété mécanique de l’aluminium à 99,6 % I.3.4. Diagramme de phase Fe-AL

Le diagramme de phase Fe-Al représenté sur la figure I.7 prévoit la formation de nombreux composés intermétalliques par diffusion du fer vers l'aluminium et inversement de l'aluminium dans le fer. Parmi ces composés, il y a ceux qui sont stables tels que FeAl, Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5 et FeAl3 et il existe des phases métastables telles que Fe2Al3[24].

16 Figure I.7 : Diagramme d'équilibre Fe-Al[24].

I.3.5.Composition et morphologie de la couche calorisation

Dons le revêtement de pack-cémentation peut être considéré comme le résultat de l’inter diffusion entre le ou les éléments déposés et ceux du substrat. Cette couche peut atteindre une épaisseur d'environ 120 µm qui représente une excellente adhérence ausubstrat.

Très schématiquement, les couches formées s'organisent en deux zones, étant entendu que ces deux zones ne sont pas toujours présentes et qu'une même zone peut présenter plusieurs phases (Figure I.8).

Une zone interne qui se développe au niveau de son interface avec le substrat par diffusion des éléments à déposer. On retrouve dans cette zone tous les éléments de l'alliage.

Une zone externe qui se développe au niveau de son interface avec le cément par rétrodiffusion des éléments de l'alliage. Cette zone peut renfermer des inclusions de cément.[24]

17 FigureI.8: Morphologie de la couche calorisé [24].

FigureI.9: Microstructure d'un acier calorisé à 710 °C pendant 20 min [25].

La couche de calorisation sur l'acier inoxydable 310 se compose de deux zones, comme s'est schématisé sur la figure I.10. Une zone externe épaisse de matrice riche en δ- avec des grains de Cr₅Al₅ et une zone intermédiaire en contact du substrat qui est composée de deux couches, une couche de grains mixte de α-(Cr, Fe) et β-FeAl avec des précipités de β-FeAl dans les grains de α-(Cr, Fe) et une couche de β-FeAl.[26]

Substrat revêtement

Inclusions de particules du cément

Zone externe

Interface initiale

Zone interne

Précipités formés à partir des éléments d’alliages

18

FigureI.10 : Microstructure de l'acier inoxydable 310 calorisé [26].

I.3.6. Epaisseur de la couche de calorisation

Comme s'est montrée sur les figures I.11(a) et I.11(b), l'épaisseur de l'aluminium sur le substrat en acier augmente avec l'augmentation de la durée de la calorisation, alors qu'elle diminue avec l'augmentation de la température de calorisation. Une plus basse température et un plus long temps favorisent une couche plus épaisse de l'aluminium sur le substrat. En plus l'épaisseur de la couche intermétallique dans le substrat en acier augmente avec la température et le temps de calorisation. Cependant, la température d'aluminisation plus élevée ne semble pas avoir un effet significatif dans l'épaisseur de la couche intermétallique [25].

FigureI.11 : Effet de la température et de la durée de calorisation

a) sur l'épaisseur de la couche d’aluminium, b) sur la couche intermétallique [25]

19 FigureI.12 : Epaisseur de la couche d’oxyde et de la couche intermétallique de l'acier

inoxydable calorisé à 750 °C pendant l0h et oxydé à 800°C [25].

I.3.7.Résistance à l'oxydation de la couche de calorisation

La résistance à l'oxydation à haute température des aciers inoxydables calorisés est attribuée grâce à la présence de l'aluminium, qui favorise la formation de l'oxyde protecteur au lieu de . Cet oxyde est caractérisé par son point de fusion élevé, grande dureté et une stabilité plus élevée, améliorant ainsi la résistance à l'oxydation[26].

T e m p s ( h )

Chapitre II

Techniques expérimentales

et de caractérisation

20 Dans ce chapitre nous exposerons les différentes techniques expérimentales et de caractérisation utilisées dans ce travail. Nous aborderons le principe de fonctionnement et le mode opératoire de chaque appareillage ainsi que les paramètres d’expérience.

II.1.Matériaux et techniques expérimentales

II.1.1.1. Prélèvement des échantillons

Dans notre étude, nous avons utilisé un acier inoxydable austénitique de nuance 18-8 (18%Cr et 8%Ni) sous forme d'un carré de (1.5×1.5) cm et une épaisseur de 2 mm. Ces échantillons ont été découpés à l'aide d'une scie métallique.

II.1.1.2. Préparation des surfaces

Les échantillons ont subi un cycle de polissage réalisé sur une polisseuse de type METASERV2000 avecdeux tournants, sur laquelle est placé un papier abrasif. Le polissage est réalisé sous lubrification continue (jet d'eau) pour éviter tout échauffement local suite au frottement, en utilisant des papiers abrasifs de différentes granulométries:400, 600, 800, 1000.

1200,1500, 2400 et 4000. Les papiers ont été utilisés successivement dans l'ordre décroissant de la granulométrie en prenant soin de tourner l'échantillon de 90° afin d'éliminer les rayures laissées par le polissage précédent. Sur chaque papier, on maintient en contact l'échantillon pendant 5 à 6 minutes. Pour la finition, Après polissage tous nos échantillons seront lavés à l’alcool et prêts à être oxydés ou à calorisés.

FigureII.1 : la polisseuse mécanique utilisée

21 II.1.2. Essai d’oxydation

Une étude du comportement à l'oxydation a été réalisée sur l'acier nu et l'acier calorisé.

Ceci est effectué dans le but de déterminer les cinétiques de croissance des couches d'oxyde formées à chaque température (800, 900 et 1050°C). Elle consiste à suivre la variation de la masse d'un échantillon soumis à des essais d'oxydation à hautes températures sous air.

II.1.2.1. Four d'oxydation

Les différents essais d'oxydation isotherme ont été réalisés dans un four électrique à moufle qui permet d’atteindre la température maximal de 1200°C. La régulation de la température et de la vitesse de chauffe est assurée par un régulateur électronique.

FigureII.2 :Four à moufle utilisé II.1.2.2. Procédure d'oxydation

Les échantillons ont été disposés chacun dans une nacelle en acier inox, puis pesés sur une balance de type KERN ayant une précision de 0.01 mg, et introduit dans le four. Ils ont été ensuite portés à température et maintenus pendant un temps approprié au bout duquel une nouvelle pesée permet de noter une variation de masse due au phénomène d'oxydation après leur retrait du four à l'aide d'une pince et leur refroidissement à l'air ,cette opération répétée plusieurs fois nous a permis d'enregistrer la variation relative de masse au cours du temps.

22 FigureII.3 :Balance de type KERN.

II.1.3. Calorisation de l'acier inoxydable

La calorisation est la saturation de la couche superficielle de l'acier par l'aluminium en vue de créer une couche de protection contre l'oxydation.

II.1.3.1. Préparation du dispositif de calorisation

Le dispositif de calorisation est un creuset cylindrique muni d'un bouchon. Il est réalisé par tournage. Son schéma est représenté sur la figure II.4.

II.1.3.2. Echantillons et poudres de calorisation

Les échantillons à caloriser sont en acier inoxydable austénitique de nuance l8-8 dont,nous avons effectué une calorisation en phase gazeuse réalisée par pack cémentation dans un dispositif contenant un mélange de trois poudres différentes :

 Une poudre d'aluminium.

 Une poudre de chlorure d'ammonium (NH4C1), agissant comme activateur.

 Une poudre inerte d'alumine (A1203).

II.1.3.3. Procédure de calorisation

L'opération consiste à placer l'échantillon au milieu du mélange de poudre dans un dispositif de calorisation comme représentée sur la figure II.4. Le mélange est homogénéisé afin de limiter l'oxydation par pénétration d'oxygène, nous avons disposé sous le bouchon une fine couche de plâtre.

23 Les proportions des poudres du mélange sont portées dans le tableau II.1. L'ensemble est séché au four à 100°C puis soumis à un traitement de recuit à 900°C pendant 5 heures.

Tableau II.1: La composition du mélange de poudres de calorisation.

FigureII.4 :Dispositif de calorisation avec la position l’échantillon II.2. Techniques de caractérisation

Les échantillons sont caractérisés par plusieurs techniques. La caractérisation des microstructures est assurée par la microscopie optique (MO), la microscopie électronique à balayage (MEB). L'identification des phases formées est réalisée à l'aide d'un diffractomètre à rayons X.

II.2.1. Microscope Optique (MO)

Afin de mettre en évidence la microstructure de nos échantillons, nous avons effectué l'examen métallographique des surfaces polies au microscope optique.

Poudres AI₂O₃ Al NH₄Cl

% en masse 85 10 5

Couvercle Couche de plâtre

Mélange de poudre

Echantillon

Dispositif de calorisation

24 Nous avons utilisé un microscope optique de type OPTIKA équipé de 5 objectifs de grossissements 50, 100, 200, 500 et 1000. L'acquisition des micrographies a été effectuée au moyen d'une caméra vidéo CCD solidaire du microscope et reliée à un ordinateur contenant le logiciel d’acquisition.

II.2.1.1. Principe du microscope optique

Le principe du microscope métallographique repose sur la réflexion de la lumière par les échantillons métalliques et l'agrandissement des images effectué par un jeu de lentilles disposées dans les objectifs et les oculaires. Une source lumineuse émet une lumière focalisée grâce à un condenseur et éclaire l'échantillon pour donner une image agrandie grâce à la lentille objectif. Un miroir permet de transformer l'image sur l'oculaire et sur la caméra.

L'étalonnage de mesure des dimensions réelles après agrandissement est effectué au moyen d'une réglette, fournie avec le microscope, de 1 mm de taille, divisée en 100 subdivisions.

FigureII.5 :Microscope optique II.2.2. Microscopie Electronique à Balayage (MEB)

Le microscope électronique à balayage (MEB) a été imaginé pour la première fois en Allemagne, dans les années 1930, par Knoll et Von Ardenne et développé par Zworykin, Hillier et Snyder dans les laboratoires RCA aux Etats-Unis (1940). Mais La microscopie électronique à balayage a connu son véritable essor entre 1948 et 1965, grâce aux progrès techniques de la télévision et des détecteurs d'électrons et grâce aux recherches d'Oatley et de

25 ses condisciples à Cambridge. Cette nouvelle technologie a permis, du fait de sa profondeur de champ, l'observation du relief d'échantillons massifs.

II.2.2.1. Le principe

Les microscopes à balayage utilisent un faisceau d'électrons très fin qui balaye point par point la surface de l'échantillon. L''interaction du faisceau avec l'objet crée différentes émissions de particules qui sont analysées à l'aide de détecteur approprié : électrons secondaires, électrons rétrodiffusés, électrons transmis, émission de rayons X (figure II.6).

Captée de façon synchrone avec le balayage du faisceau sur l'échantillon, l'intensité de chacun de ces signaux module la luminosité d'écran de télévision donnant des images noir et blanc que l'on peut mixer entre elles.

Figure II.6 : Représentation schématique de l'interaction entre un faisceau d'électrons et la surface d'un échantillon

II.2.3. Diffraction des rayons X

Les rayons X sont des radiations électromagnétiques de nature ondulatoire. Ils résultent du choc d'électrons rapides contre une cible métallique appelée anticathode mais seulement 1% de l'énergie est transformée en énergie de radiation X, le reste donne naissance à une grande quantité de chaleur. Lorsqu'un faisceau de rayons X tombe sur la matière, une partie de l'énergie est absorbée et l'autre transmise ou diffusée.

26 La matière va émettre un rayonnement de même longueur d'onde que le rayonnement incident mais dans des directions différentes de celle du faisceau initial. Chaque atome va être la source d'un rayonnement diffusé et l'onde observée dans une direction donnée sera la résultante de la superposition des ondes provenant de chaque atome. L'intensité des ondes élémentaires émises par chaque atome est très faible. Pour qu'elle soit suffisante, il faut que les ondes diffusées par les atomes d'un même cristal soient en concordance de phase.

II.2.3.1. Production des rayons X

La diffraction des rayons X a été utilisée dans le but d’accéder à des informations sur les différentes phases présentes dans l’acier. La structure cristalline ainsi que l’évaluation des paramètres de mailles sont d’autant d’informations facilement accessibles par cette méthode.

Le rayonnement X monochromatique est produit par une anticathode en cuivre. Le filtre est constitué de nickel et ne laisse passer que la raie kαl (λα =1.540598Å). Les diffractogrammes de nos échantillons sont obtenues par un diffractomètre de type XpertPro Panalytical MPD.

Cette analyse a été réalisée au Laboratoire de Chimie des Procédés.

II.2.3.2. Loi de Bragg

On place un cristal sur le trajet d'un faisceau de rayons X parallèles et monochromatiques; Les rayons X diffuses dans toutes les directions de l'espace par les atomes du cristal doivent parcourir des chemins égaux ou qui différent d'un nombre entier de longueurs d'onde (figure II.7).

D'autre part, ces rayons ne sont en phase que pour δ= nl. Bragg a ainsi montré que pour que l'intensité réfléchie soit maximum, les rayons X incidents doivent rencontrer le plan réticulaire sous l'angle θ.

Les conditions nécessaires à cette interférence constructive sont données par la loi deBragg :

2d Sin θ =nλ

n : Ordre de la diffraction,

λ : Longueur d’onde du faisceau de rayons X, 2𝑑 : Distance réticulaire,

θ : Angle d’incidence des rayons X.

27 Figure II.7 : Famille de plans cristallins en condition de Bragg.

Chapitre III

Résultats et discutions

28 Dans le présentchapitre nous allons présenter l’ensemble des résultats des expériences menées au cours de ce travail et leur interprétation.

Nous rappelons que le matériau utilisé est un acier inoxydable 18-8de dimensions (1.5*1.5*2) l’ensemble des échantillons après polissage ontsubi une attaque chimique par la solution suivante :

 55% volume HCL

 30% volume HNO3

 15% volume H₂O

III.1. Analyse par diffraction des rayonsX

Le spectre de diffraction de rayons X de l’acier inoxydable 18-8 (figure III.1), révèle la composition de l’acier qui est constitué du fer, du chrome et du Nikel.

Figure III.1 : Spectre de diffraction de l’acier inox 18-8

III.2.Influence de la température sur les cinétiques d’oxydation de l’acier inoxydable et calorisé :

Afin de mettre en évidence l’influence de la température sur le comportement à l’oxydation de l’acier inoxydable non calorisé, nousavons effectué une oxydation à l’air à, soit 800,900 et 1050°C àdifférent temps de maintien.

29 Les variations de masse relatives à l’unité de surface, de chaque échantillon en été déterminées par pesée et portées dans le tableau III.1, les courbes d’oxydation sont représentées sur la figure [III.2,3,4].

Temps (h) Δm/ (mg/ )800°C Δm/ (mg/ )900°C Δm/ (mg/ )1050°C

2 h30min 0,0074122 0,05742 0,363018

4h30min 0,007909 0,058462 0,535068

6 h30min 0,0085526 0,060058 0,63439

8h30min 0,0091652 0,060828 0,703278

12h30min 0,0104014 0,061648 0,831674

Tableau III.1 : Variations de masse des échantillons oxydés à différentes températures.

Figure III.2 : Courbe de prise de masse de l’acier inoxydable18-8 oxydé à 800 °C.

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012

2h30 4h30 6h30 8h30 12h30

∆m/S0(mg/mm²)

t(h)

800°C

30 Figure III.3 : Courbe de prise de masse de l’acier inoxydable18-8 oxydé à 900 °C.

-

Figure III.4 : Courbe de prise de masse de l’acier inoxydable18-8 oxydé à 1050 °C.

III.2.1. Comparaison des cinétiques d’oxydation

La superposition des trois courbes de variation de masse des échantillons oxydés à 800,900 et 1050°c est représentée sur la figure [III.5].

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

2h30 4h30 6h30 8h30 12h30

∆m/S0(mg/mm²)

t(h)

1050°C 0,055

0,056 0,057 0,058 0,059 0,06 0,061 0,062

2h30 4h30 6h30 8h30 12h30

∆m/S0(mg/mm²)

t(h)

900°C

31 Figure III.5 : Superposition des courbes de prise de masse de l’acier inoxydable

oxydé à différentes températures

Les trois courbes d’oxydation, à 800, 900 et 1050°C , sont d’allure parabolique, on constate une oxydation plus élevée à 1050°C figure III.5, cela est dû probablement à un changement dans la composition structurale de la couche qui est au départ constitué de la chromine par l’apparition d’oxydes contenant du fer tel que l’hématite et la chromite qui se décollent au refroidissement[12].Ceci est conforté par les résultats de diffraction des rayons X effectués sur l’échantillon oxydé à 1050°C.Dans ce cas ,on peut considérer qu’a 1050°C la protection de cet acier n’est plus assurée par ces éléments d’adition.la prise de masse est très faible lors de l’oxydation à 800°C comparée à celles de 900 et 1050°C .Ceci explique que la vitesse d’oxydation augmente avec l’augmentation de la température d’oxydation. Cet acier est fortement protégé à 800 et 900°C en raison de la formation d’une pellicule de chromine à sa surface qui joue le rôle de barrière de diffusion de l’oxygène. Les lois d’oxydation paraboliques sont déterminées avec des coefficients de corrélation allant de 0,9858 à 1. Les équations sont portées dans le tableau (III.2) :

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

2h30 4h30 6h30 8h30 12h30

∆m/S0(mg/mm²)

t(h)

800°C 900°C 1050°C

32

Températures Equation de la courbe de tendance Coefficientde corrélation

800°C y = 0,0001x² + 0,0001x + 0,0072 R² = 0,994

900°C y = -9E-05x² + 0,0016x + 0,0558 R² = 0,9918

1050°C y = -0,0084x² + 0,161x + 0,223 R² = 0,9858

Tableau III.2 : Equation des courbes de tendance III.2.2. Oxydation de l’acier inoxydable calorisé

Pour mettre en évidence l’influence du traitement de calorisation, de l’acier calorisé a 900°C pendant 5h. Nous avons effectué une oxydation à 1050°C à différent temps de maintien des échantillons, la mesure de variation de la masse de ces échantillons en fonction du temps de maintien a permis d’établir sa cinétique d’oxydation représentée sur la figure (III.6)

Temps (h) ∆m/S0(mg/mm²)

2h30min 0,19742

4h30 min 0,25074

6h30 min 0,29432

8h30 min 0,32688

Tableau III.3 : variation de masse des échantillons calorisés

33 Figure III.6 : Courbe de prise de masse des échantillons calorisé oxydé à 1050°C.

Le tableau ci-dessous représente l’équation de la courbe de tendance et le coefficient de corrélation pour l’acier calorisé oxydé à 1050°C.

Equation de la courbe de tendance Coefficient de corrélation

y = -0,0052x2 + 0,0691x + 0,1334 R² = 1

Tableau III.4 : Equation de la courbe de tendance.

III.2.3. Influence de la calorisation de l’acier 18-8 sur son oxydation à 1050°C Pour montrer l’effet de l’aluminium sur le comportement à l’oxydation, nous avons effectué une comparaison entre les deux courbes d’oxydation à 1050°C des échantillons calorisés et non calorisés.

L’influence du traitement de calorisation est mise en graffiti par la superposition de ces deux courbes d’oxydation à 1050°C montrée sur la figure (III.7). Nous constatons un gain de masse de l’acier nu relativement important que celui de l’acier calorisé.Ceci explique que la présence de l’aluminium en surface augmente la résistance à l’oxydation de cet acier. Cette résistance est assurée par la formation d’une couche d’alumine, compacte et réfractaire qui

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

2h30 4h30 6h30 8h30

∆m/S0(mg/mm²)

t(h)

calorisé

34 représente une barrière de diffusion de l’oxygène dans l’acier.En absence d’aluminium (acier non calorisé) la décomposition de l’oxyde de chrome en produits d’oxyde de fer qui se décolle permet une oxydation plus rapide de cet acier à 1050°C.

FigureIII.7 : Superposition des courbes de prise de masse à 1050°C de l’acier nu et de l’acier calorisé

III.3. Analyse par diffraction de rayons x

III.3.1. Analyse par diffraction des rayons Xde l’acier inox 18-8 oxydé à T = 1050°C

L’analyse par diffraction des rayons X a été effectuée pour identifier les types d’oxydes formés après oxydation.Le spectre de DRX de l’acier inoxydable 18-8, oxydés à T = 1050°C pendant t = 12h30min donnée sur la figure (III.8).Cette figure montre la présence des pics de grandes intensités qui correspond au oxydes de chrome du fer, qui sont la chromine Cr2O3 l’hématite et , etLe pique le plus intense et la chromine Cr2O3.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

2h30 4h30 6h30 8h30 12h30

∆m/S0(mg/mm²)

t(h)

calorisé nu

35 Figure III.8 :le diffractogrammede l’acier inoxydable 18-8 oxydé à 1050°C pendant

12h30min

III.3.2.Analyse par diffraction des rayons X de l’acier inoxydable 18-8 calorisé L’analyse de DRX qui est illustré sur la figure (III.9), de l’acier inoxydable 18- 8calorisé à T =900°C pendant t = 5hrévèle la présence d’un ensemble de composé chimique à base d’aluminium, qui sons Fe₂Al₅qui est le pique le plus intense, et FeAl_2,AlN. Elle révèle aussi l’absence de formation d’oxydes à la surface de l’acier inoxydable 18-8 après traitement de calorisation. Ce dernier a empêché la formation des différents oxydes, les composés intermétalliques trouvés en DRX coïncident à ceux observé sur le diagramme fer aluminium.

36 Figure III.9 :Diffractogramme de l’acier inox 18-8 calorisé à T =900°C pendant 5h III.3.3. Analyse par diffraction des rayons X de l’acier 18-8 calorisé oxydé

La diffraction des rayons X figure (III.10), révèle la présence des oxydes qui sont l’alumine (Al2O₃) qui correspond au pique le plus intense_,la chromine (Cr₂O₃), l’hématite (Fe2O3)et l’oxyde de Nikel (NiO). Ces oxydes sont dues au phénomène d’oxydation à la température T = 1050°C pendent t = 8h 30min. La DRX révèle aussi la formations d’un composé intermétallique de type FeAl,la formation de se composé est dû au traitement de calorisation.

37 Figure III 10 : Diffractogramme de l’acier inoxydable 18-8 calorisé oxydé à 1050°C pendant

8h30min.

III.4. Analyse par microscope optique

III.4.1. Analyse par microscope optique de l’acier inoxydable 18-8 oxydé.

La morphologie de l’état de surface de l’acier inoxydable 18-8 oxydé à T = 1050°C pendant t = 8h30min, illustré dans la figure ci-dessus figure (III.11), nous montre des taches sombres qui correspondent probablement à la formation des oxydes de Fer, Chrome et Nikel.

Ces taches noires sont représentées dans une matrice austénitique.

G×100 G×200

38 G×500 G×1000

FigureIII.11 : Morphologie de l’état de surface de l’acier 18-8 oxydé à T = 1050°C pendant t

= 8h30min.

III.4.2. Analyse par microscope optique de l’acier inoxydable 18-8 calorisé

L’ensemble des images obtenue par microscope optique figure (III.12), nous révèlent des grains enclaires qui doit être de l’austénite, et grains sombres qui sont dus à la formation de la couche d’aluminium.

G×100 G×200

39 G×500 G×1000

FigureIII.12 : Morphologie de l’état de surface de l’acier inox calorisé a T =900°C pendant t = 5h.

III.4.3.Analyse par microscope optique de l’acier 18-8 calorisé oxydé

Les images obtenues par microscope optique représentés ci-dessous figure (III.13), à diffèrent grossissement de l’acier calorisé oxydé à T = 1050°C pendant 8h30min, montres des grains claires et sombres bien distinctes, et des taches noires reparties sur ces grains, et une hétérogénéité dans la distribution des grains.

G×100 G×200