Qu’est-ce qu’un acier martensitique ?

La résistance à la corrosion, la haute résistance, la résistance à la chaleur et les propriétés hygiéniques sont parmi les nombreux attributs bien connus de l’acier inoxydable. Les distinctions entre les cinq principales catégories d’acier inoxydable proviennent de la composition chimique différente de chacune.

Crédit image : Ulbrich Stainless Steels &Métaux spéciaux.

Qu’est-ce que l’acier martensitique ?

L’acier inoxydable martensitique est un bon choix pour une variété d’applications en raison de sa durabilité, de sa solidité et de sa résistance à la corrosion. La composition et les propriétés de l’acier martensitique lui confèrent des avantages par rapport aux autres types d’acier dans diverses fonctions industrielles.

En raison de sa composition chimique, les traitements thermiques et de vieillissement peuvent conduire à la trempe et au renforcement de l’acier martensitique. Ces traitements font de l’acier martensitique une option idéale pour la fabrication de vannes et d’instruments mécaniques, de pièces de turbines, d’instruments médicaux et d’autres applications et produits.

Composition de l’acier martensitique

Le chrome représente généralement 11,5 à 18 % de la composition de l’acier martensitique, avec 1,2 % de carbone et de nickel. Si la faible teneur en nickel le rend moins résistant à la corrosion par rapport à d’autres types d’acier inoxydable, le pourcentage élevé de carbone fait que l’acier a une structure moléculaire particulièrement robuste.

Le manganèse, le nickel et le molybdène font partie des autres éléments d’alliage de l’acier martensitique.

Traitement de l’acier inoxydable martensitique

Acier martensitique à refroidissement rapide

L’acier inoxydable de type 410, l’acier inoxydable 420 et l’acier inoxydable 440A font partie des types d’aciers martensitiques les plus courants. Ces aciers inoxydables martensitiques réagissent au traitement thermique un peu comme les alliages d’acier à haute teneur en carbone. La teneur en carbone définit la dureté trempée maximale de l’acier inoxydable.

Le chauffage de l’acier à des températures élevées qui sont ensuite suivies d’un processus de refroidissement rapide entraîne un durcissement. La grande capacité de durcissement des alliages martensitiques signifie que ce processus est souvent appelé « durcissement à l’air ».

Le matériau est généralement réchauffé à basse température pour relâcher les contraintes de la microstructure, ou il est réchauffé à des températures légèrement plus élevées afin de tremper (ramollir) le matériau pour atteindre des niveaux de dureté intermédiaires. Ceci est dû à la structure fragile du matériau martensitique durci.

Chauffer l’alliage juste en dessous de sa température critique entraîne un recuit de procédé. En revanche, un refroidissement plus long après avoir chauffé l’alliage juste au-dessus de la température critique entraîne un recuit complet.

Types d’acier martensitique

La teneur en carbone de l’acier martensitique signifie qu’il peut à son tour être décomposé en deux types différents.

Acier martensitique à faible teneur en carbone

Avec sa faible teneur en carbone comprise entre 0.05% à 0,25%, les versions à faible teneur en carbone de l’acier martensitique ont un plus grand potentiel de fabrication, offrent une plus grande résistance à la corrosion et sont généralement plus solides.

Acier martensitique à haute teneur en carbone

L’acier martensitique à haute teneur en carbone a généralement une teneur en carbone plus élevée : entre 0,61% et 1,50%. Une teneur en carbone accrue rend l’acier plus résistant car le carbone renforce la structure moléculaire. Il est difficile de souder l’acier ou de le former facilement dans d’autres formes en raison de sa plus grande fragilité.

Acier inoxydable de type 410

L’acier inoxydable de type 410 est une nuance d’acier inoxydable martensitique considérée comme martensitique à usage général. Il peut être utilisé dans la production de pistons et de soupapes, ainsi que d’éléments de fixation, de ressorts, d’épingles, de coutellerie, de quincaillerie, de pinces à fusil, de pièces micrométriques, d’aubes de turbine, de tiges de pompe, de tamis à charbon, d’écrous et de boulons, de raccords, de roulements à billes, de roues et d’arbres.

Des changements dans les traitements thermiques de trempe et de revenu donneront différents niveaux de dureté.

Le type 410 est généralement fourni sous une forme recuite, cependant, le type 410 peut également être fourni avec une dureté minimale de RC35 pour les calibres inférieurs à 0,040 « . Une version laminée à froid avec une résistance à la traction minimale de 110000 psi est une autre option d’approvisionnement.

Acier inoxydable de type 420

Couvrant une gamme assez large de niveaux de dureté dans ses formes trempées et revenues, l’acier inoxydable de type 420 a une gamme de carbone de 0,15% à 0,45% de teneur en carbone.

Le traitement thermique, y compris le laminage à froid avec une résistance à la traction minimale de 120000 psi, signifie que l’acier inoxydable de type 420 peut être fourni à différents niveaux de carbone pour répondre à des exigences spécifiques de dureté ou de propriétés mécaniques

Des duretés différentes peuvent être obtenues via des cycles de traitement thermique, ce qui rend le type 420 souhaitable lorsque des produits trempés sont nécessaires pour des applications spécifiques. Cet alliage d’acier est durcissable entre RC40-50.

L’acier inoxydable de type 420 peut être utilisé dans une variété d’applications, y compris les fixations, la coutellerie, les outils chirurgicaux, les pièces de machines, les armes à feu, les bagues et les garnitures de vannes.

Acier inoxydable de type 440

Bien qu’il ait une formabilité limitée à l’état recuit, l’acier inoxydable de type 440A a une plus grande capacité de durcissement que le type 410 ou le type 420.

Durcissable à plus de RC50, cette nuance d’acier inoxydable est extrêmement appropriée pour le découpage en applications de lames. Les lames resteront plus tranchantes et plus longtemps en raison de la dureté élevée de cette nuance.

Les utilisations typiques comprennent :

• Roulements
• Coutellerie
• Instruments chirurgicaux

Dans les applications où la résistance à la corrosion et la dureté élevée sont importantes, le type 440A est également utilisé.

Autres nuances martensitiques

Des nuances martensitiques moins courantes avec des exigences de composition chimique et/ou des propriétés mécaniques particulières que celles énumérées ci-dessus sont également disponibles sur le marché. Toutefois, les aciers martensitiques les plus couramment référencés sont les types 410, 420 et 440.

Caractéristiques de l’acier martensitique

L’acier martensitique possède de multiples propriétés (outre sa résistance) qui le différencient des autres types d’acier inoxydable. Couvrant une large gamme d’applications, les nuances d’aciers inoxydables martensitiques sont utilisées pour combattre des conditions corrosives comparativement douces ou pour créer une rigidité et une résistance maximales pour les pièces formées à froid.

Comme elles partagent de nombreuses caractéristiques, les nuances d’acier martensitique sont regroupées lorsque les fabricants spécifient des alliages d’acier.

Soudabilité

La plupart des formes d’acier martensitique ne réagissent pas favorablement au soudage car elles sont généralement fragiles. Lorsqu’il est trempé et revenu, c’est la fragilité de l’acier martensitique qui augmente ses applications.

Le processus de trempe et de revenu consiste à chauffer le métal puis à le refroidir pour le mettre en place rapidement. Les aciers inoxydables martensitiques à haute teneur en carbone ne sont généralement pas recommandés pour les applications soudées, cependant, l’acier inoxydable de type 410 peut être soudé avec relativement facilement.

Magnétisme

La structure moléculaire cristalline peut être magnétique si du fer est présent dans l’alliage d’acier martensitique. De nombreux types d’acier martensitique sont magnétiques. Cela peut rendre les métaux plus faciles à trier, mais cela peut rendre les processus de fabrication et de soudage plus difficiles. Les aciers martensitiques sont magnétiques à l’état trempé et recuit.

Formabilité

La capacité d’un métal à être transformé en différentes formes sans se casser ou se fissurer est appelée sa formabilité. Plus sa teneur en carbone augmente, plus la formabilité de l’acier martensitique diminue. Bien que possible, les formes à faible teneur en carbone ne sont pas idéales pour le façonnage.

Haute résistance

Les aciers inoxydables martensitiques sont souvent, mais pas toujours, utilisés lorsque des propriétés mécaniques élevées sont nécessaires. Leur degré de résistance à la corrosion limite leur application plus que les autres alliages de la famille des aciers inoxydables.

Des taches de rouille superficielles peuvent souvent apparaître à leur surface. Ils peuvent être utilisés à l’état recuit lorsque seule une résistance limitée à la corrosion ou à l’écaillage à température élevée est requise. Leur plus grande résistance à la corrosion est atteinte à l’état trempé ou revenu.

Acier inoxydable martensitique recuit

Comme elles offrent les meilleures caractéristiques de formage, les nuances martensitiques sont généralement fournies aux fabricants à l’état recuit. Le traitement thermique de durcissement suit généralement les opérations de formage.

Par rapport à la série 300, les nuances d’acier inoxydable austénitique 410 et 420 peuvent également être atteintes à l’état écroui à des niveaux de résistance à la traction relativement faibles.

Comment l’acier martensitique est-il différent des autres types d’acier inoxydable ?

Les différents types d’acier inoxydable diffèrent par leur structure chimique et leurs composants. Ces facteurs déterminent le comportement de l’acier et ses applications possibles.

Acier inoxydable austénitique

Ce type d’acier inoxydable est très résistant à la corrosion et est l’un des types d’acier inoxydable les plus utilisés car il possède une teneur élevée en chrome par rapport aux autres types d’acier inoxydable. Ces aciers sont également composés d’azote, de manganèse et de nickel.

L’acier austénitique est soudable (contrairement à l’acier martensitique), formable et généralement non magnétique. Il n’est pas traitable thermiquement – il ne peut être durci que par le travail à froid.

Acier inoxydable ferritique

L’acier ferritique a une teneur élevée en chrome et une faible teneur en carbone. Cela signifie que l’acier ferritique n’est pas aussi solide que l’acier martensitique (en raison de la faible teneur en carbone), mais il est très résistant à la corrosion et est magnétique.

Plus souvent utilisés dans les ustensiles de cuisine, pour la construction de machines industrielles et dans l’industrie automobile, les aciers ferritiques ne peuvent pas non plus être traités thermiquement. Ils sont traités presque exclusivement à l’état recuit.

Acier inoxydable trempé par précipitation (PH)

L’acier inoxydable PH est fabriqué en ajoutant du cuivre, du molybdène, de l’aluminium et du titane, seuls ou en combinaison. Ces métaux peuvent être trois ou quatre fois plus résistants que l’acier austénitique et ont une ténacité relativement faible.

En raison de son mélange unique de résistance et de bonne formabilité, l’acier PH est généralement utilisé dans les industries pétrolière et gazière, aérospatiale et nucléaire.

Acier inoxydable martensitique trempé

L’acier martensitique devient plus résistant et plus dur après un traitement thermique, ce qui fait partie de ses principaux avantages. Lorsqu’ils sont chauffés et rapidement refroidis, les atomes deviennent ce que l’on appelle du tétragone centré sur le corps, une position déformée qui rend l’acier plus dur et plus résistant. De nombreux procédés peuvent être utilisés afin de durcir l’acier martensitique.

Durcissement par vieillissement

En le chauffant afin de former des précipités qui empêchent le mouvement des défauts dans la structure moléculaire de l’acier, l’acier est durci. Le confinement de ces défauts rend le métal plus dur et plus résistant. Après le chauffage, il est ensuite stocké pendant des heures à une température élevée jusqu’à ce que le processus, qui est souvent utilisé pour augmenter la résistance de l’acier martensitique, soit terminé.

Le recuit

Le recuit consiste à chauffer l’acier pour rendre la structure moléculaire de l’acier plus homogène et éliminer les contraintes. Il en résulte un acier plus souple et plus facile à manipuler.

La trempe et le revenu

La trempe et le revenu est un procédé qui durcit l’acier en le chauffant, en le refroidissant rapidement, puis en le chauffant à nouveau. Le métal est dur mais très cassant après le chauffage et le refroidissement initial, mais le second chauffage a pour but de ramener l’acier à une température à laquelle il est ductile.

Résumé

Il existe de multiples types et qualités d’acier inoxydable qui se répartissent en cinq catégories principales. Les nombreuses caractéristiques distinctives de l’acier inoxydable le rendent idéal pour un large éventail d’applications différentes. L’acier inoxydable martensitique est un acier polyvalent qui a de nombreuses utilisations pratiques dans diverses industries.

L’acier inoxydable martensitique est très sensible à de multiples formes de traitement thermique qui peuvent augmenter la dureté, la solidité et la résistance à la corrosion. La solidité et la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable martensitique sont idéales pour les applications marines, industrielles et médicales, tandis que sa polyvalence peut en faire la solution à un certain nombre de problèmes.

Ces informations ont été sourcées, revues et adaptées à partir de documents fournis par Ulbrich Stainless Steels & Special Metals, Inc.

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Citations

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