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Acier inoxydable duplex (DSS) est largement utilisé dans les secteurs du pétrole et du gaz, de la chimie et de l’ingénierie offshore pour sa haute résistance et son excellente résistance à la corrosion. Cependant, les hautes performances du DSS reposent sur sa microstructure précisément équilibrée d’austénite (γ) et de ferrite (δ). Lorsque le DSS est exposé ou utilisé pendant des périodes prolongées dans certaines plages de température, la phase ferrite se décompose, précipitant diverses « phases délétères ». Ces précipités altèrent gravement la ténacité mécanique et la résistance à la corrosion du matériau, ce qui constitue une menace importante pour la fiabilité des applications d'ingénierie.
1. Tueur de fragilité : précipitation des phases σ et χ
De toutes les phases délétères, la phase σ est sans doute la plus connue et la plus destructrice.
Plage de températures de précipitation : la phase σ précipite principalement entre 600°C et 950°C, avec sa cinétique de précipitation culminant autour de 800°C à 880°C.
Composition chimique : la phase σ est un composé intermétallique riche en chrome (Cr) et en molybdène (Mo). Il se forme par décomposition de la ferrite δ ou réaction de décomposition eutectoïde à l'interface entre la ferrite δ et l'austénite γ.
Impact sur les performances : La précipitation de la phase σ a un double impact sur les propriétés techniques du DSS. Premièrement, la phase σ elle-même est une phase dure et cassante. Sa présence réduit considérablement la résistance aux chocs du matériau, le rendant susceptible de se briser à basse température ou dans des conditions de concentration de contraintes. Deuxièmement, lors des précipitations, la phase σ consomme des quantités importantes de Cr et de Mo de la matrice de ferrite δ environnante, ce qui entraîne des régions appauvries en Cr et en Mo entourant la phase σ. Ces régions appauvries réduisent considérablement la résistance à la corrosion, devenant vulnérables aux piqûres et à la corrosion intergranulaire.
La phase Chi est également un composé intermétallique riche en Cr et Mo qui se forme généralement dans une plage de température similaire à celle de la phase σ (700°C à 900°C). Cependant, la phase χ précipite généralement préférentiellement sous forme de phase métastable au début du vieillissement, pour se transformer ensuite en phase σ plus stable. Son impact négatif sur les propriétés est similaire à celui de la phase σ, conduisant à une fragilisation et à une diminution de la résistance à la corrosion.
2. Fragilisation à 475°C : une menace cachée à basse température
En plus de la phase σ dans les régions à haute température, l'acier inoxydable duplex connaît également une zone dangereuse à des températures plus basses, connue sous le nom de fragilisation à 475°C.
Plage de températures de précipitation : Ce phénomène se produit entre 350°C et 550°C, avec un pic d'intensité autour de 475°C.
Micromécanisme : Dans cette plage de température, la phase de ferrite delta subit une décomposition spinodale, se décomposant en deux structures de ferrite à l'échelle nanométrique : une phase α' riche en chrome (α' riche en Cr) et une phase α pauvre en chrome (α pauvre en Cr).
Impact sur les performances : cette séparation de phases à l'échelle nanométrique augmente considérablement la dureté et la résistance du matériau, mais diminue considérablement sa résistance aux chocs. Bien que cette fragilisation à basse température soit moins grave et moins répandue que la précipitation de la phase σ sur la résistance à la corrosion, la phase α' riche en chrome peut également conduire à une susceptibilité accrue à la corrosion dans certains milieux. Il convient de noter que la décomposition spinodale nécessite généralement une longue période de vieillissement, mais que la cinétique de précipitation peut être accélérée dans les matériaux écrouis.
3. Carbonitrures et austénite secondaire
Outre les précipités primaires évoqués ci-dessus, d'autres phases délétères peuvent se former sous certaines conditions :
Carbures et nitrures : Entre 550°C et 750°C, des carbures de chrome (Cr23C6) ou des nitrures peuvent précipiter. Bien que la teneur en carbone (C) des DSS modernes soit généralement maintenue à des niveaux extrêmement bas (≤0,03 %), ces précipités peuvent encore se former aux joints de grains, consommant du Cr et posant un risque de corrosion intergranulaire.
Austénite secondaire (γ2) : Lors de la précipitation de la phase σ, la décomposition de la ferrite δ forme simultanément une austénite secondaire riche en nickel (γ2). Bien que γ2 ne soit pas en soi une phase directement délétère, son mécanisme de formation est étroitement lié à la précipitation de la phase σ. Sa présence signale la décomposition de la ferrite δ, signalant indirectement une détérioration des propriétés du matériau.
