ACIER Technologie

Aciers réfractaires

Lorsque des pièces d'acier sont maintenues sous charge pendant des temps assez longs, on constate leur déformation progressive. Ce phénomène de viscosité, appelé fluage, est nul ou négligeable à la température ambiante ou aux températures peu élevées, inférieures par exemple à 300 ⁰C. Mais il faut en tenir compte aux températures supérieures, car son importance croît lorsque la température augmente. Pour un acier donné et à une température donnée, la vitesse de déformation, dite vitesse de fluage, d'abord grande, diminue assez vite, puis reste constante pendant un temps plus ou moins long. Elle croît ensuite jusqu'à aboutir à la rupture de la pièce.

Ces observations ont conduit, pour les emplois aux températures élevées, à rechercher des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible, compatible, en tout cas, avec les déformations admissibles pour la machine ou le matériel. Une classe d'aciers a été créée, celle des aciers réfractaires.

Les aciers réfractaires sont caractérisés, pour chaque température et chaque charge, soit par la vitesse de fluage pendant la période où elle est constante, soit par la déformation maximale au bout d'un temps donné, soit par le temps écoulé jusqu'à la rupture. Très souvent, on exige que dans des conditions données le métal ne subisse pas un allongement supérieur à x p. 100 (0,1 ou 1 p. 100 par exemple) au bout de mille, dix mille ou cent mille heures.

Pour les températures dépassant 500 ⁰C, une autre considération doit intervenir : la résistance à l'oxydation par l'air. Ce résultat est obtenu grâce à des additions de chrome, et éventuellement de niobium, qui d'ailleurs améliore aussi la résistance au fluage.

Les aciers réfractaires sont classés suivant le domaine de température dans lequel ils peuvent être utilisés.

Jusqu'à 400 ⁰C, les aciers au carbone non alliés conviennent mais il faut tenir compte, dans les calculs, de la réduction de la limite élastique. Celle-ci, par exemple, passe, pour un acier donné, de 350 MPa à la température ordinaire à 180 MPa à 400 ⁰C, soit une réduction de 50 p. 100. Les phénomènes de fluage sont encore peu sensibles. À partir de 400 ⁰C, au contraire, ceux-ci deviennent prépondérants et on doit rechercher des aciers alliés.

Jusqu'à 500 ⁰C, éventuellement 550 ⁰C, on utilise des aciers relativement peu alliés. Ils sont utilisés notamment pour les appareils à pression fonctionnant à chaud, comme les chaudières ou les tubes et tuyauteries.

D'autres aciers, contenant à la fois du chrome, du molybdène et du vanadium (1-1-0,2 p. 100 ou 1,25-0,5-0,2 p. 100) sont également utilisés pour les mêmes emplois mais surtout pour de grosses pièces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs), pour la boulonnerie à chaud, etc. Pour tous ces aciers, la limite d'emploi est 550 ⁰C. Mais, déjà à cette température, l'oxydation par l'air, la vapeur ou les gaz de combustion devient prohibitive pour les emplois de très longue durée. On doit recourir à des aciers à plus forte teneur en chrome.

De 550 ⁰C à 600 ⁰C, on utilise des aciers à 5 p. 100 ou à 12 p. 100 de chrome. L'acier à 5 p. 100 de chrome, avec généralement des additions de molybdène et de vanadium, est utilisé dans l'industrie pétrolière : il résiste très bien à l'hydrogène et aux hydrocarbures sous pression. À 550 ⁰C, la charge de rupture au bout de 100 000 heures varie de 60 à 100 MPa suivant la composition et le traitement thermique. Les aciers à 12 p. 100 de chrome, avec des additions de tungstène, molybdène, vanadium, niobium, résistent à l'oxydation jusqu'à 650 ⁰C et sont couramment utilisés dans le domaine 550-600 ⁰C. Leurs caractéristiques (vitesse de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus élevées que[...]