Le rôle de l'azote dans l'acier : Ce qu'il faut savoir

1. Effet de l'azote sur la microstructure et le traitement thermique de l'acier

① L'azote, analogue au carbone, forme une solution solide interstitielle dans le fer, occupant des sites octaédriques dans le réseau cristallin. Cette dissolution influence de manière significative les propriétés mécaniques et la microstructure de l'acier.

② L'azote est un puissant stabilisateur de l'austénite, élargissant le champ de phase de l'austénite dans le diagramme de phase fer-carbone. Son effet promoteur de l'austénite est environ 20 à 30 fois plus fort que celui du nickel, ce qui en fait une alternative économique dans les aciers inoxydables austénitiques. Cette propriété permet de réduire la teneur en nickel sans compromettre la stabilité de l'austénite, ce qui permet de concevoir des alliages rentables.

③ Lorsque l'azote se diffuse dans la surface de l'acier, il peut former des nitrures très stables avec des éléments d'alliage tels que le chrome, l'aluminium, le vanadium et le titane. Ces nitrures, notamment CrN, AlN, VN et TiN, améliorent considérablement la dureté de la surface, la résistance à l'usure et la résistance à la fatigue. Le processus de formation des nitrures, connu sous le nom de nitruration, est une technique d'ingénierie de surface cruciale dans le traitement thermique des aciers.

④ Dans les aciers à haute teneur en chrome et en chrome-nickel, l'azote contribue à l'affinement du grain et au renforcement de la solution solide. Il en résulte une microstructure plus compacte et plus robuste, qui améliore la résistance globale de l'acier, sa ténacité et sa résistance à la corrosion. La structure à grains fins améliore également la résistance de l'acier à la corrosion intergranulaire.

⑤ Bien que l'azote présente de nombreux avantages, une teneur résiduelle excessive en azote dans l'acier peut avoir des effets néfastes. Des niveaux élevés d'azote peuvent entraîner la formation de porosités gazeuses ou de soufflures pendant la solidification, compromettant ainsi l'intégrité structurelle de l'acier. Ce phénomène, connu sous le nom de porosité à l'azote, est particulièrement problématique lors du soudage d'aciers à haute teneur en azote et doit être soigneusement contrôlé par des pratiques de fusion et de solidification appropriées.

2. Effet de l'azote sur les propriétés mécaniques de l'acier

① L'azote exerce un puissant effet de renforcement en solution solide dans l'acier, améliorant de manière significative sa trempabilité. Cet effet est dû à la capacité des atomes d'azote à déformer le réseau de fer, ce qui entrave le mouvement des dislocations et augmente donc la résistance.

② Dans les aciers ferritiques contenant de l'azote, on observe un mécanisme complexe de durcissement par précipitation. Pendant le revenu ou l'exposition prolongée à la température ambiante après un refroidissement rapide, des nitrures ultrafins (typiquement Fe16N2 ou CrN) précipitent. Ces particules nanométriques agissent comme des obstacles au mouvement des dislocations, augmentant encore la résistance et la dureté de l'acier.

La présence d'azote peut induire un vieillissement par déformation dans les aciers à faible teneur en carbone, phénomène caractérisé par une augmentation de la limite d'élasticité et une diminution de la ductilité au fil du temps. Cet effet est particulièrement prononcé dans les aciers dont la teneur en carbone est inférieure à 0,15%.

L'augmentation de la résistance et de la dureté de l'acier due à l'ajout d'azote s'accompagne d'une diminution de la ténacité et d'une augmentation de la sensibilité à l'entaille. Ce compromis est crucial dans les applications d'ingénierie où la solidité et la résistance à la rupture sont requises.

L'effet de fragilisation de l'azote dans l'acier est comparable, et dans de nombreux cas plus sévère, que celui du phosphore. L'impact puissant de l'azote sur la cohésion des joints de grains et la dynamique des dislocations contribue à cette fragilisation prononcée.

L'azote joue un rôle important dans la fragilité bleue, un phénomène observé lorsque l'acier est chauffé à 200-300°C (392-572°F). Cette plage de température permet à l'azote de se diffuser rapidement dans les dislocations, ce qui entraîne un vieillissement par déformation et une fragilisation temporaire.

③ Dans les aciers à haute teneur en chrome et en chrome-nickel, des ajouts contrôlés d'azote peuvent améliorer à la fois la résistance et la résilience sans perte significative de plasticité. Ce résultat est obtenu grâce à la formation de nitrures de chrome fins et stables et à l'effet stabilisateur de l'azote sur l'austénite.

④ L'azote améliore la résistance au fluage et la résistance à la rupture à haute température de l'acier en formant des nitrures thermiquement stables et en renforçant la matrice en solution solide. Cet effet est particulièrement bénéfique pour les aciers inoxydables austénitiques et les alliages résistants à la chaleur fonctionnant à des températures élevées.

3. Effet de l'azote sur les propriétés physiques, chimiques et technologiques de l'acier

① La présence d'azote a un impact significatif sur la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable. Contrairement à l'affirmation initiale, l'azote améliore généralement la résistance à la corrosion par piqûres et par crevasses, en particulier dans les aciers inoxydables austénitiques et duplex. Cette amélioration est attribuée à la capacité de l'azote à stabiliser le film passif et à augmenter le potentiel de piqûre.

② Lorsque la teneur en azote dépasse environ 0,2% en masse dans les aciers inoxydables austénitiques, la résistance de l'acier à l'oxydation à haute température peut diminuer. Toutefois, le seuil exact dépend de la composition spécifique de l'alliage et de l'application envisagée. Dans certains cas, des ajouts contrôlés d'azote jusqu'à 0,5% peuvent améliorer la résistance à l'oxydation à des températures modérées.

③ L'acier contenant de l'azote présente un taux d'écrouissage plus élevé pendant la déformation à froid. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet de renforcement de l'azote, résulte de l'interaction entre les atomes d'azote et les dislocations, ce qui entraîne une amélioration de la résistance et de la dureté. Cette propriété est particulièrement bénéfique dans les applications nécessitant une grande résistance mécanique et à l'usure.

④ L'azote réduit efficacement la tendance à la croissance du grain dans les aciers inoxydables ferritiques à haute teneur en chrome, améliorant ainsi leurs caractéristiques de soudage. Il agit comme un stabilisateur d'austénite, favorisant la formation de structures à grains fins pendant les cycles thermiques de soudage. Cet affinement du grain améliore les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion de la zone de soudure et de la zone affectée thermiquement.

En outre, l'azote améliore la limite d'élasticité et la résistance ultime à la traction des aciers inoxydables sans réduire de manière significative la ductilité. Il améliore également la résistance de l'acier à la corrosion fissurante sous contrainte dans les environnements chlorés, ce qui rend les aciers inoxydables alliés à l'azote particulièrement adaptés aux applications marines et de traitement chimique.

4. Application de l'azote dans l'acier

① L'azote est un élément d'alliage essentiel dans l'acier, sa teneur allant généralement de traces à 0,3% (en masse) dans la plupart des applications, et atteignant un maximum de 0,6% dans les aciers spécialisés à haute teneur en azote. Ce contrôle précis de la teneur en azote permet d'adapter les propriétés mécaniques et les caractéristiques microstructurales.

② L'alliage à l'azote est largement utilisé dans divers types d'acier, notamment

• Aciers trempés et revenus nitrurés : Amélioration de la dureté de la surface et de la résistance à l'usure par la formation de nitrures.
• Aciers ordinaires faiblement alliés : Amélioration de la résistance et de la ténacité sans augmentation significative des coûts.
• Aciers inoxydables austénitiques : Stabilisation de la phase austénitique et amélioration de la résistance à la corrosion, en particulier dans les environnements acides.
• Aciers résistant à la chaleur et ne s'écaillant pas : Ils offrent une excellente résistance aux températures élevées et à l'oxydation, ce qui est essentiel pour les composants des turbines à vapeur, des turbines à gaz et d'autres applications à haute température.

L'ajout d'azote offre des avantages uniques tels que le renforcement de la solution solide, l'affinement du grain et l'amélioration de la résistance à la corrosion par piqûre, ce qui en fait un élément d'alliage inestimable dans la métallurgie moderne de l'acier.