Pourquoi analyser le carbone ?

L'importance de l'analyse du carbone dans les aciers

19 mai 2020 Contrôle des matières

Un acier est un alliage métallique constitué principalement de fer et de carbone. Il existe plusieurs catégories d’acier :

  • Acier non allié (Fer et Carbone)
  • Acier faiblement allié (Fer et Carbone et jusqu’à 5% d’alliages comme Si, Cr, Mn, Ni, Mo, etc.)
  • Acier inoxydable, fortement allié (Fer et Carbone + un pourcentage plus élevé d’éléments clés avec des concentrations variables Si, Cr, Mn, Ni, Mo, etc.)

Il y a plus de 3500 nuances d’acier différentes.

Pour savoir pourquoi il faut analyser le carbone, plusieurs sujets sont développés :

  • Comment le carbone impacte l’acier ?
  • Quelle différence entre les nuances H et L des aciers inoxydables ?
  • Pourquoi est-ce important de mesurer le carbone et comment le mesurer ?

 

Comment le carbone impacte l’acier ?

Le carbone est ajouté à différentes teneurs de 0.005 % à 1,2 % selon les qualités requises pour des utilisations et des applications spécifiques.
Dans les aciers non alliés, l’élément carbone est généralement le seul ajout.
Dans les aciers faiblement alliés et les aciers inoxydables, des éléments sont ajoutés dans une gamme de concentrations pour donner des propriétés diverses selon les besoins d’utilisation.

 

Le carbone affecte les qualités de l’acier

Les teneurs en carbone impactent la soudabilité, la dureté, la résistance à la corrosion, la résistance à la traction.
Des teneurs incorrectes en carbone peuvent amener à la décomposition des soudures, une rupture sous pression, la corrosion intergranulaire ou à la fissuration.

 

Les conséquences de l’augmentation des teneurs en carbone

Augmenter la teneur en carbone améliore :

  • La dureté
  • La fragilité
  • La limite d’élasticité
  • La résistance à la traction
  • La rouille (dans les environnements de terrain)

Augmenter la teneur en carbone, ça réduit :

  • La soudabilité (au-dessus de 0,25% C)
  • La plasticité
  • La ductilité
  • La corrosion atmosphérique

Le carbone agit comme un agent durcisseur et empêche les dislocations dans le réseau cristallin des atomes de fer.

 

Carbone et soudage

Lors du soudage, des calculs de carbone équivalent (CE) sont nécessaires pour prévoir la zone affectée par la chaleur (HAZ).

  • Détermine si deux matériaux d’assemblage sont compatibles.
  • Détermine si des précautions doivent être prises, telles que :
    • Traitement thermique prescriptif ;
    • Utilisation d’électrodes à faible teneur en hydrogène ;
    • Contrôle de l’apport de chaleur.

 

Quelle différence entre les nuances H et L des aciers inoxydables ?

Plusieurs aciers inoxydables sont disponibles avec une teneur en carbone faible ou élevée, connus sous le nom de nuances « L » et « H ».

Les nuances « L » (L pour low carbon) à faible teneur en carbone sont utilisées dans les cas d’exposition à des températures élevées, notamment pour les opérations de soudage. Ils sont également utilisés pour prévenir/réduire au minimum la corrosion intergranulaire.

Les nuances « H » (H pour high carbon) à haute teneur en carbone ont une résistance accrue, en particulier à des températures élevées (supérieures à 500°C). Le fluage* à long terme est réduit.

 

La résistance à la corrosion

La corrosion intergranulaire se produit lorsqu’un échantillon d’acier inoxydable est exposé à des températures élevées (450-800 ºC). Cela favorise la formation de carbures de chrome et réduit le pourcentage de Cr protecteur en dessous du minimum de 11 %.

Les aciers inoxydables de qualité « L » ont été développés pour lutter contre la corrosion intergranulaire.

Les aciers inoxydables de qualité « L » ne produisent pas de carbure de chrome et il n’y a pas de corrosion intergranulaire.

 

Catégories d’acier et teneur en carbone

Nuance « L »

  • Carbone < 0,03 %
  • Résistance supplémentaire à la corrosion
  • Utilisé pour les pièces qui ne peuvent pas être recuites après soudage
  • Le 304L a des caractéristiques de performances inférieures par rapport au 304

Nuance « standard »

  • Carbone < 0,08%
  • Le SS 304 a des caractéristiques de performance plus élevées par rapport au 304L

Nuance « H »

  • Teneur en carbone = 0,04 – 0,10 %
  • Une force supérieure (75 KSI*)
  • La 304H présente des caractéristiques de performance plus élevées (par rapport à la 304 et à la 304L).

 

Types :

Un 304 L est composé de :

  • Maximum 0.03 % de carbone ;
  • Entre 18 et 20 % de Chrome ;
  • Entre 8 et 10.5 % de Nickel.

Un 304 est composé de :

  • Maximum 0.08 % de carbone ;
  • Entre 18 et 20 % de Chrome ;
  • Entre 8 et 10.5 % de Nickel.

Un 304 H est composé de :

  • Entre 0.04 et 0.1 % de carbone ;
  • Entre 18 et 20 % de Chrome ;
  • Entre 8 et 10.5 % de Nickel.

Si le 304L est plus faible que l’acier inoxydable 304 standard, pourquoi l’utiliser ?

Une teneur en carbone plus faible permet de minimiser/éliminer la précipitation du carbure pendant le processus de soudage.

Cela permet d’utiliser l’acier inoxydable 304L à l’état brut de soudage même dans des environnements très corrosifs.

L’acier inoxydable 304 standard se dégraderait beaucoup plus vite au niveau des joints de soudure que le 304L.

L’utilisation d’un 304L élimine la nécessité de recuire les joints de soudure avant d’utiliser la forme métallique terminée, ce qui permet d’économiser du temps, des efforts et de l’argent.

 

L’importance de vérifier le carbone, et comment le mesurer ?

Une grande partie des pièces métalliques ou usinées de la série 300 achetées de nos jours sont doublement certifiées, par exemple 316/316L ou 304/304L.

 

Comment vérifier la teneur en carbone ?

Il existe des méthodes de vérification de carbone :

Rapport d’essai du fabricant : S’appuie sur la documentation du fournisseur pour la composition des matériaux.
Les défis :

  • Confiance totale du fournisseur
  • Mélange de matériaux
  • Augmentation des importations
  • Les examens ne sont pas toujours disponibles

 

Externaliser la vérification dans un laboratoire: Envoi d’échantillons à un laboratoire tiers pour vérifier la composition des matériaux.
Les défis :

  • Délai de vérification (1 à 2 semaines)
  • Temps d’arrêt potentiel
  • Coût différentiel

 

Spectroscopie d’Emission Optique (SEO) : Utilise une étincelle d’arc électrique pour vaporiser la surface d’un échantillon afin de former un plasma.
Les défis :

  • Poids / Taille
  • Une mobilité limitée
  • Temps d’analyse
  • Préparation de l’échantillon

 

Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) : Utilise un laser pour chauffer la surface d’un échantillon afin de former un plasma.
Le défi :

  • Préparation de la surface

 

Le spectromètre portable LIBS Apollo

Ce spectromètre LIBS permet de :

  • Calculer le carbone équivalent pour déterminer la soudabilité ;
  • Déterminer la composition de l’alliage et la qualité des échantillons métallurgiques ;
  • Vérifier les biens essentiels, tels que les conduites, les vannes et les cuves de réaction ;
  • Inspecter les matériaux à la réception, en cours de fabrication et le contrôle qualité à la sortie ;
  • Améliorer la qualité de l’acier inoxydable pour le recyclage de la ferraille.

On peut utiliser l’Apollo dans les métiers suivants : Fabrication, fabrication des métaux, contrôle qualité, identification positive des matériaux (PMI), pétrole et gaz, pétrochimie et recyclage de la ferraille.

Pour en savoir plus : 

🔗 Comment fonctionne la technologie LIBS ?
🔗 La physique quantique, définition
🔗 XRF ou LIBS, quel analyseur choisir ?

Définitions : 

  • Le fluage est la déformation d’un métal soumis à de très fortes pressions.
  • KSI : kilopound per square inch : unité anglo-saxonne dérivée du psi (pound-force per square inch), qui vaut mille psi. Elle est utilisée en science des matériaux pour exprimer les pressions interstitielles.

Notre partenaire Thermo Scientific a organisé un webinar sur l’importance de l’analyse du carbone . Cet article reprend les éléments expliqués lors de ce webinar.

 

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