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métallographiques

Nomenclature

L’acier inoxydable 17-4 PH est un acier martensitique à durcissement par précipitation lors d’un traitement thermique. Le « 17 » fait référence à la teneur approximative en chrome (15,5 %-17,5 %) alors que le « 4 » indique la teneur approximative en nickel (3 %-5 %). Les lettres « PH » signifient precipitation hardening (durcissement structural). Cet acier 17-4 PH porte aussi les dénominations AISI 630, Type 630, X5CrNiCuNb (1.4542), SAE Grade 630 et UNS S17400. Il répond à la norme ASTM A564.

Méthode d’élaboration

La barre cylindrique de 0,625 pouce de diamètre a été produite par laminage à chaud. Le traitement de « mise en solution, condition A » est celui tel que produit par le manufacturier (fiche Ac-34). Un vieillissement par durcissement structural a été appliqué comme suit :

1. Montée en température à 620 °C et maintien pendant 4 heures;
2. Refroidissement à l’air soufflé jusqu’à une température de 20 °C.

État métallurgique

L’état métallurgique correspond à HT900 : « HT » signifie heat treated (traité thermiquement) alors que les chiffres « 1150 » représentent la température de traitement du vieillissement en degrés Fahrenheit (620 °C). La norme ASTM A564 définit les paramètres des différents types de traitement de vieillissement (au choix du client).

Remarques sur la composition chimique

La teneur en chrome à 15,1 % rend l’alliage inoxydable et fournit une excellente résistance à la corrosion. Le nickel ajouté à environ 3 %, élément gammagène, élargit le domaine austénitique et facilite la trempe martensitique. Le cuivre (teneur de 3 %) est l’élément critique dans l’alliage 17-4 PH, et c’est lors du maintien à 1040 °C-1050 °C qu’il sera mis en solution solide dans l’austénite. Durant le vieillissement, le cuivre est peu soluble dans la phase martensitique et forme des précipités cohérents qui vont augmenter les propriétés mécaniques sans diminuer la ténacité.

Le niobium permet de former préférentiellement des carbures de niobium (NbC) stables plutôt que des carbures de chrome. En effet, la formation de carbures de chrome doit être évitée, car ces derniers précipiteraient aux joints de grains lors du traitement de vieillissement subséquent (482 °C à 760 °C).

Il est à noter que plusieurs articles dans la littérature font état d’une fragilisation (diminution de la ténacité) lors du maintien en service de plusieurs milliers d’heures entre 400 °C et 500 °C.

Remarques sur la microstructure

L’attaque au Fry modifié révèle une matrice composée de grains de martensitique revenue. Les petits points noirs incrustés dans la matrice correspondent majoritairement à des carbures de niobium. Aux joints de grains, des précipités cuivreux sont visibles.

À 200X sous attaque au Fry modifié, des bandes de teinte noirâtre, appelées « bandes de ségrégation », se distinguent. Cela signifie que la composition chimique est différente dans une zone noirâtre par rapport à une zone plus brune de la microstructure.

Remarques sur les propriétés mécaniques

La nuance 17-4 PH est l’un des aciers inoxydables à durcissement par précipitation les plus utilisés et possédant des propriétés mécaniques dans la gamme supérieure de tous les aciers inoxydables disponibles.

Selon la norme ASTM A564, l’état « HT1150 » est sujet à des propriétés mécaniques minimales (voir tableau des propriétés mécaniques).

Ses propriétés mécaniques comme la résistance maximale en traction et la dureté sont conservées jusqu’à 300 °C. Après des milliers d’heures en service entre 400 °C et 500 °C, l’alliage subit une décomposition spinodale de la martensite. Cela réduit la ductilité de l’alliage (ex. : de 23 % d’allongement à 8 % après 4000 heures à 400 °C). La décomposition spinodale signifie que la martensite (structure b.c.t. ) se décompose en ferrite alpha (⍺, structure b.c.c.) et en phase enrichie de chrome ⍺’. De même, la phase « G » peut apparaître (riche en nickel, en silicium et en fer).

À l’état HT1150, sa résistance à la corrosion est supérieure à celles des autres états obtenus à des températures de revenu moindres. En particulier, la résistance à la corrosion sous contrainte est améliorée lorsque la température de traitement est supérieure à 550 °C. Le traitement « HT1150 » est approprié si un compromis peut être effectué sur les propriétés mécaniques, tout en obtenant une résistance à corrosion sous contrainte supérieure.

Le traitement de vieillissement de durcissement du 17-4 PH est simple à effectuer, car il ne comporte qu’un seul stage de maintien en température, contrairement au 17-7 PH qui procure des propriétés mécaniques supérieures, mais nécessite une double séquence de traitement thermique.

Préparation métallographique

1. Meulage sur papier 220 grains (2 min.), 320 grains (2 min.), 500 grains (1 min.), 800 grains (1 min.);
2. Polissage avec particules diamantées : MD-Largo 6 µm (5 min.), MD-DAC 3 µm (6 min.), MD-CHEM avec OP-U Non-Dry ou OP-S Non-Dry (1 min.) (finition optionnelle).

Fiches d’alliages associés

• Ac-33 Acier inoxydable martensitique 17-4 PH (HT900)
• Ac-34 Acier inoxydable martensitique 17-4 PH (CONDITION A)

Applications possibles

Après vieillissement, l’alliage 17-4 PH est couramment utilisé pour des applications requérant une haute résistance et un niveau de résistance à la corrosion comparable à celui de l’acier AISI 304 austénitique. 

L’acier 17-4 PH est sensible à la corrosion caverneuse et par piqûre en environnement chloré.

Applications typiques : moules par injection, matrices d’extrusion pour des plastiques, moules et matrices pour la coulée sous pression des alliages de zinc, composants en aéronautique, équipements de procédés chimiques, attaches diverses, engrenages, équipements pour l’industrie des pâtes et papiers, composants d’armement militaire, pièces de turbines à gaz.

Provenance/Fabrication

L’acier de la barre de 0,625 pouce de diamètre a été produit par Acciaierie Valbruna, Italie, et manufacturé par Valbruna Stainless, Indiana, États-Unis.

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