Acier 304 est un alliage – c'est-à-dire un métal fabriqué en mélangeant ce qu'on appelle des éléments d'alliage dans un métal de base – et il constitue une véritable colonne vertébrale pour l'industrie moderne. L'acier est principalement composé de carbone et de fer, avec d'autres éléments traces qui peuvent conférer aux aciers des propriétés uniques. Une catégorie d'aciers est connue sous le nom d'aciers inoxydables, qui utilise le chrome pour réduire la corrosion habituelle rencontrée par la plupart des matériaux à base de fer. Cet article explorera l'acier inoxydable le plus courant, l'acier 304, et étudiera ses propriétés physiques, mécaniques et de travail. Les concepteurs comprendront mieux ce qu'est ce matériau, comment il fonctionne et où l'acier 304 est utilisé dans l'industrie afin de pouvoir éventuellement sélectionner ce matériau pour leurs propres projets.
Propriétés physiques de l'acier inoxydable 304
Les aciers inoxydables tirent leur nom de l'American Iron & Steel Institute (AISI) et de la Society of Automotive Engineers (SAE), qui ont chacun créé leur propre système de dénomination pour les alliages d'acier basé sur les éléments d'alliage, les usages et d'autres facteurs. Les noms d'acier peuvent devenir confus, car le même alliage peut avoir différentes identifiants selon le système utilisé ; cependant, il faut comprendre que la composition chimique de la plupart des mélanges d'alliages reste la même à travers les systèmes de classification. Dans le cas des aciers inoxydables, ils sont souvent composés de 10 à 30% pour cent de chrome et sont conçus pour résister à divers degrés d'exposition à la corrosion. Pour en savoir plus sur les différences entre les aciers inoxydables, n'hésitez pas à lire notre article sur le type d'acier inoxydable.
L'acier de type 304 fait partie des aciers inoxydables 3xx ou de ces alliages qui sont mélangés avec du chrome et du nickel. Voici une répartition chimique de l'acier 304 :
<=0,08% pour cent de carbone
18-20% pour cent de chrome
66,345-74% pour cent de fer
<= 2% pour cent de manganèse
8-10,5% pour cent de nickel
<=0,045% pour cent de phosphore
<=0,03% pour cent de soufre
<=1% pour cent de silicium
La densité de l'acier 304 est d'environ 8 g/cm3, ou 0,289 lb/in3. L'acier de type 304 se divise également en trois principales variétés : alliages 304, 304L et 304H, qui diffèrent chimiquement selon la teneur en carbone. Le 304L a le pourcentage de carbone le plus faible (0,03%), le 304H le plus élevé (0,04-0,1%), et le 304 équilibré se situe entre les deux (0,08%). En général, le 304L est réservé aux grandes pièces de soudure qui ne nécessitent pas de recuit après soudure, car les faibles pourcentages de carbone augmentent la ductilité. À l'inverse, le 304H est principalement utilisé à des températures élevées où la teneur accrue en carbone aide à préserver sa résistance lorsqu'il est chaud.
L'acier de type 304 est austénitique, ce qui est simplement un type de structure moléculaire composée du mélange d'alliage fer-chrome-nickel. Cela rend l'acier 304 essentiellement non magnétique, et lui confère une moindre faiblesse à la corrosion entre les grains grâce au fait que les aciers austénitiques sont généralement à faible teneur en carbone. L'acier 304 se soude bien avec la plupart des méthodes de soudage, avec ou sans matériaux d'apport, et il se façonne, se forme et se tourne facilement en forme.
Résistance à la corrosion & effets de la température
Type Acier 304, étant le plus populaire des aciers inoxydables, est naturellement choisi pour sa résistance à la corrosion. Il peut résister à la rouille dans de nombreux environnements différents, étant principalement attaqué par les chlorures. Il subit également une augmentation de la piqûre à des températures chaudes (au-dessus de 60 degrés Celsius), bien que les grades à plus forte teneur en carbone (304H) atténuent considérablement cet effet. Cela signifie que l'acier 304 rouille principalement non pas à haute température, mais dans des solutions aqueuses où le contact continu avec des matériaux corrosifs peut user l'alliage. Les aciers 304 ne sont pas facilement durcis par traitement thermique, mais peuvent être recuits pour augmenter leur malléabilité et travaillés à froid pour augmenter leur résistance. Si la résistance à la corrosion est une priorité pour un projet, le 304L est le meilleur choix car sa teneur en carbone réduite diminue la corrosion intergranulaire.
Propriétés mécaniques de l'acier inoxydable 304
Tableau 1 : Résumé des propriétés mécaniques de l'acier 304.
Propriétés mécaniques
Métrique
Anglais
Résistance à la traction ultime
515 MPa
74700 psi
Résistance à la traction
205 MPa
29700 psi
Dureté (Rockwell B)
70
70
Module d'élasticité
193-200 GPa
28000-29000 ksi
Impact Charpy
325 J
240 ft-lb
Le tableau 1 présente quelques propriétés mécaniques de base de l'acier 304. La section suivante détaillera brièvement chacun de ces paramètres, et montrera comment ils sont pertinents pour les propriétés de travail de l'acier 304.
Les résistances à la traction ultime et à la limite d'élasticité sont une mesure de la résilience d’un matériau face aux forces de traction. La limite d'élasticité est inférieure à la résistance à la traction ultime, car elle décrit la contrainte maximale avant que le matériau ne se déforme de façon permanente, tandis que la résistance ultime fait référence à la contrainte maximale avant la fracture. Bien que moins résistant que certains autres aciers disponibles, ces résistances réduites permettent à ce métal d’être facilement façonné et manipulé sans trop de difficulté.
Le test de dureté est l’un des divers tests de dureté utilisés pour décrire la réponse d’un matériau à la déformation de surface. Un matériau plus dur ne se raye pas facilement et est généralement plus fragile, tandis qu’un matériau plus mou se déformera sous une contrainte locale de surface et est généralement plus ductile. Plus la dureté Rockwell est élevée, plus le matériau est dur, mais le degré dépend de sa comparaison avec d’autres métaux sur la même échelle. L’acier 304 a une dureté Rockwell B de 70 ; pour référence, la dureté Rockwell B du cuivre, un métal mou, est de 51. En termes simples, l’acier 304 n’est pas aussi dur que certains de ses frères en acier inoxydable comme l’acier 440 (voir notre article sur l’acier 440 pour plus d’informations), mais il reste un acier robuste à usage général.
L’acier de type 304 possède une gamme de modules élastiques, selon le type utilisé, mais ils se situent tous entre 193 et 200 GPa. Le module d’élasticité est une bonne mesure de la capacité d’un matériau à conserver sa forme sous contrainte, et constitue un indicateur général de résistance. Comme la plupart des aciers, le module élastique de l’acier 304 est assez élevé, ce qui signifie qu’il ne se déformera pas facilement sous contrainte ; cependant, notez qu’un module élastique plus faible facilite l’usinage, c’est pourquoi le 304 est souvent fabriqué avec un module élastique plus faible pour permettre un usinage facile.
Une mesure relativement obscure, mais néanmoins importante, d’un matériau est la quantité d’énergie absorbée lorsqu’il est frappé par une force importante, ce qui montre comment il se fracture sous contrainte. Il est vital de savoir comment un matériau se cassera, car certaines applications privilégient un scénario de défaillance plus ductile plutôt qu’une fracture plus fragile. Le test d’impact Charpy utilise un grand pendule qui balaye une éprouvette fendue d’acier pour simuler ces conditions, où un indicateur montre combien d’énergie est transférée du pendule au métal. Un score d’impact Charpy faible signifie que le matériau est généralement plus dur, où sa structure cristalline rigide préférerait simplement se fracturer sous la force du pendule à haute énergie. L’acier 304 a un score d’impact Charpy élevé, ce qui signifie qu’il est généralement plus malléable et se pliera avant de se casser, absorbant une partie de l’impact. Cette valeur est une preuve supplémentaire que l’acier 304 est facilement travaillé et manipulé, où la fracture est moins probable dans des conditions stressantes.
Quelle est la résistance de l’acier inoxydable 304 ?
La résistance à la limite d'élasticité de l’acier inoxydable 304 est de 205 MPa ou 29700 psi. La résistance à la traction peut varier en fonction de facteurs tels que le traitement thermique spécifique et les processus de fabrication appliqués à l'acier inoxydable.
Quelle est la résistance à la traction de l'acier inoxydable 304 ?
La résistance à la traction de l'acier inoxydable 304 est de 515 MPa ou 74700 psi. La résistance à la traction spécifique de l'acier inoxydable 304 peut varier en fonction de facteurs tels que le traitement thermique, les processus de fabrication et la variante spécifique de l'acier inoxydable 304.
Applications de l'acier inoxydable 304
Acier 304 est souvent désigné comme un acier inoxydable « de qualité alimentaire », car il est inerte avec la plupart des acides organiques et est utilisé dans l'industrie de la transformation alimentaire. Sa excellente soudabilité, machinabilité et maniabilité conviennent à ces aciers inoxydables pour des applications nécessitant un certain niveau de résistance à la corrosion ainsi qu'une complexité. En conséquence, le 304 a trouvé de nombreuses utilisations, telles que :
Équipements de cuisine (éviers, couverts, crédences)
Tubes de différents types
Équipements alimentaires (brasseurs, pasteurisateurs, mélangeurs, etc.)
Équipements de traitement pharmaceutique
Aiguilles hypodermiques
Casseroles et poêles
Équipements de teinture
ainsi que d'autres usages.
À travers cette liste, il est clair que l'acier 304 est efficace dans de nombreux domaines différents. Ses excellentes caractéristiques de travail, combinées à son histoire étendue et à sa disponibilité, en font un excellent premier choix lors du choix d'un acier inoxydable.
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