Nombre de ferrite dans les soudures d’acier inoxydable duplex et austénitique : mesure et maîtrise

Le nombre de ferrite, ou FN, quantifie la teneur en ferrite d’une soudure en acier inoxydable ; les soudeurs le contrôlent car il détermine les performances de la soudure. Pour les soudures duplex et super duplex, la teneur cible en ferrite se situe généralement entre 30 et 70 FN, ce qui correspond à une structure équilibrée à deux phases ; en revanche, pour les soudures austénitiques, on vise habituellement une faible teneur en ferrite, mais non nulle, d’environ 3 à 10 FN afin d’éviter la fissuration à chaud. Le FN est mesuré principalement à l’aide d’un ferritoscope étalonné et prévu à l’aide du diagramme WRC-1992 ; il constitue un paramètre de contrôle pratique reliant le procédé de soudage à la résistance à la corrosion et à la ténacité.

Ce que représente le nombre de ferrite
Le nombre de ferrite est un indice magnétique normalisé, et non un pourcentage volumique direct. Il a été introduit parce que les premières mesures du « pourcentage de ferrite » variaient fortement d’un laboratoire à l’autre ; le secteur a donc adopté une échelle reproductible, définie par la réponse magnétique et traçable à des étalons secondaires. À faible teneur, le nombre de ferrite (FN) et le pourcentage volumique de ferrite sont proches, mais ils divergent à mesure que la teneur en ferrite augmente, ce qui explique pourquoi les spécifications relatives aux aciers duplex fixent les critères d’acceptation soit en FN, soit en pourcentage converti selon une méthode définie. Ce nombre est important, car la ferrite et l’austénite présentent des comportements différents : la ferrite confère de la résistance mécanique et une meilleure résistance à la corrosion sous contrainte par les chlorures, tandis que l’austénite assure la ténacité et la ductilité. Une soudure qui se solidifie avec un déséquilibre entre ces deux phases sacrifie l’une de ces propriétés pour obtenir l’autre.

Pourquoi les soudures austénitiques et duplex diffèrent-elles
Dans les nuances austénitiques, telles que les aciers 304L et 316L, le métal de base est essentiellement entièrement austénitique, mais le métal de soudure est délibérément formulé pour se solidifier avec quelques pour cent de ferrite delta. Cette faible fraction de ferrite interrompt la continuité des limites de grains austénitiques et dissout des impuretés telles que le soufre et le phosphore, empêchant ainsi la fissuration à chaud lors de la solidification. Une teneur en ferrite trop faible, inférieure à environ 3 FN, augmente le risque de fissuration ; une teneur trop élevée, supérieure à environ 10 à 12 FN, peut réduire la ténacité et, après exposition en service, favoriser l’embrittlement. Les nuances duplex fonctionnent différemment : le métal de base est déjà un mélange équilibré, et l’objectif consiste à reproduire cet équilibre dans la soudure. Un excès de ferrite dans une soudure duplex — qui survient lorsque la soudure refroidit trop rapidement pour permettre la reformation de l’austénite — dégrade la ténacité et la résistance à la corrosion, tandis qu’un excès d’austénite réduit la résistance mécanique et peut localement diminuer la résistance à la corrosion par piqûres.

Prédire la valeur FN à l’aide du diagramme WRC-1992
Le diagramme WRC-1992 est l’outil moderne permettant de prédire la teneur en ferrite d’une soudure à partir de sa composition. Il représente graphiquement un équivalent chrome, qui additionne les éléments formateurs de ferrite, en fonction d’un équivalent nickel, qui additionne les éléments formateurs d’austénite, et permet de déterminer la valeur prévue de FN. L’équivalent chrome se calcule selon la formule Cr + Mo + 0,7 × Nb, tandis que l’équivalent nickel suit la formule Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. Le coefficient élevé appliqué à l’azote explique pourquoi les additions d’azote déplacent la soudure vers l’austénite, et pourquoi cet élément est délibérément utilisé dans les fils fourreurs et les gaz de protection destinés aux aciers duplex. En comparant la valeur de FN prévue pour le métal de base, celle du métal d’apport et leur taux de dilution respectif, un ingénieur en soudage peut sélectionner des consommables et un taux de dilution permettant d’obtenir une valeur de FN située dans la plage cible, avant même de réaliser le moindre essai.

Tableau : Plages typiques de teneur en ferrite

Mesurer la ferrite en pratique
Le ferritoscope est l’outil de prédilection sur le terrain. Il applique un champ magnétique à la soudure et mesure la réponse, qui varie proportionnellement à la teneur en ferrite, fournissant ainsi une lecture directe en unités FN en quelques secondes, une fois étalonné à l’aide d’étalons certifiés. Cette méthode est non destructive, portable et particulièrement adaptée aux contrôles en production, tant sur les passes de racine que sur les passes de recouvrement. Pour les arbitrages ou les recherches, le comptage ponctuel métallographique réalisé sur une section transversale attaquée fournit un pourcentage volumique. Les deux méthodes sont couvertes par des normes reconnues. Effectuez plusieurs mesures le long de la soudure et de la zone thermiquement affectée plutôt qu’un seul point, car la dilution et le refroidissement varient selon la longueur et la largeur du joint. N’oubliez pas non plus qu’un ferritoscope ne mesure que la région superficielle qu’il touche : le meulage, la déformation à froid et la contamination de surface peuvent fausser le résultat, et les mesures effectuées sur des tubes de petit diamètre courbés peuvent nécessiter une correction géométrique. Dans un laboratoire équipé, la mesure de la teneur en ferrite est associée aux essais de résilience et aux essais de corrosion afin de confirmer qu’une valeur satisfaisante se traduit effectivement par des performances mécaniques et anticorrosion acceptables.

Contrôle de la ferrite par procédure
Deux leviers de processus dominent le contrôle de la ferrite : l’apport thermique et l’azote. L’apport thermique régit la vitesse de refroidissement, et cette vitesse détermine la quantité d’austénite pouvant se reformer à partir de la ferrite qui se solidifie en premier. En soudage duplex, un apport thermique trop faible provoque une trempe rapide, figeant une proportion excessive de ferrite et privant l’austénite de sa formation, ce qui nuit à la ténacité ; un apport thermique trop élevé ralentit tellement le refroidissement que des phases intermétalliques peuvent se former. Une plage contrôlée, souvent avec une température entre passes plafonnée aux environs de 150 degrés Celsius, permet de maintenir une structure équilibrée. L’azote constitue le levier chimique : l’ajout de quelques pourcents d’azote dans le gaz de protection à base d’argon, ainsi que le choix d’un métal d’apport sur-allié, riche en nickel et en azote, favorisent la reformation de l’austénite et améliorent la résistance à la corrosion de la soudure. Le cas autogène exige une attention particulière, car une soudure réalisée sans métal d’apport ni azote dans le gaz repose entièrement sur la composition du métal de base et tend vers un excès de ferrite ; c’est pourquoi les passes racines duplex sont presque toujours effectuées avec un gaz de soutien contenant de l’azote. Une erreur a des conséquences concrètes. Une soudure duplex trop riche en ferrite présente une faible ténacité selon l’essai Charpy et peut se fissurer sous contrainte chlorurée ; une soudure trop pauvre en ferrite perd de sa résistance mécanique et de sa résistance à la corrosion localisée par piqûres ; une soudure austénitique comportant trop peu de ferrite peut se fissurer pendant la solidification. Spécifiez une plage de nombre de ferrite (FN), prévoyez-la à l’aide du diagramme WRC-1992, maîtrisez l’apport thermique et la teneur en azote, puis vérifiez le résultat au ferritoscope : la qualité de la soudure devient alors un résultat contrôlé et documenté, et non plus une simple espérance.

Questions fréquemment posées
Q : Quel nombre de ferrite un cordon de soudure duplex 2205 doit-il présenter ?
R : Un cordon de soudure duplex 2205 équilibré vise généralement un nombre de ferrite (FN) compris approximativement entre 30 et 60 ; un excès de ferrite réduit la ténacité et la résistance à la corrosion, tandis qu’un déficit diminue la résistance mécanique.
Q : Comment mesure-t-on le nombre de ferrite sur des cordons de soudure finis ?
R : Le plus couramment à l’aide d’un ferritoscope étalonné, qui fournit une lecture non destructive du FN en quelques secondes ; le comptage ponctuel métallographique est utilisé à titre arbitral et fournit un pourcentage volumique.

Pour les tubes duplex et austénitiques soudés et contrôlés selon des cibles précises de nombre de ferrite, veuillez contacter Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. Tél. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/