Acier inoxydable 301 AISI - Z12CN18-07 - X12CrNi17-7 - X10CrNi18-8

Un acier inoxydable flexible : l’AISI 301

L’AISI 301 fait partie de la série 300 des aciers inoxydables austénitiques. Sa teneur réduite en nickel (≈ 6-8 %) par rapport au 302 accroît l’écrouissage et favorise la transformation martensitique induite par déformation. Sa composition est donc pensée pour créer une structure austénitique assez stable pour être ductile à l'état recuit, et qui se transforme facilement sous l'effet d'une contrainte mécanique.

Les traitements principaux du 301

Comme tous les aciers austénitiques, il ne peut être durci par trempe. Son mécanisme spécifique est la transformation de phase induite par déformation (écrouissage).

À l'état recuit (doux), l'acier est entièrement austénitique et non magnétique. Lorsqu'il est déformé (laminé, plié, embouti), la contrainte mécanique provoque une transformation de phase : l'austénite (cubique à faces centrées) se transforme en martensite (tétragonale centrée), une structure très dure et résistante.

C'est cette transformation qui est responsable de l'augmentation spectaculaire de sa résistance mécanique. La résistance mécanique et la limite d'élasticité peuvent plus que tripler entre l'état recuit et l'état fortement écroui, l'allongement chute drastiquement et plus il est écroui, plus il devient magnétique.

Pour restaurer la microstructure austénitique, effacer l’écrouissage et prévenir la sensibilisation, un recuit de solution est de mise. Il suffit de chauffer la tôle ou le fil entre 1010 et 1120 °C, maintenir quelques minutes pour dissoudre les carbures puis refroidir très vite (eau ou air forcé). S’il s’agit de le détensionner après un léger pliage ou un soudage, un simple passage 260-480 °C pendant 30 à 60 min suffit à relaxer les contraintes internes sans trop modifier la dureté.

Combiner au besoin un recuit de solution, un écrouissage, un grenaillage puis une passivation constitue par exemple une combinaison classique pour un ressort durable et inoxydable.

Ses propriétés mécaniques

Les propriétés de l'AISI 301 varient radicalement entre son état doux et son état écroui. À l’état recuit, la traction minimale reste modeste (≈ 515 MPa) et la limite d’élasticité autour de 205 MPa, autorisant des emboutissages profonds sans fissures.

Mais chaque palier d’écrouissage (¼ H, ½ H…) fait bondir la résistance ; en « Full Hard », sa résistance à la traction atteint 1 276 MPa pour une limite d’élasticité de ≈ 965 MPa et conservant une ductilité exploitable (~9 %).

Le module d’élasticité reste, lui, quasi constant à 193 GPa : la rigidité initiale ne dépend donc pas de l’écrouissage.

Le maintien des caractéristiques mécaniques est assuré jusqu’à ≈ 260 °C. Au-dessus, la limite d’élasticité baisse peu à peu. En air chaud, la fine pellicule d’oxyde (« calamine ») reste encore adhérente et protectrice jusqu’à environ 840 °C. Au-delà, on parle seulement de résistance à l’oxydation superficielle ; la tenue mécanique n’est plus fiable.

Comment utiliser l’AISI 301, et dans quels milieux

Formabilité

On l’a vu, l’AISI 301 se distingue dans la famille 17-7 Cr-Ni par un durcissement très vif à la déformation ; c’est la raison pour laquelle il est prisé pour les pièces ressort, les carrosseries ferroviaires ou l’architecture. Très ductile au début, il devient de plus en plus dur à mesure qu’on le forme. À l’état recuit on peut le plier autour d’un rayon égal à l’épaisseur de la tôle sans qu’il ne craque. Dès qu’il est demi-dur, il demande un rayon deux fois plus grand ; en plein dur il faut environ cinq épaisseurs pour éviter la fissuration.

Soudage

Tous les procédés courants de soudage (TIG, MIG, résistance) fonctionnent bien. La zone chauffée retrouve l’état recuit ; d’où une perte locale de limite élastique. Pour éviter la sensibilisation (attaque intergranulaire), on refroidit rapidement ou on privilégie les variantes 301L/301LN.

Usinage

Le 301 se laisse usiner, mais n’est pas le plus facile : Avec un indice de machinabilité de 52 % par rapport au B1112, le 301 se place juste derrière le 304. Il coupe proprement à condition d’être usiné à l’état recuit, avec arrosage généreux et arêtes positives.

Corrosion

Enfin le 301, comme le 304, résiste très bien à la corrosion atmosphérique, grâce à une couche passive Cr₂O₃ stable. Par contre, il est très sensible à la corrosion par piqûre et de crevasse, il pique plus vite qu’un 316 (PREN ≈ 18 contre 26 pour le 316) ; on l’évite donc pour du bord de mer ou en milieu chloré. Enfin, comme toutes les nuances de la série 300, le seuil d’immunité à la corrosion disparaît au-delà de 60 °C. Pour ce genre d’utilisation, mieux vaut l’échanger contre un alliage plus résistant à la corrosion sous contrainte chlorure.

Applications industrielles

Puisqu’il suffit d’amener à l’épaisseur ou à la forme voulue l’AISI 301 pour qu’il prenne sa dureté finale, sans trempe sévère, cela a ouvert à toute une palette d’usages industriels – depuis les ressorts miniatures jusqu’aux caisses de trains.

• Industrie ferroviaires : Les constructeurs de voitures voyageurs et de métros utilisent le 301 (ou sa version 301LN) pour sa surface naturellement brillante et sa capacité à alléger la caisse : il offre un bon ratio masse/résistance pour sa résistance aux intempéries pendant plusieurs décennies, sans peinture.
• Automobile : Dans l’habitacle on le retrouve sous forme de ressorts de prétension de ceinture, clips, rondelles Belleville ou spirales de rétracteur ; à l’extérieur il sert aux enjoliveurs, rails de toit, et coques de rétroviseur, où son polissage miroir tient la route face aux gravillons.
• Aérospatial : Les fixations élastiques, colliers de serrage, clips de panneaux et petites charnières en 301 profitent d’un double atout : résistance spécifique élevée et aptitude au pliage serré avant vol. Sous 400 °C, sa tenue mécanique reste largement suffisante pour les zones cabine, voilure secondaire ou mécanismes de sièges.
• En architecture, la nuance offre un aspect inox « clair » facile à brush-polir ou à satiner tout en limitant le poids.