Ferrite delta et fissuration à chaud au soudage des aciers inoxydables : indice de ferrite, Schaeffler, WRC

Par Robert Lahnsteiner, ingénieur international en soudage (IWE) · Mise à jour : novembre 2026

Parce qu’une faible proportion de ferrite delta protège contre la fissuration à chaud. Un métal fondu qui se solidifie de façon entièrement austénitique fissure facilement entre les grains tant qu’il est encore liquide ou pâteux. C’est pourquoi la plupart des métaux d’apport pour aciers austénitiques sont alliés de sorte que quelques pour cent de ferrite subsistent dans le métal fondu, typiquement environ 5 %.

Les fissures sont dues à des éléments d’accompagnement, surtout le soufre et le phosphore. Ils sont peu solubles dans l’austénite, s’accumulent dans la phase liquide résiduelle entre les dendrites et y forment des films à bas point de fusion. Le sulfure de nickel, par exemple, fond vers 645 °C. En refroidissant, le cordon se contracte et les joints de grains se déchirent.

La ferrite absorbe beaucoup mieux le soufre et le phosphore et interrompt la continuité des joints de grains. Si le métal fondu se solidifie d’abord en ferrite, la phase liquide résiduelle reste plus propre et la fissuration à chaud devient rare. Cette teneur voulue en ferrite se reconnaît au léger magnétisme d’un cordon en inox.

Ce qui compte, c’est la phase par laquelle le métal fondu commence à se solidifier. La sensibilité à la fissuration à chaud diminue nettement d’une solidification entièrement austénitique à une solidification entièrement ferritique.

L’indice de ferrite et le mode de solidification dépendent tous deux de la composition, mais pas toujours de façon univoque. En pratique, on spécifie et mesure néanmoins l’indice de ferrite, car il est normalisé et facile à contrôler.

Ordre des modes de solidification selon l’ISO 3581, annexe B. Les plages de FN sont des valeurs indicatives.

Il existe deux types de fissures à chaud. Les fissures de solidification se forment dans le métal fondu lui-même, généralement le long de l’axe du cordon ou dans le cratère final. Les fissures de liquation se forment dans la zone affectée thermiquement ou dans la passe sous-jacente lorsque la passe suivante refond les joints de grains à bas point de fusion. Le mécanisme est le même dans les deux cas.

L’indice de ferrite (FN) est une grandeur caractéristique normalisée, mesurée magnétiquement selon l’ISO 8249, et non une fraction volumique. Aux faibles teneurs, FN et pour cent de ferrite sont proches ; quand la ferrite augmente, le FN est nettement plus élevé. Qui assimile FN et pour cent surestime la teneur en ferrite.

Autrefois, la ferrite était déterminée par comptage sur coupe micrographique. Comme elle est très fine, irrégulière et inégalement répartie, les résultats variaient fortement. On s’est donc accordé sur une échelle commune : les appareils de mesure sont étalonnés avec des étalons auxquels est attribué un indice de ferrite. Lors d’essais interlaboratoires, différents laboratoires mesurent la même éprouvette à environ ± 1 FN près, dans la plage de 0 à 28 FN.

Pour les aciers duplex, l’échelle va jusqu’à 100 FN. Pour sa plage de 0 à 18 FN, DeLong indique environ 0 à 14 % de ferrite.

Tous trois regroupent les éléments alphagènes en un équivalent chrome et les éléments gammagènes en un équivalent nickel. Pour la teneur en ferrite du métal fondu austénitique et duplex, le diagramme WRC-1992 est le plus précis. Le diagramme de Schaeffler reste indispensable pour les assemblages avec l’acier non allié, car lui seul montre la martensite.

Teneurs en % massique. Précision selon DVS 0946 et ISO 3581, annexe B. Les diagrammes s’appliquent au métal fondu non dilué en soudage à l’arc.

• Schaeffler a été établi à partir d’essais avec des électrodes enrobées de 5 mm. Il montre les domaines de l’austénite, de la ferrite, de la martensite et de leurs mélanges et convient donc pour déterminer la dilution et le métal d’apport adapté aux assemblages hétérogènes avec l’acier non allié. L’azote manque dans la formule.
• DeLong est un extrait agrandi du diagramme de Schaeffler pour les faibles teneurs en ferrite et intègre l’azote, qui abaisse fortement l’indice de ferrite.
• WRC-1992 ne compte plus le manganèse, mais le cuivre, et va jusqu’à 100 FN. Il couvre donc aussi le métal fondu duplex.

Les trois diagrammes peuvent être calculés directement :

• Schaeffler, DeLong, WRC-1992 avec deux métaux de base et métal d’apport, dilution comprise
• Diagramme de Schaeffler sans métal d’apport, par exemple pour le soudage TIG ou laser sans fil
• Diagramme de Schaeffler pour la plage de l’analyse normalisée : où une nuance peut se situer dans ses limites d’analyse

La teneur en ferrite ne dépend pas seulement du fil, mais aussi de la dilution, du gaz de protection, de la longueur d’arc, de la vitesse de refroidissement et du traitement thermique. Si la valeur mesurée s’écarte fortement de la fiche technique, la cause se trouve généralement ici.

• Absorption d’azote : l’azote est un puissant élément gammagène. Un arc trop long ou une protection gazeuse perturbée fait entrer l’azote de l’air dans le bain de fusion et peut abaisser fortement l’indice de ferrite. Pour le duplex, en revanche, on ajoute délibérément de l’azote au gaz de protection.
• Gaz de protection : l’oxygène du gaz oxyde du chrome, le CO₂ apporte du carbone. Tous deux déplacent la structure vers l’austénite, voir Gaz de protection.
• Dilution : le métal de base fondu modifie l’analyse. Pour le duplex, la teneur en ferrite augmente généralement ; pour les assemblages hétérogènes avec l’acier non allié, elle diminue.
• Vitesse de refroidissement : plus le cordon refroidit vite, moins la ferrite se transforme en austénite dans le duplex. En soudage laser, en revanche, Schuster a trouvé moins de ferrite dans le métal fondu austénitique qu’en soudage à l’arc ; les diagrammes ne s’y appliquent plus, et les alliages proches de la limite peuvent changer de mode de solidification.
• Technique multipasse et traitement thermique : chaque passe supplémentaire recuit la passe inférieure et y abaisse la teneur en ferrite. Un traitement thermique après soudage peut ramener l’indice de ferrite mesuré à zéro.

Autant que nécessaire contre la fissuration à chaud, aussi peu que possible pour la ténacité et la résistance à la corrosion. Pour les austénitiques standard, quelques FN ont fait leurs preuves ; pour le métal fondu duplex, 30 à 70 FN.

• Austénitiques standard (308L, 316L) : quelques FN, souvent convenus sous forme de plage comme 3 à 8 ou 5 à 10 FN.
• Entièrement austénitiques (p. ex. 310, nuances comme 1.4439 et 1.4539) : pratiquement sans ferrite. Exiger zéro FN n’est pas réaliste, un maximum de 0,5 FN l’est.
• Duplex : 30 à 70 FN selon DVS 0946. En dessous, la résistance à la corrosion sous contrainte en pâtit, au-dessus la ténacité. Jusqu’à 85 FN dans le métal fondu TIG sont généralement encore considérés comme acceptables. Plus de détails dans Duplex et super-duplex.

Trop de ferrite est nuisible pour trois raisons : elle abaisse la ténacité, surtout à basse température. En service prolongé vers 475 °C, elle se décompose et fragilise (fragilisation à 475 °C) ; à plus haute température ou lors d’un traitement thermique, des phases fragiles comme la phase sigma peuvent se former. Et dans certains milieux, elle est attaquée de façon préférentielle. C’est pourquoi certains codes fixent une limite supérieure de teneur en ferrite, par exemple pour les applications à basse température.

Il ne faut pas convenir de plages de ferrite trop étroites. Selon l’ISO 3581, 5 à 10 FN ou 40 à 70 FN sont réalistes, 5 à 6 FN ou 45 à 55 FN ne le sont pas. La dispersion due au procédé et à la mesure est plus grande.

Avec un appareil de mesure magnétique étalonné selon l’ISO 8249. On mesure sur un endroit lissé au milieu du cordon, pas sur les bords, sur des ondulations rugueuses ou à côté d’un métal de base magnétique.

Au sein d’un cordon, la teneur en ferrite varie naturellement : là où les passes se chevauchent, la passe suivante recuit la précédente et abaisse la ferrite. Les valeurs isolées sont donc moins significatives que la moyenne de plusieurs mesures. Les surfaces courbes et la tôle mince faussent le résultat.

Le mode opératoire et l’évaluation sont décrits dans Contrôle et sécurité au travail.

Avec un métal d’apport à solidification primaire ferritique, un faible apport de chaleur et un travail propre. Pour les aciers entièrement austénitiques, qui ne doivent pas former de ferrite, la conduite de la chaleur et la propreté sont particulièrement importantes.

• Choisir un métal d’apport avec ferrite, donc 308LSi pour 1.4301 et 316LSi pour 1.4404, pas un fil entièrement austénitique.
• Limiter l’apport de chaleur et respecter les températures entre passes. Les petits bains de fusion se solidifient vite et ségrègent moins.
• Passes tirées plutôt que passes balancées : elles sont plus étroites et se rétractent avec des contraintes plus faibles.
• Remplir les cratères et meuler les fissures de cratère aux points de pointage.
• Travailler proprement : le soufre provenant d’huile, de graisse, de marqueurs ou de la sueur des mains passe facilement dans le bain de fusion. Ne pas toucher à mains nues les zones de soudage nettoyées.
• Tenir compte de la dilution : pour les assemblages avec d’autres matériaux, vérifier la ferrite du métal fondu dilué avec le calculateur de Schaeffler.

Les métaux d’apport entièrement austénitiques comme le 310 (ML 25 20) sont nécessaires pour les aciers réfractaires ou lorsqu’aucun magnétisme n’est admis. Tout ce qui précède s’applique alors de manière particulièrement stricte.

Pourquoi mon cordon en inox est-il magnétique alors que le métal de base ne l’est pas ?

Parce que le métal fondu contient volontairement un peu de ferrite delta, qui est magnétique. Ce n’est pas un défaut, mais la protection contre la fissuration à chaud.

8 FN, est-ce la même chose que 8 % de ferrite ?

Approximativement. Aux faibles valeurs, FN et pour cent sont proches ; aux valeurs plus élevées, le FN est au-dessus. Les spécifications devraient toujours indiquer le FN, car lui seul se mesure de façon reproductible.

Quel diagramme utiliser ?

Pour la teneur en ferrite du métal fondu austénitique et duplex, le diagramme WRC-1992 ; pour les assemblages hétérogènes avec l’acier non allié et la question de la martensite, le diagramme de Schaeffler. Le calculateur Schaeffler, DeLong et WRC calcule les trois à la fois.

Les diagrammes s’appliquent-ils aussi au soudage laser ?

Seulement dans une mesure limitée. En raison du refroidissement très rapide, il reste moins de ferrite que ne l’indiquent les diagrammes, et les alliages proches de la limite peuvent se solidifier autrement. Seule une mesure sur l’éprouvette permet de trancher.

La série va du matériau au joint contrôlé, en passant par le procédé, le gaz et la protection de la racine. Pour une vue d’ensemble, voir Le soudage des aciers inoxydables.

1. Ce qui rend l’acier inoxydable
2. Choisir le métal d’apport
3. Les procédés en un coup d’œil
4. Gaz de protection
5. Apport de chaleur et température entre passes
6. Préparation du joint et pointage
7. Protection de la racine et inertage
8. Couleurs de revenu, décapage, passivation
9. Duplex et super-duplex
10. Assembler l’inox et l’acier non allié
11. Défauts et dommages de corrosion
12. Contrôle et sécurité au travail