La couche d’oxyde ne provoque pas le grippage. Elle le retarde.

Ce qu’est le grippage, avant le pourquoi

L’ASTM G40 définit le grippage (galling) comme un endommagement de surface entre solides en glissement, caractérisé par une rugosification macroscopique, généralement localisée, et la formation de saillies au-dessus de la surface d’origine. Le trait déterminant est l’écoulement plastique, parfois accompagné d’un transfert de matière.

Trois conséquences découlent de cette définition, et toutes trois sont confondues en pratique :

• Ce n’est pas une rayure. La matière s’est déplacée et s’est amoncelée, au lieu d’être simplement repoussée sur le côté.
• Ce n’est pas le blocage. Le blocage est le résultat fonctionnel — le mouvement relatif s’arrête. Un grippage sévère peut le provoquer. Un grippage qui ne l’a pas encore provoqué reste un grippage.
• « Soudage à froid » n’est pas un synonyme. Le soudage à froid est un assemblage à l’état solide. C’est un événement déclencheur fréquent, mais le grippage est la forme d’endommagement qui se développe ensuite. La définition de l’ASTM n’exige même pas de transfert de matière démontrable.

L’explication que nous allions écrire, et pourquoi elle est fausse

L’histoire racontée partout — et celle que nous avions rédigée — est la suivante : la couche d’oxyde passive qui rend l’inox résistant à la corrosion est arrachée au niveau des aspérités, l’inox fraîchement mis à nu est chimiquement très actif, et il se soude à froid à ce qu’il touche. La propriété que vous avez achetée est celle qui vous fait défaut.

C’est une histoire séduisante. L’oxyde agit dans l’autre sens.

Des travaux sur le 316L ont montré qu’une couche d’oxyde préformée plus épaisse réduisait nettement les dommages de grippage. L’oxyde diminue l’adhérence ; il doit être usé ou mélangé mécaniquement à la surface avant que le grippage progresse. La couche est une barrière entre vous et la défaillance, pas son mécanisme.

La seconde moitié de l’histoire est fausse elle aussi. L’acier au carbone grippe. Les essais d’usure du NIST ont produit un grippage sévère sur du 1018 et du 1541 ordinaires. Quelle que soit la différence entre l’inox et l’acier au carbone dans la pratique, ce n’est pas « l’acier au carbone ne fait pas ça ».

Ce qui se passe réellement

La séquence, formulée comme la recherche l’étaye :

1. La charge et le glissement produisent une contrainte de contact élevée et une déformation plastique au niveau des aspérités — les points hauts qui assurent réellement le contact.
2. Cette déformation détruit toute couche de séparation présente — oxyde, contamination, lubrifiant.
3. Le métal nu rencontre le métal nu et forme des jonctions adhésives fortes.
4. La poursuite du glissement cisaille ces jonctions dans le substrat plutôt qu’à l’interface : la matière se transfère, des bourrelets s’accumulent et l’écoulement plastique se répète.
5. Le résultat est la rugosification macroscopique avec saillies que décrit l’ASTM — et, dans un filetage, un ajustement qui avait du jeu un instant plus tôt devient un serrage.

Notez que c’est à l’étape 4 que la propriété du matériau compte le plus. Une surface molle et ductile laisse la jonction se cisailler en profondeur et l’écoulement plastique se poursuivre. L’inox austénitique à l’état recuit — 304, 316, c’est-à-dire A2 et A4 — est mou et très ductile. C’est la vraie réponse, et c’est une propriété mécanique, pas chimique.

Quelles nuances, et la question de l’appariement

Les 304 et 316 recuits grippent plus facilement que les nuances martensitiques trempées, et pour la raison ci-dessus : ils sont plus mous et plus ductiles, de sorte qu’un écoulement plastique à grande échelle leur est possible. Une nuance martensitique trempée peut atteindre une dureté à laquelle cet écoulement est beaucoup plus difficile à amorcer.

Un appariement identique est un facteur de risque important, pas une règle. Des matériaux appariés avec eux-mêmes sont métallurgiquement totalement compatibles, si bien que des jonctions adhésives fortes se forment facilement, et les travaux du NIST sur les métaux purs ont généralement trouvé les couples identiques plus endommagés que les couples différents. Mais des nuances austénitiques différentes grippent quand même, et il existe des alliages austénitiques développés spécifiquement pour s’apparier avec eux-mêmes avec une grande résistance. Traitez donc des matériaux identiques comme un avertissement, pas comme un verdict.

Ce que les normes d’essai disent et ne disent pas

Si l’on vous cite une valeur de grippage, il vaut la peine de savoir ce qu’elle représente.

• L’ASTM G98 donne une contrainte seuil de grippage issue d’un essai bouton sur bloc non lubrifié, à basse vitesse et intermittent. L’ASTM indique clairement qu’elle sert au classement préliminaire de couples de matériaux et qu’elle ne doit pas être utilisée directement pour un dimensionnement quantitatif, et que le glissement lubrifié n’est pas couvert par cette méthode.
• L’ASTM G196 utilise une mesure quantifiée de l’endommagement et est plus répétable ; l’ASTM présente G98 comme le tri préliminaire.

Les deux simulent un contact lent, intermittent et non lubrifié, ce qui inclut l’engagement d’un filetage. Aucune ne fournit une contrainte admissible pour votre vis.

Ce que cela ne change pas

Rien ici ne dit que l’inox est un mauvais choix. Cela dit que la raison de son blocage est mécanique plutôt que chimique, que son oxyde aide plutôt qu’il ne nuit, et qu’une vis en acier au carbone n’est pas à l’abri de la même défaillance.

Le véritable compromis dans le choix de l’inox est d’une autre nature, et il est exposé dans zingué ou inox : à dimension égale, la vis inox est la plus faible, et cette moitié de la facture atteint rarement la note de modification. Ce que signifient les lettres de nuance est expliqué dans A2 contre A4. La place du choix du matériau dans l’ordre des décisions se trouve dans spécifier une vis (en anglais).

Cet article traite de l’étape 5 : finition. L’ordre complet est support, filetage, tête, empreinte, finition et documentation. L’article anglais Specifying a screw explique pourquoi le modifier entraîne une reprise.

Questions fréquentes

La couche passive provoque-t-elle le grippage de l’inox ?

Non, et l’explication habituelle prend cela à l’envers. Des travaux sur le 316L ont montré qu’une couche d’oxyde préformée plus épaisse réduisait nettement les dommages de grippage : l’oxyde diminue l’adhérence et doit être usé ou mélangé mécaniquement à la surface avant que le grippage progresse. La couche se trouve entre vous et la défaillance au lieu de la provoquer.

L’acier au carbone grippe-t-il ?

Oui. Les essais d’usure du NIST ont produit un grippage sévère sur les aciers au carbone ordinaires 1018 et 1541. Quelle que soit la particularité de l’inox dans la pratique, ce n’est pas une immunité de l’acier au carbone.

Alors pourquoi l’inox recuit grippe-t-il si facilement ?

Parce qu’il est mou et très ductile. Le grippage se développe lorsque des jonctions adhésives entre métaux nus se cisaillent dans le substrat plutôt qu’à l’interface, et une surface molle et ductile laisse ce cisaillement aller en profondeur et l’écoulement plastique se poursuivre. Les nuances martensitiques trempées résistent mieux pour la même raison, en sens inverse. Les recommandations de la British Stainless Steel Association désignent une ductilité élevée et un faible taux d’écrouissage comme les conditions favorables au grippage.

Le grippage est-il la même chose que le soudage à froid ou le blocage ?

Non. Le soudage à froid est un assemblage à l’état solide et un événement déclencheur fréquent. Le blocage est le résultat fonctionnel, lorsque le mouvement relatif s’arrête. Le grippage est la forme d’endommagement entre les deux : l’ASTM G40 le définit comme une rugosification macroscopique localisée avec des saillies au-dessus de la surface d’origine, caractérisée par un écoulement plastique. Un grippage sévère peut provoquer le blocage ; un grippage qui ne l’a pas encore fait reste un grippage.

Puis-je dimensionner à partir d’une valeur de grippage ?

Pas directement. L’ASTM G98 donne une contrainte seuil de grippage issue d’un essai non lubrifié à basse vitesse, et l’ASTM précise qu’elle sert au classement préliminaire de couples de matériaux et non au dimensionnement quantitatif. L’ASTM G196 quantifie l’endommagement et est plus répétable. Les deux simulent un contact lent, intermittent et non lubrifié, ce qui inclut les filetages, mais aucune ne fournit une contrainte admissible pour une vis donnée.

Références

• ASTM G40 — Standard Terminology Relating to Wear and Erosion (définition du grippage ; usure adhésive)
• ASTM G98 — Standard Test Method for Galling Resistance of Materials (contrainte seuil de grippage ; domaine d’application et limites)
• ASTM G196 — Standard Test Method for Galling Resistance of Material Couples
• Rogers et al. — The interaction of galling and oxidation in 316L stainless steel
• NISTIR 89-4064 — essais d’usure incluant des aciers au carbone ordinaires
• British Stainless Steel Association — grippage et résistance au grippage des aciers inoxydables ; facteurs influant sur l’usure et le grippage
• « What causes a fastener to lock? », Engineering Stack Exchange

Cette page explique un mécanisme et corrige une description répandue de celui-ci. L’acceptation d’un assemblage particulier relève de votre plan, des normes qu’il invoque et, si nécessaire, d’un essai réel.