Essais de rupture sur éprouvettes CT12

Le [Tableau III-5] présente les conditions et résultats des essais effectués sur éprouvettes CT12. Toutes les éprouvettes ont rompu par rupture fragile (clivage). Mais trois d’entre elles (deux CT12-p rompues à -20°C et une CT12-n rompue à +20°C) ont rompu par rupture fragile après une petite déchirure ductile (< 2 mm). Les autres ont cassé par rupture fragile pure.

Tableau III-5 : Essais de rupture sur éprouvettes CT12 prélevées dans le métal déposé à différentes températures. Principales caractéristiques à rupture et éprouvettes dont les

faciès ont été observés au MEB.

Parmi les 4 éprouvettes CT12 (2 CT12-p et 2 CT12-n) rompues à -20°C, nous constatons que les 2 CT12-n ont cassé par clivage pur, tandis que les 2 CT12-p ont rompu par clivage après une petite déchirure ductile [Figure III-36]. De plus, la force et l’ouverture de fissure à rupture des 2 CT12-p sont nettement plus élevées que celles des 2 CT12-n. On constate donc l’effet de la longueur d’entaille sur la rupture des éprouvettes CT12.

Quelle que soit la température, toutes les éprouvettes ont rompu par clivage, même les 3 éprouvettes testées à température ambiante, tandis que nous n’avions que de la déchirure ductile sur les faciès des éprouvettes CT12 prélevées dans le MB à et au-delà de -10°C [LEC 06]. Ce résultat confirme la fragilité du MD comparé au MB, même à température ambiante. La courbe de transition fragile/ductile du MD est donc vraisemblablement décalée vers les températures plus hautes, par rapport à celle du MB.

Essai Repère ^Température d'essai (°C) Entaille mécanique usinée (au/W) Préfissure ao/W Déchirure ductile (mm) ^Clivage Ouverture à rupture (mm) Force à rupture (kN) Observé au MEB 07-021 CT12-p 69710DA -30 0.375 0.46 - x 0.187 13.2 07-029 CT12-n 6972EY -30 0.5 0.56 - x 0.668 11.8 07-031 CT12-n 6972FA -30 0.5 0.58 - x 0.372 10.3 07-020 CT12-p 69710CZ -20 0.375 0.44 1.65 x 4.404 22.3 x 07-025 CT12-p 69710DE -20 0.375 0.46 0.27 x 1.441 19.7 07-037 CT12-n 6987A -20 0.5 0.57 - x 0.264 9.7 x 08-011 CT12-n 6987C -20 0.5 0.55 - x 0.22 9.1 x 07-038 CT12-n 6987B -10 0.5 0.57 - x 0.248 9.6 x 07-042 CT12-n 6987F 20 0.5 0.57 - x 0.384 11.2 x 08-012 CT12-n 6987D 20 0.5 0.55 1.78 x 4.459 11.7 x 08-013 CT12-n 6987E 20 0.5 0.58 - x 0.906 11.1 08-088 CT12-n 6972FB -150 0.5 0.56 - x 0.093 4.8 x 08-087 CT12-n 6972FC -150 0.5 0.58 - x 0.107 4.8 x

Figure III-36 : Faciès de rupture de 2 éprouvettes CT12 rompues à -20°C : (a) CT12-n 6987C rompue par clivage pur; (b) CT12-p 69710CZ rompue par clivage après déchirure

ductile.

III.4.3. Observation des faciès de rupture

III.4.3.1. Repérage des différentes zones métallurgiques

Les éprouvettes CT12 sont prélevées de telle sorte que le plan moyen de l’entaille mécanique se situe dans le plan de symétrie du métal déposé. Le chemin de propagation traverse donc plusieurs passes de soudage. Comme sur les faciès des éprouvettes AE2, sur les faciès de rupture des CT12, nous observons des bandes brillantes à côté de zones mates [Figure III-36], qui correspondent aux ZFBS et aux ZFR respectivement.

Des éprouvettes CT12 ont été coupées perpendiculairement au plan d’entaille, juste à l’avant de la fissure [Figure III-37]. Ceci avait pour but de repérer précisément les passes de soudage par rapport au faciès de rupture, sans endommager celui-ci. La facette C [Figure III-37] était ensuite polie et attaquée au Nital pour relever la microstructure. Les bandes brillantes correspondent bien à des ZFBS (zones à gros grains) et les zones mates correspondent bien à des ZFR (zones à fins grains).

Préfissuration par fatigue

Déchirure ductile Bandes brillantes correspondant

à la ZFBS du MD

Figure III-37 : Position de la coupe à l’avant de la fissure et repérage des zones fondues brutes de solidification (éprouvette CT12-n 6972FA rompue à -30°C).

III.4.3.2. Front de la préfissure par fatigue

Les fronts de préfissure par fatigue ne sont jamais rectilignes dans les éprouvettes C12 prélevées dans le MD [Figure III-36], tandis que ces fronts étaient rectilignes pour les éprouvettes CT12 prélevées dans le métal de base. Dans les CT12 prélevées dans le MD, l’entaille initiale traverse plusieurs ZFBS et ZFR. Certes, l’hétérogénéité des microstructures dans le joint soudé (tailles de grain, duretés…) influence la propagation de la fatigue. Néanmoins la forme des fronts de préfissure est très variée et ne permet pas de conclure quant à une corrélation avec les différentes microstructures.

III.4.3.3. Localisation des sites d’amorçage du clivage

Les éprouvettes CT12 rompues par clivage, ont été observées au MEB avec deux objectifs :

localiser les sites d’amorçage du clivage et relever leur position,
identifier les mécanismes d’amorçage du clivage.

Les observations portent au total sur 8 éprouvettes CT12 [Tableau III-5]. Elles ont été réalisées au Laboratoire de Mécanique de Lille, à l’Ecole Centrale de Lille, sur un microscope HITACHI S3600 en électrons secondaires, sous une tension d’accélération de 15 kV. Comme pour les éprouvettes AE2, le site principal d’amorçage du clivage sur le faciès de chaque éprouvette est localisé en suivant la méthode de remontée des rivières de clivage [Figure III-38]. Sa localisation est repérée selon le schéma de la [Figure III-39].

Facette C

Facette C polie ZFBS correspondant

à la bande brillante

Figure III-38 : Observation au MEB du faciès de rupture de l’éprouvette CT12-n 6987D rompue à +20°C : image de la zone où les rivières convergent vers le site principal.

Figure III-39 : Schéma de repérage du site d’amorçage du clivage sur une éprouvette CT12.

Le [Tableau III-6] présente les résultats des observations au MEB des faciès de rupture des éprouvettes CT12 observées. Chacun présente un site principal d’amorçage du clivage. Les sites principaux d’amorçage du clivage des 6 éprouvettes CT12 rompues à une température en haut de la transition fragile/ductile (-30°C à +20°C) se trouvent au niveau d’une inclusion [Figure III-40]. En revanche aucune particule n’est observée à côté des sites principaux d’amorçage des 2 CT12-n testées à -150°C. Nous observons des cupules à proximité des sites d’amorçage des éprouvettes CT12 rompues à l’ambiante et des éprouvettes CT12 ayant présenté une propagation par déchirure ductile avant clivage [Figure III-40(a)], [Figure III-41]. Il est ainsi clair que les particules jouent un rôle concentrateur des contraintes

d3 d2

d1

Entaille mécanique usinée Pré-fissure de fatigue Zone de Déchirure ductile

Zone de rupture fragile Point d’amorçage du clivage Entailles latérales

à haute température (limite d’élasticité faible). En revanche, à basse température (limite d’élasticité élevée), la contrainte critique de clivage peut être atteinte sous faible déformation, indépendamment de toute concentration causée par une particule.

Tableau III-6 : Observations au MEB des faciès de rupture des 8 éprouvettes CT12 rompues à diverses températures.

Figure III-40 : Observations au MEB des faciès de rupture des éprouvettes (a) CT12-n 6987F rompue à +20°C et (b) CT12-n 6987C rompue à -20°C. Sites principaux d’amorçage

sur une particule.

Essai ^Repère d'éprouvette Température d'essai (°C) Nombre de site principal du clivage Longueur de déchirure ductile d1 (µm) Distance à la fissure propagée d2 (µm) Distance du site à la préfissure d3=d1+d2 (µm) Taille de particule au site de clivage (µm) Cupules à proximité du site de clivage 07-031 CT12-n 6972FA -30 1 - 115 115 3,5 07-020 CT12-p 69710CZ -20 1 1650 310 1960 1 oui 08-011 CT12-n 6987C -20 1 - 35 35 2 07-038 CT12-n 6987B -10 1 - 35 35 1,4 07-042 CT12-n 6987F 20 1 - 100 100 3,5 oui 08-012 CT12-n 6987D 20 1 1780 450 2230 1,5 oui 08-088 CT12-n 6972FB -150 1 - 6 6 0 08-087 CT12-n 6972FC -150 1 - 10 10 0 a ^cupules b

Figure III-41 : Observation au MEB du faciès de rupture de l’éprouvette CT12-p 69710CZ rompue à -20°C. Cupules à proximité du site principal.

Quand le clivage s’amorce sur une particule, la rupture se produit par décohésion de la particule à un joint de grains triple, voire multiple [Figure III-42]. La rupture ou la décohésion de cette particule serait l’événement initiateur du clivage, donc à l’origine de la rupture brutale de l’éprouvette. Ces particules sphériques ont un diamètre de 0,5 µ m à 3,6 µ m [Tableau III-6]. De nombreuses particules sphériques sont également visibles sur les faciès de rupture. La nature des inclusions a été étudiée par analyse EDS. Les analyses montrent qu’il s’agit d’oxydes, comme sur les éprouvettes AE2 (§III.3.3.3).

Figure III-42 : Observation au MEB du faciès de rupture de l’éprouvette CT12-n 6987C rompue à -20°C. Site principal d’amorçage et décohésion de particule à un joint de grains

multiple. cupules

Site principal

Figure III-43 : Position du site principal d’amorçage du clivage dans la zone fondue brute de solidification de l’éprouvette CT12-n 6972FA rompue à -30°C.

Les relevés de position des sites principaux d’amorçage ont été effectués sur les faciès observés [Tableau III-6]. Les 8 sites principaux d’amorçage du clivage sur éprouvettes CT12 sont observés dans des bandes brillantes, donc dans une ZFBS, voir par exemple [Figure III-43]. Ce résultat confirme que ces zones sont les plus favorables au clivage.