CNMS’2013 Conférence Nationale sur les Matériaux et Structures 28-29 Octobre 2013
DETERMINATION DE L’ENDURANCE D’UNE SOUDURE HETEROGENE EN ACIERS INOXYDABLE DUPLEX / SUPERMARTENSITIQUE
K. Bettahar 1, 3, M. Bouabdallah1, M. Gaceb2, R. Badji3, B Bacroix4 et C Kahloun4 1 École Nationale Polytechnique, Algérie
2 Laboratoire de Fiabilité des Équipements Pétroliers, Faculté des hydrocarbures et de la
Chimie, UMBB Algérie
3 Centre de soudage et contrôle, Algérie 4 Laboratoire SPM, CNRS, Paris.
Résume
L’objectif de cette étude est d’estimer l’endurance d’un joint de soudure hétérogène en acier inoxydable. Les résultats montrent que dans le domaine de fatigue à grand nombre de cycle (High Cycle Fatigue), la zone critique possède l’endurance la plus faible, avec une valeur de 265 Mpa relatif au métal fondue. Les endurances deux matériaux de base sont sensiblement proches situées a un niveau de 300 Mpa.
Introduction
Les fabricants font souvent recourt à l’adaptation au maximum des caractéristiques des matériaux en fonction des exigences des conditions de service. Dans ce contexte on est contraint d’assembler par soudage des matériaux de différentes natures qui obéissent à des systèmes d’alliages différents, ce qui produit des soudures hétérogènes [1-3]. Ce type de soudage est fréquent dans plusieurs domaine : pétrochimie, centrale d’énergie, industrie automobiles...etc. [1, 8]
Les aciers inoxydables duplex, sont connues par les aciers austéno-ferritique, et sont constitué de deux phase ferrite / l’austénite avec les mêmes proportions volumique en générale [1,5]. Les aciers inoxydables supermartensitique sont connus sous le non (High grades), avec des teneurs en Nickel qui dépasse les 4%
et le molybdène entre 2 et 2.5%. Leur microstructure est constituée majoritairement de la martensite revenue avec des traces d’austénite résiduelle, la zone affectée thermiquement peut contenir de la ferrite et de la martensite non revenu [8].
Les soudures, particulièrement les soudures hétérogènes, représentent des endroits critiques dans toute installation, ils sont les plus susceptibles aux endommagements. Lors de l’opération de soudage les cycles thermiques de chauffage et de refroidissement engendrent des variations structurales et des changements des propriétés mécaniques au niveau de la zone fondue et la zone affectée thermiquement qui constituent la zone critique du joint de soudure [4, 6, 7, 9]. Les statistiques ont montrés que les chargements cycliques sont la cause principale des endommagements des soudures [13],
Dans la littérature les travaux sont limités concernant les soudures hétérogènes du couple Duplex/
supermartensitique et concernant sont comportement
vis-à-vis à des sollicitations dynamiques. Dans cette étude, nous allons soumettre un joint soudé hétérogène à des sollicitations cycliques mécaniques, dans le but d’estimer sont endurance.
Méthodes
La soudure hétérogène est réalisée sur deux tubes joints bout a bout, l’un est un acier inoxydable duplex 2205, l’autre est un acier inoxydable supermartensitique 13Cr.
Le métal d’apport est l’ER2209. Les compositions chimiques des matériaux sont présentées dans le tableau 1.
Tableau 1 - Composition chimique des matériaux
Des essais de dureté Brinell (HB10) et des examens par microscopie électronique à balayage ont été effectués avant de procéder aux essais de fatigue.
Les éprouvettes de fatigue ont été préparées à partir des échantillons prismatiques de section 12x12mm2, prélevés dans le sens longitudinal des tubes soudés, figure 1.
Figure 1 : prélèvement des éprouvettes
La procédure qu’on a adoptée dans cette étude vise à estimer l’endurance de la soudure hétérogène principalement la zone critique. Dans cette optique le prélèvement des éprouvettes a été effectué selon les quartes configurations 1, 1’, 2, 2’ indiquées dans la
Eléments Cr Ni C Mn P S Cu
Duplex 22.46 6.9 0.021 0.48 0.022 0.000
7 0.61
Métal d’apport 25.1 6.7 0.02 0.5
Supermartensitique 13 7 0.015 1 0.02 0.005 0.25
Mo N Si Ti Nb Al W
3.65 0.25 0.49 0.64
3.5 0.3 0.4 2
2.5 0.01 0.05 0.15 0.05 0.0 55
CNMS’2013 Conférence Nationale sur les Matériaux et Structures 28-29 Octobre 2013 figure 2, ces configurations permettent l’exposition de
chaque zone à plusieurs niveaux de contraintes.
Figure 2 : Configurations des éprouvettes Les essais de fatigue ont été effectués en mode de contrainte imposée sur une machine de type GUNT WP140, la sollicitation est une flexion rotative uni- axiale. Le domaine de fatigue visé dans notre étude est le domaine des durées de vie limitées en prenant comme nombre de base 5 x 106
Le rapport d’amplitude est R = -1, avec une vitesse de rotation de 2800 tours/min (f=47 Hz). Afin de pouvoir tracer les courbes d’endurance nous avons calculé la contrainte maximale relatif a chacune des zones pour tous les essais effectués. Les contraintes ont été calculées à partir des mesures des distances des endroits de rupture, ou des contraintes maximales par rapport au point de chargement, et des mesures des diamètres des éprouvettes correspondantes.
cycles, on considère ce nombre de base critère de détermination de l’endurance du joint de soudure [10-11].
Résultats
Caractérisation mécanique
La figure 03 montre une macrographie de la soudure hétérogène, l’histogramme représente les duretés HB10 relatif aux différentes zones.
Figure 3 : Macrographie
Nous constatons bien l’hétérogénéité structurale entre les deux matériaux de base et la zone fondue en figure 4, ce qui se répercute évidement sur les propriétés mécaniques. Le matériau de base duplex est caractérisé par une structure en bande ferrite / austénite avec une proportion de phase d’environs 50% chacune. Le matériau de base supermartensitique est constitué d’une structure fine de martensite en latte et en aiguille avec multiples orientations. La zone fondue est une structure
dendritique brute de solidification, constitué d’îlots d’austénite dans une matrice ferritique.
Figure 4 : a) Métal de base duplex, b) Métal de base Supermartensitique, c) Zone fondue
Résultats des essais de fatigue
Le choix de la flexion rotative a été motivé par le fait qu’elle permet d’avoir différents niveaux de contraintes au niveau de la zone utile, et minimise l’influence de l’accommodation plastique des zones les une sur les autres, par le fait que les phénomènes de durcissement / adoucissement ne sont pas très significatifs pour ce type de sollicitation, et cela a cause de la surface réduite exposé a la contrainte maximale [12]. Dans la courbe de la figure 5, les résultats de toutes les configurations sont représentés en s’intéressant aux valeurs obtenues et à l’état de rupture ou non-ruptures, les contraintes ont été calculé est réparties par zones, C’est la courbe globale d’endurance. Pour les mêmes niveaux de chargement on constate plusieurs comportements de la soudure hétérogène en fonction de la configuration.
Cela est dû à la l’hétérogénéité structurale et des propriétés mécaniques de la soudure, ainsi que les contraintes résiduels non uniformes emmagasinées dans chaque zone. La résistance à la fatigue de la soudure hétérogène est contrôlée par la zone fondue, est située à 265 Mpa.
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Figure 5: résultats des essais de fatigue
Conclusion
En fatigue et a grand nombre de cycle, la zone critique qui est constituée de la zone fondue et les deux zones affectées thermiquement est la plus sensible aux sollicitations dynamiques.une grande dispersion des résultats avec une interférence des états de rupture et non rupture ont été enregistrés.
L’endurance obtenue expérimentalement du joint de soudure hétérogène du coupe Duplex /Super-martensite a été estimé à 265 Mpa.
Références
[1] Lippold, Damian J. Kotecki, “Welding Metallurgy And Weldability of Stainless Steels”, 2005.
[2] Ming-Liang Zhu, Fu-Zhen Xuan, Effects of temperature on tensile and impact behavior of dissimilar welds of rotor steels, Materials and Design, 2010.
[3] By a. Çalik, m. S. Karakaş, and r. Varol, Fatigue Behavior of Electron Beam Welded Dissimilar Metal Joints, Welding Research, 2012.
[4] J. E. Ramirez, Weldability Evaluation of Supermartensitic Stainless Pipe Steels, Welding Research, 2007.
[5] R. Badji, B. Bacroix, M. Bouabdallah, Texture, microstructure and anisotropic properties in annealed 2205 duplex stainless steel welds, Materials characterization, 2011.
[6] By t. Lassen, ph. Darcis, and n. Recho, Fatigue Behavior of Welded Joints Part 1 — Statistical Methods for Fatigue Life Prediction, Welding Research, 2005.
[7] Waluyo Adi Siswanto, Jeevana Jothi Ramakrishna, Fatigue Vibration Monitoring of Dissimilar Joints, Proceedings of Muceet, 2009.
[8] P Woollin and A Kostrivas, Use of Supermartensitic stainless steel pipe for offshore flow line applications, International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2006.
[9] Richard E. Avery, Pay attention to dissimilar-metal welds, guidelines for welding dissimilar metals, chemical engineering progress, 1991.
[10] Euro code 3: Design of Steel Structures - Part 1.1:
General Rules and Rules for Buildings. ENV 1993-1-1, April 1992
[11] Comparison of fatigue provisions in codes and standards Prepared by Bomel Limited for the Health and Safety Executive Offshore Technology Report 2001/083.
[12] M. Knez, S. Glodez, M. Ruzicka, J. Kramberger, A rotating bending approach for determination of low- cycle fatigue parameters, International Journal of Fatigue, 2010.
[13] Régis Blondeau et al, Métallurgie et mécanique Du soudage, 2001.
