COMPORTEMENT EN FATIGUE D’ASSEMBLAGES SOUDES EN ACIER A48AP

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 42

COMPORTEMENT EN FATIGUE D’ASSEMBLAGES SOUDES EN ACIER A48AP

Mohamed Benguediab¹, Benattou Bouchouicha²,Mokhtar Zemri³ et Mohamed Mazari ⁴

1: LMSR, Département de Génie Mécanique , Université de Sidi Bel abbes, benguediab_m@yahoo.fr 2 : LMSR, Département de Génie Mécanique , Université de Sidi Bel abbes,benattou_b@yahoo.fr

3 : LMSR, Département de Génie Mécanique , Université de Sidi Bel abbes,kzemri@yahoo.fr 4 : LMSR, Département de Génie Mécanique , Université de Sidi Bel abbes,mazari_m@yahoo.fr

Résumé :

Pour évaluer la résistance à la fatigue d’une structure, on doit tenir compte des paramètres locaux, de la géométrie de la pièce, du chargement et du matériau. Dans le cas des assemblages soudés, en plus de tous ces paramètres, il faut prendre en considération l’effet des contraintes résiduelles et de l’hétérogénéité des propriétés du matériau dû au soudage.

Ce travail porte sur l'étude du comportement en fatigue d'assemblages soudés en acier A48AP, représentatifs d'éléments de structures de conteneurs à gaz et de circuits de vapeur vive principale (VVP).

Cette étude, expérimentale, a porté sur les joints soudés dans les différentes parties, à savoir dans la Zone Affectée Thermiquement (ZAT), dans le Métal Fondu (MF) et dans le Métal de base (MB).

La durée de vie en fatigue des assemblages soudés correspond souvent à une durée de vie en propagation de fissures amorcées en pied de cordon à partir de défauts résultant de l'opération de soudage. L'influence de la géométrie locale et des contraintes résiduelles est prépondérante. La qualité des assemblages soudés bout-à-bout de l’acier étudié ici a permis de mettre aussi en évidence l'influence de la nature du métal d’apport.

Les résultats obtenus montrent que la propagation des fissures dans les cas du métal de base et de la zone affectée thermiquement est légèrement retardée par rapport à la propagation des fissures dans le métal fondu, ce retard est dû à la présence de contraintes résiduelles induites lors du soudage ainsi que de la différence des propriétés du matériau dans les différentes zones. Cette étude a été complétée par des mesures d’énergie.

Mots clés : ZAT, MB, MF, propagation de fissure, énergie spécifique.

1 Introduction

Le soudage en construction mécanique est de plus en plus répandu et particulièrement dans les domaines sensibles tels que l’aéronautique, les réservoirs sous pression, les conduites, les bateaux et le nucléaire. Ce qui a rendu nécessaire le développement d’études relatives aux phénomènes de fissuration et de ruptures des assemblages soudés pour différents impératifs et notamment de sécurité.

Les joints soudés sont toujours des zones privilégiées d’amorçage et de propagation des fissures, du fait

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 L’effet des contraintes résiduelles dues aux discontinuités géométriques

 L’hétérogénéité des propriétés du matériau dû au soudage

 L’hétérogénéité à l’échelle de la microstructure (dans la ZAT principalement), résultant des cycles thermiques induits par le processus de soudage

 La juxtaposition de 3 zones présentant des comportements mécaniques différents:

 Métal de Base (MB)

 Métal Fondu (MF)

 Zone Affectée thermiquement (ZAT)

Les cycles de température favorisent l’apparition de contraintes résiduelles, qui, dans certaines conditions, peuvent accélérer l’apparition et la propagation de fissures. L’étude de la rupture de tels assemblages est très complexe [1]. Différentes approches sont utilisées pour le dimensionnement des assemblages soudés [2,3].

Cependant la résistance à la fatigue des joints soudés ne dépend pas seulement des propriétés du métal de base et du métal d’apport employé, mais aussi de la présence de défauts géométriques de surface ou de défauts internes (soufflures, manques de pénétration). De nombreux travaux montrent qu’à partir de tels défauts le stade d’amorçage de la fissure de fatigue peut être réduit et qu’en conséquence une grande partie de la vie des assemblages soudés sollicités en fatigue se déroule en propagation.

A même niveau de ∆K, on observe généralement une vitesse de fissuration da/dN, inférieure dans la ZAT à celle du métal fondu et du Métal de Base. Cependant, l’écart entre ces vitesses diminue lorsque ∆K augmente. Un tel phénomène est rencontré dans le cas des aciers austénitiques [4,5] et des aciers ferritiques [6]. Cette réduction de vitesse s’accompagne généralement d’une déviation de la fissure de son plan initial vers le métal de base. Certains auteurs [7, 8] ont tenté d’expliquer cette déviation par la différence de caractéristiques mécaniques entre la ZAT et le MB, la fissure se dirigeant d’une microstructure plus dure, vers une microstructure plus douce.

D’autres paramètres tels que la limite élastique du matériau, la microstructure, le rapport de charge ont une influence plus ou moins accrue sur les vitesses de fissuration [9, 10].

2 Procédure expérimentale

L’étude porte sur l’acier A48AP utilisé pour la fabrication des citernes et conteneurs à gaz et les circuits vapeur vive principale, VVP. Les procédés de soudage utilisés sont, le soudage manuel à l’électrode enrobée (EE) et le soudage automatique à l’arc (FF). Les compositions chimiques et les caractéristiques mécaniques de l’acier A48AP et celles du métal d’apport (Électrode enrobée) sont données respectivement dans les tableaux 1 et 2.

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Tableau 1 - Compositions chimiques de l’acier A48AP et celles du métal d’apport Éléments

(%) C S P Si Mn Ni Cr Mo Cu Sn

A48AP 0.189 0.012 0.01 0.207 0.77 0.135 0.09 0.03 0.27 0.023 Métal

d’apport 0.024 0.012 0.017 0.35 0.73 0.02 0.03 0.004 0.05 0.006 Tableau 2- Caractéristiques mécaniques de l’acier A48AP et celles du métal déposé

Matériau État R

0.2

(MPa)

Rm (MPa) A (%) Z (%) E (MPa)

A48AP Normalisé 313 485 37.6 61.7 183000

Métal Déposé

Brut de

soudage 457 506 31 66.6 197000

Les essais ont étés réalisés sur des éprouvettes CT50 (Compact Tensile) avec une épaisseur de 7 mm suivant les recommandations de la norme ASTM 647-00, figure 1. Les essais ont étés conduits au Laboratoire de Matériaux et Systèmes Réactifs de l’Université de Sidi Bel Abbès, sur une machine universelle servo-hydraulique de 100 kN à une fréquence de 25 Hz, une amplitude de chargement de 7kN et un rapport de charge de 0.1. Les essais ont étés effectués jusqu’à la rupture des éprouvettes.

Figure 1 : Différentes zones étudiées avec entaille mécanique de l’éprouvette CT a

b

c

Sens de laminage

MF

MB ZAT

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3 Résultats et discussions

3.1 Avancée de fissures

Les résultats obtenus pour les différentes éprouvettes possédant une entaille mécanique traversant l’épaisseur de la tôle et située dans les trois zones, à savoir le Métal Fondu (MF), le Métal de Base (MB) et la Zone Affectée Thermiquement (ZAT), sont représentés sur la figure 2.

Figure 2 : Évolution de la longueur de la fissure en fonction du nombre de cycles 3.2 Vitesses de propagation

L’évolution da la vitesse de fissuration en fonction de K est donnée par la figure 3.

Les vitesses sont comprises entre 10^-5 et 10^-3 mm/cycle et les valeurs de K varient de : - 17 à 48 MPa√m dans le Métal Fondu (MF)

- 16 à 46 MPa√m dans le Métal de Base (MB)

- 21 à 52 MPa√m dans la zone Affectée Thermiquement (ZAT)

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3.2.1 Énergie hystérétique Q en fonction de ∆K

À différent niveau de ∆K, la fréquence d’essai est réduite à 0.05 Hz pour mesurer l’ouverture de fissure  en fonction de la charge P (voir figure 4).

Figure 4 : Boucle d’hystérésis pour la mesure de l’énergie

La figure 5 représente l’évolution de l’énergie hystérétique Q dissipée pendant un cycle en fonction de

K pour un rapport de charge R=0,1 et dans les trois zones étudiées (MB – ZAT – MF). Cette énergie est P



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Figure 5. Évolution de l’énergie hystérétique en fonction de K 3.2.2 Énergie spécifique U en fonction de K

La figure 6 représente l’évolution de l’énergie spécifique U, dépensée par cycle, en fonction de K pour un rapport de charge R=0,1, dans les trois zones étudiées (MB – ZAT – MF). Cette énergie est donnée par la relation (1) :

 

da/dN - P bouche la

de

Aire 

U (1)

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Figure .6. Évolution de l’énergie spécifique en fonction de K

Nous constatons que cette énergie spécifique U est constante par rapport à K pour les différentes zones du joint de soudure étudié avec une valeur moyenne de 3x10⁶ J/m2. Ces résultats sont en accord avec les travaux de Kikukawa [11], Ranganathan [12], et Benguediab [13] où Ils considèrent que le travail hystérique est essentiellement dissipé dans la zone plastifiée et que dans le cas où les phénomènes de fermeture sont importants, il est envisageable qu’une partie de l’énergie U est dissipée dans la zone située dans le sillage plastifié le long du front de fissure. Ils ont constaté aussi qu’au delà d’une valeur de K appelée Kcr, la valeur de U est constante est indépendante du rapport R et de l’environnement.

4 Conclusion

Dans cette étude nous avons montré que la résistance à la fatigue des joints soudés ne dépend pas seulement des propriétés du métal de base et du métal d’apport employé, mais aussi de la présence de défauts géométriques de surface ou de défauts internes (soufflures, manques de pénétration). Nous avons constaté qu’à partir de ces propriétés le stade d’amorçage de la fissure de fatigue peut être réduit et qu’en conséquence une grande partie de la vie des assemblages soudés sollicités en fatigue se déroule en propagation.

On observe généralement une vitesse de fissuration da/dN inférieure dans la ZAT par rapport au métal fondu et au métal de base. Nous constatons aussi que l’écart entre ces vitesses diminue lorsque ∆K augmente. Ce même phénomène est rencontré dans le cas des aciers austénitiques et des aciers ferritiques.

Aucune déviation de la fissure de son axe de propagation n’est remarquée.

L’énergie hystérétique Q dissipée pendant un cycle en fonction de .K pour un rapport de charge R=0,1 et dans les trois zones étudiées (MB – ZAT –MF) augmente quand ∆K augmente pour les trois zones étudiées et l’évolution de l’énergie spécifique dépensée par cycle U en fonction de ∆K pour le même rapport de charge est constante et a une valeur moyenne de 3x10⁶ J/m².

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5 Références

[1] D. Radaj, C.M. Sonsino, Fatigue Assessment of Welded Joints by Local Approaches, Abington Publishing, 1998.

[2] H. P. Lieurade, I. Huther, Mec. Ind. (2000) 1, 465–475 [3] Wolfgang Fricke, Marine Structures, 16 (2003) 185–200

[4] D. Argence, Endommagement couplés de fatigue et fluage sous chargement multiaxial appliqué à un acier inoxydable austénitique, Thèse en Sciences & Génie des Matériaux, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 1996

[5] J. Aktaa, M.G. Horsten, R. Schmit, Effect of hold-time and irradiation on the fatigue life of type 316 L(N) and their consideration in a damage model, SMIRT 14, Lyon, France, 17-22/8/97, paper n° L05/5, 1997, 157-164

[6] R .C.Gikfin, Grain-boundary participation in high-temperature deformation an historical review, Materials Characterizations, 1994, Vol . 32, 59-77

[7] V. Dubois, Fatigue de détails soudés traités sous sollicitations d’amplitude variable, thèse N° 1260, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1994.

[8] J.J. Janosch, J.B. Roelens, H. Koneczny, Definition of a materials data base for heavy structures, created by numerical simulation of welding and by experimental characterization of toughness – Impact strength, Document IIW X, 1994, 1293-94

[9] T.R. Gurney, Fatigue of Welded Structures, Second edition, Cambridge University Press, Cambridge, 1979.

[10] H.P. Lieurade, Application de la mécanique de la rupture à la fatigue des structures soudées, Technique générale de la construction, N°478, novembre 1989, 18-39.

[11] M. Kikukawa and Col., J. of Mat. Sc., 26, 1977, pp.1964

[12] N. Ranganathan, Contribution au développement d’une approche énergétique à la propagation d’une fissure de fatigue ; Thèse de docteur ès sciences, (1985).

[13] M. Benguediab, Étude de la propagation de fissure de fatigue sous spectre de chargements réduits.

Thèse de doctorat, Université de Poitiers, 1989.