DETERMINATION DE L’ENDURANCE DE LA ZONE CRITIQUE D’UNE SOUDURE HETEROGENE EN ACIERS INOXYDABLE DUPLEX / SUPER-MARTENSITIQUE

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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,

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DETERMINATION DE L’ENDURANCE DE LA ZONE CRITIQUE D’UNE SOUDURE HETEROGENE EN ACIERS INOXYDABLE

DUPLEX / SUPER-MARTENSITIQUE

K. Bettahar ^{1, 3,}M. Bouabdallah¹, M. Gaceb², R. Badji³, C Kahloun⁴, B Bacroix⁴ 1 - Laboratoire de Génie Sismique et Dynamique des Structures, ENP, Algérie.

2 - Laboratoire de Fiabilité des Equipements Pétroliers et Matériaux, UMBB, Algérie.

3 - Centre de Recherche en Soudage et Contrôle, Algérie.

4- Laboratoire des Sciences des Procédées et des Matériaux, CNRS, Université Paris13, France

Résumé.

L’objectif de cette étude est d’estimer l’endurance d’un joint de soudure hétérogène. Les résultats montrent que dans le domaine de fatigue à grand nombre de cycle (HCF), la zone critique possède l’endurance la plus faible, avec une valeur de 265 Mpa. Une interférence considérable est enregistrée entre les états de rupture et non rupture.

Mots clés : Soudure hétérogène, fatigue, endurance, flexion rotative, acier inoxydable, super-martensitique, duplex.

1 Introduction

Les fabricants font souvent recourt à l’adaptation au maximum des caractéristiques des matériaux en fonction des exigences des conditions de service des équipements. 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].

On retrouve la nécessitée d’assembler par soudage différentes nuances d’aciers inoxydables 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 la ferrite et l’austénite avec les mêmes proportions volumique en générale [1,5].

Les aciers inoxydables super-martensitique 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

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 121 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/super-martensitique 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.

2 Procédures expérimentales

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 super-martensitique 13Cr. Le matériau d’apport ER2209.

Les compositions chimiques des matériaux sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1 - Composition chimique des matériaux utilisés

Des essais de microdureté Vickers et des examens par microscopie électronique à balayage ont été effectués avant de procéder aux essais de fatigue.

Les éprouvettes ont été préparées à partir des échantillons prismatiques de section 12x12mm2, prélevés dans le sens longitudinal des tubes soudés, fig.1

Figure 1 : a) Géométrie du chanfrein, b) prélèvement des éprouvettes

Notion de zone critique: « On nomme zone critique la partie de la soudure délimitée par les deux zones affectées thermiquement des deux cotés de la zone fondue ».

La procédure qu’on a adoptée dans cette étude vise à estimer l’endurance de la soudure hétérogène principalement la zone critique, fig. 2.a).

Dans cette optique le prélèvement des éprouvettes a été effectué selon les quartes configurations 1, 1’, 2, 2’ indiquées dans la figure 2.c), ces configurations permettent l’exposition de chaque zone à plusieurs niveaux de contraintes, figure 2.b).

Eléments

^Cr ^Ni ^C ^Mn ^P ^S ^Cu ^Mo ^N ^Si ^Ti ^Nb ^Al ^W

Duplex 25.46 6.9 0.021 0.48 0.022 0.0007 0.61 3.65 0.25 0.49 0.64

Métal

d’apport 25.1 6.7 0.02 0.5 3.5 0.3 0.4 2

Super-

martensitique 13 7 0.015 1 0.02 0.005 0.25 2.5 0.01 0.05 0.1 5

0.0

5 0.055

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 122 Figure 2 : a) Les trois zones, b) Localisation des contraintes au niveau des zones, c) Configuration

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 cycles, on considère ce nombre de base critère de détermination de l’endurance du joint de soudure [10-11].

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.

3 Résultat et discussion

3.1 Caractérisation mécanique

Les duretés moyennes des matériaux de base et des zones affectées thermiquement des deux aciers Duplex et Super-martensitique sont respectivement 250 Hv, 270 Hv, 288Hv, 295Hv. La zone critique qui est délimitée par les zones thermiquement affectées des deux cotés, renferme une plage de dureté comprise entre 290Hv et 320 Hv. Le maximum des valeurs de dureté correspond au centre de la zone fondue (centre de la zone critique) avec une valeur de 315 Hv.

3.2 Caractérisation structurale

b)

1- Contrainte relatif au métal de base 1 2- Contrainte au niveau de la zone critique 3- Contrainte relatif au métal de base 2 a)

ZAT1 ZF ZAT2 Zone critique

ZAT

c)

D : coté duplex, ZF : zone fondue, M : coté super-martensitique 40mm 105mm Ø12 mm Ø8mm

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 123 Figure 3 : a) Microstructure de métal de base duplex, c) Microstructure du métal de base Super-

martensitique, b) Microstructure de la zone fondue

Nous constatons bien l’hétérogénéité structurale entre les deux matériaux de base et la zone fondue en figure 3. 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 super-martensitique 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.

3.3 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 4, les résultats de toutes les configurations sont représentés en s’intéressant aux valeurs obtenues et à l’état de rupture ou non-ruptures, c’est la courbe globale d’endurance.

Visiblement, sur cette courbe globale en remarque une grande interférence entre les états de ruptures et non rupture pour les durées de vie inférieurs à 2x10⁶ cycles.

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

a) b) c)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 124 mécaniques de la soudure, ainsi que les contraintes résiduels non uniformes emmagasinées dans chaque zone.

Nombre de cycle

Figure 4 : Représentation globale des résultats.

On remarque également une dispersion importante des résultats, qui est l’une des caractéristiques de ce type d’essai.

Dans notre cas la dispersion des résultats elle est plus accentuée à cause de l’hétérogénéité de la soudure.

Les valeurs des endurances des deux matériaux de base et de la zone critique déduites expérimentalement, permettent de situer l’endurance de l’assemblage selon les conditions et les configurations adopté.

En visant le minimum des endurances, nous déduisons qu’au-delà de la valeur 265 Mpa le joint de soudure peut rompre.

On procède par la suite au regroupement des données de la zone critique, ce qui nous permet de distinguer sont comportement individuelle tel que présenté dans la figure 5.

La valeur minimale (265 Mpa) d’endurance est donc attribuée à la zone critique,

Contrainte (Mpa)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 125 Coté super-martensitique

L’endurance est située a : σd = 320 Mpa

Coté Duplex : σd = 295 Mpa

Zone critique : σd = 260 Mpa

Nombre de cycle

Figure 5: Courbes d’endurance tracées pour la zone critique

Pour la zone critique le domaine de transition en termes de contrainte entre la rupture ou la non- rupture est très restreint, dès que la contrainte surpasse la valeur de l’endurance, les durées de vie chutent brusquement atteignant 5 x 10⁵ cycles. On peut attribuer cette sensibilité à la nature brute de solidification de cette zone, aux contraintes résiduelles accumulées lors du soudage et de la préparation des éprouvettes, on motionne également la dureté élevées de la zone fondue par rapport aux matériaux de bases et sa plasticité réduite.

4 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. Cette sensibilité est plus apparente pour les durées de vie moins de 2x10⁶ cycles.

On mentionne également qu’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.

Contrainte (Mpa)

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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 weldsof 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 caracterisation, 2011.

[6] By t. Lassen, ph. Darcis, and n. Recho, "Fatigue Behavior of Welded Joints Part 1 — Statistical Methods forFatigue 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 flowline 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] Eurocode 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, "Metallurgie et mécanique du soudage", 2001.