3ème 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 41
ETUDE METALLURGIQUE ET DETERMINATION DES CONTRAINTES RESIDUELLES DANS LES CORDONS DE SOUDURE EN ACIER
INOXYDABLE
M. LARIBI, Z. SELLIDJ
Laboratoire LSGM. Dpt. de Métallurgie. Ecole Nationale Polytechnique d’Alger.
10 Avenue Hassen Badi, BP 182, El harrach, Alger. Algérie.
E.Mail : merzak.laribi@yahoo.com et merzak.laribi@enp.edu.dz
Résumé
L’utilisation des aciers inoxydables austénitiques comme matériaux de structures sur les installations industrielles requiert entre autres leur assemblage par soudage. Celui-ci conduit à des modifications microstructurales qui peuvent avoir une influence importante sur les propriétés mécaniques du matériau ainsi réalisé.
Les gradients thermiques se manifestant lors du soudage engendrent inévitablement des dilatations locales qui ont pour conséquence l'apparition de champs de déformations et de contraintes non uniformes dans les matériaux soudés. Il importe donc souvent de connaître leurs ordres de grandeur et leurs répartitions.
L’objectif de la présente étude consiste d’une part à déterminer le gradient des contraintes résiduelles qui règnent au niveau des cordons de soudure à l’arc réalisés sur un acier inoxydable austénitique.
L’influence d’un traitement thermique de détensionnement sur la relaxation de ces contraintes est également mise en évidence.
Mots clé: Soudage, Acier inoxydable, Contraintes résiduelles, Enlèvement de couches, Traitement thermique.
1. Introduction
Les aciers inoxydables austénitiques possèdent d’une part une bonne résistance à la corrosion ainsi que de bonnes propriétés mécaniques, et d’autre part ils sont soudables par tous les procédés conventionnels [1][2]. Ils constituent par conséquent des matériaux de structure particulièrement intéressants et sont largement employés dans diverses industries.
L’assemblage par soudage des aciers conduit à des modifications microstructurales qui peuvent avoir une influence très importante sur les propriétés mécaniques en particulier sur les contraintes résiduelles [2][3].
Il importe donc de connaître leur ordre de grandeur et leur répartition afin de prévoir au mieux leurs influences éventuelles, de choisir les traitements destinés à les atténuer, voire de les utiliser judicieusement.
L’objectif de la présente étude consiste à déterminer par la méthode extensiométrique avec enlèvement des couches successif les contraintes résiduelles qui règnent au niveau des aciers inoxydables
3ème 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 51 soudés à l’arc électrique. L’influence d’un traitement sur la relaxation de ces contraintes sera mise en évidence.
La première partie de ce travail concerne une analyse métallographique et une détermination du profil de dureté au sein des matériaux soudés particulièrement aux interfaces des cordons de soudure et du métal de base.
2. Techniques expérimentales 2.1. Matériaux d’étude : 2.1.1. Métal de base :
Le matériau de base sur lequel a été réalisé le soudage est un acier inoxydable austénitique type 316TI selon la norme AISI et Z6CNDT17-12 selon la norme AFNOR.
Une analyse par spectrométrie de fluorescence des rayons X a révélé la composition chimique illustrée dans le tableau 01 :
Tableau 01 : Composition chimique du 316TI.
2.1.2. Matériau d’apport :
Afin de maintenir la continuité métallique et d’éviter que le métal fondu ne puisse constituer l’anode d’un couple galvanique avec le matériau du substrat, le choix du métal d’apport s’est porté également sur un acier inoxydable austénitique de nuance 308L très utilisé dans le soudage des aciers inoxydables. Sa composition chimique est résumée dans le tableau 02.
Tableau 02 : Composition chimique du métal d’apport (308L).
2.2. Réalisation du soudage
Le dépôt des cordons de soudure a été réalisé moyennant le soudage à l’arc électrique qui consiste à faire fondre une baguette métallique en acier 308L sur le métal de base.
Pour le but de cette étude, ce soudage consiste à faire déposer des cordons de soudure l’un à coté de l’autre sur la surface plane du métal de base.
En raison des objectifs de l’étude et de la méthode de détermination des contraintes résiduelles utilisée, la forme des échantillons utilisés est parallèlipipédique avec les dimensions ( 40 x 40 x 5) mm3 sans réalisation préalable de chanfrein. (Fig. 1)
Elt C Cr Ni Mo Mn Ti
% 0,07 17,1 10,2 2.32 1.2 0.74
Elt C Cr Ni Mn Si P
% 0.03 18.28 11.0 2.0 1.0 0.04 5
3ème 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 52 Figure 1 : Vue d’un échantillon présentant 4 cordons de soudure
Aussi, l’influence d’un post traitement thermique de relaxation à 870°C pendant ¾ d’heure suivi d’un refroidissement à l’air ambiant [3][4] sur l’état métallurgique ainsi que sur le niveau des contraintes résiduelles engendrées par le soudage est mis en évidence.
2.3. Analyse métallographique
L’examen métallographique a nécessité le découpage perpendiculairement aux cordons de soudure à l’aide d’une microtronçonneuse sous lubrification afin d’éviter toute sollicitation thermo-mécanique. Les éprouvettes obtenues ont une surface d’observation de 40mm x 4mm.
2.4. Essais de microdureté HV
Les mesures de microdureté Vickers (HV) permettent de mettre en évidence les différentes zones de soudage et de voir les changements microstructuraux résultants du soudage voire aussi du post-traitement de relaxation effectué sur une partie des échantillons soudés.
2.5. Détermination des contraintes résiduelles
La détermination des contraintes résiduelles au sein des différents échantillons consiste à mesurer expérimentalement des déformations par la méthode extensométrique suivi pas des calculs mathématique afin d’arriver à déterminer ces contraintes. Les déformations sont les résultats de la destruction (enlèvement des couches) contrôlée par voie électrochimique des échantillons.
Ces mesures de microdéformations sont déterminées à l'aide de jauges extensométriques bidirectionnelles placées sur la face opposée des cordons de soudure, du côté du substrat.
La détermination des contraintes résiduelles par enlèvement des couches nécessite un dispositif d’appareils comprenant :
Un potentiostat servant à imposer les paramètres électriques du polissage électrolytique.
Un pont d’extensomètrie pour la mesure des déformations (m/m) engendrées après chaque passe d’enlèvement de matière.
Un commutateur servant à l’utilisation d’au moins 2 jauges (Long et Trans) simultanément et de leurs rééquilibrages.
Un micromètre digital pour la mesure de l’épaisseur des couches enlevées.
3ème 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 53
Un cellule d’électropolissage permettant de réaliser le polissage par passes des différents échantillons soudés.
La procédure consiste à enlever des couches très fines par polissage électrochimique du coté des cordons en se basant sur le principe énoncé par Rosenthal et Norton et repris par Le Luan qui repose sur l’exploitation des réarrangements des contraintes qui se produit au sein du substrat lorsque l’on enlève une fine épaisseur en surface [5].
En effet, ces réarrangements de contraintes causées par l’enlèvement des couches nous permettent de mesurer les déformations longitudinales Long et transversales Trans (en sachant que la pièce est parallélépipédique et l’état des contraintes et quasi-plan en tout point) associées sur la face opposée à l’enlèvement à l’aide des jauges collées préalablement.
2.5.1. Calcul mathématique des contraintes résiduelles existant dans les différentes éprouvettes.
Supposons qu’une pièce parallélipipédique (échantillons étudiés), dans laquelle règne un état de contrainte quasi-plan, c’est-à-dire que tout point σz est très inférieure à σx et σy avec les contraintes σx et σy qui sont supposées uniformes dans tout plan xy [6][7].
Un enlèvement de couche d’épaisseur Δh provoque un effort normal et un moment de flexion dans l’épaisseur restante, ce qui se traduit par des variations linéaires des contraintes Δσx et Δσy .
On admet que le matériau étudié est homogène et isotrope, c’est-à-dire présente les mêmes propriétés en tout point et dans toutes les directions issues d’un même point. Il en découle la constance, des paramètres mécaniques (module de Young E, et coefficient de poisson ν) [6][7].
avec : 1
E
ou bien E
(Eq. 1)Ceci veut dire que la connaissance des déformations principales sur la face opposée à l’enlèvement de la couche permet de connaître les expressions Δσx et Δσy et les contraintes σx et σy qui existaient dans la couche fine de métal enlevé.
En se basant sur l’équilibre des forces et les moments et après de multiples calculs successifs nous sommes arrivé à déterminer les expressions des contraintes résiduelles longitudinales et transversales en fonction des déformations qui s’écrivent comme suit :
2 2
X Y
2 2 2
7
2 1
R X
h h dh dh E
h h dh dh
(Eq. 2)
2 2
Y X
2 2 2
7
2 1
R Y
h h dh dh E
h h dh dh
(Eq. 3)
2.5.2. Modélisation numérique :
L’application des équations 1, 2 et 3 ci-dessus sur l’ensemble du matériau étudié nous ont permis d’élaborer un modèle numérique approprié.
3ème 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 54 L’exécution du logiciel comprend les données à introduire puis les résultats pour chaque passe et finalement un tableau récapitulatif du champ de contraintes résiduelles qui régnait dans chaque échantillon.
3. Résultats et Interprétations 3.1. Analyse métallographique
L’acier de base possède une structure austénitique granulaire isotrope où la taille des grains ne présente pas beaucoup de dispersion. Nous constatons aussi la présence de macles thermiques typiques des structures CFC.
Fig 2: Structure du métal de base (G=100) Fig 3: Structure du cordon de soudure (G=100)
Dans la zone fondue (Fig. 3), la structure est biphasée composée de fines dendrites d’austénite et de ferrite orientées perpendiculairement à la ZAT.
La zone affectée thermiquement (ZAT) a une structure granulaire isotrope. La taille des grains de l’austénite est variable : nous constatons la présence de grains de grande taille à coté de grains plus fins (Fig. 4). Ce qui traduit la surchauffe importante subie par cette partie au cours de l’opération de soudage car la température atteinte peut dépasser 1000 °C [8].
Fig .4: Structure du métal de base (G=100)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
100 120 140 160 180 200 220 240
Fig 5: Profil de microdureté HV dans les matériaux soudés ZAT Métal de base Zone fondue
Microdureté HV
Distance en mm
Echantillon non traité Echantillon traité
3ème 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 55 Pour les échantillons ayant subi le post traitement de relaxation à 870 °C, globalement, les structures n’ont pas beaucoup changé mais on a remarqué un noircissement des différentes zones du matériau. Ceci est sans doute lié à la précipitation des carbures de titane TiC qui sont plus stables que les carbures de chrome Cr23C6 et empêchant la corrosion intergranulaire par appauvrissement en chrome [8][9].
3.2. Profil de microdureté.
On remarque tout d’abord une diminution de la dureté en allant de la zone fondue jusqu'au métal de base. Ainsi la dureté décroît en fonction de la température maximale atteinte dans les différentes parties du matériau. La dureté se stabilise ensuite à partir d’une distance de 2.75 mm environ dans les deux cas (traité et non traité) (Fig. 5). C’est la partie du métal de base non affecté par les variations thermiques dues au soudage.
Le traitement thermique a permis de diminuer les duretés au niveau de la zone fondue et de la zone affectée thermiquement sans doute par la relaxation des contraintes résiduelles. Il a par contre augmenté le niveau de dureté dans le métal de base grâce à une austénitisation de ce matériau pendant le chauffage.
La valeur élevée de la dureté à la surface des échantillons est vraisemblablement due à une oxydation superficielle des cordons de soudure.
3.3. Profil des contraintes résiduelles
On constate qu’en général les contraintes sont plutôt de tension dans la zone fondue et de compression dans la zone affectée thermiquement. Dans le métal de base, elles sont plutôt de compression et tendent à s’annuler très loin de l’interface (Fig. 6).
Les contraintes sont maximales en surface avec des valeurs avoisinant les 600 MPa et 400 MPa respectivement pour les contraintes longitudinales et les contraintes transversales. Ceci est sans doute due au fort gradient thermique observé lors du refroidissement assez rapide des cordons de soudage à partir des températures de fusion qui avoisinent les 2000 °C après la réalisation du soudage lui-même.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000
ZAT Métal de base
Cordons de soudure
Fig 6: Profil des contraintes résiduelles dans le matériaux soudés
Contraintes résiduelles (MPa)
Profondeur du matériau (mm)
CRLong CRTrans
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000
ZAT Métal de base Cordons de soudure
Fig 7: Profil des contraintes résiduelles dans le matériaux soudés
Contraintes résiduelles (MPa)
Profondeur du matériau (mm)
CRLong CRTrans
3ème 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 56 Le niveau des contraintes résiduelles longitudinales (selon le sens du soudage) est généralement moins important que celui des contraintes résiduelles transversales (perpendiculairement au cordon).
Une importante relaxation des contraintes résiduelles s’est produite après le traitement thermique appliqué (fig. 7). Ce constat montre la nécessité d’appliquer un traitement thermique qui permettra de relaxer (diminuer considérablement) les contraintes résiduelles dues au soudage et ainsi de limiter les possibilités de création de zones sensibles pouvant conduire à des microfissures.
Ainsi, on peut dire que l’ordre de grandeur et la nature des contraintes résiduelles engendrées lors du soudage dépend de plusieurs paramètres tels que la nature chimique des matériaux, leurs propriétés physiques, ainsi que les paramètres de soudage utilisés.
L’application d’un post traitement de relaxation est très bénéfique car permettant de réduire considérablement le niveau des contraintes et limite par conséquent les endommagements possibles pouvant être dus à des concentrations localisées de contraintes.
4. Conclusion
Ce travail nous a permis de montrer l’efficacité de la chaine de détermination expérimentale des contraintes résiduelles par la méthode extensiométrique associé à un enlèvement successif de couches par voie électrolytique.
Il a également permis de mettre au point un modèle mathématique permettant le passage entre les microdéformations mesurées et les contraintes résiduelles correspondantes au sein des différents niveaux des cordons de soudure voire dans le métal de base.
Les résultats obtenus ont montré que la nature (compression ou traction) et l’ordre de grandeur des contraintes résiduelles ne sont pas uniformes dans les différentes zones des matériaux soudés.
Généralement, elles sont de tension (positives) dans les cordons et dans la zone thermiquement affectée alors qu’elles sont de compression (négatives) dans le métal de base où elles tendront à s’annuler progressivement.
L’effet du post traitement thermique est bénéfique car il a permis de réduire considérablement le taux des contraintes à tous les niveaux des matériaux et par conséquent de relaxer globalement les matériaux soudés.
RÉFÉRENCES
[1] Techniques de l’ingénieur : Les aciers inoxydables : critère et choix M 4540.
[2] G. LACOMBE, G. BERANGER, structures et diagrammes d'équilibre des aciers inoxydables.
Conséquences sur les traitements thermiques. Edition de physique, les Ulis, 1990.
[3] J. BERTRAND , H. CHASSIGNOLE, Influence de la structure métallurgique des soudures en acier inoxydable austénitique sur le contrôle non destructif par ultrason / Thèse de doctorat Lyon 2000.
[4] J.A.BROOKS, A.W.THOMPSON, Microstructural development and solidification cracking susceptibility of austenitic stainless steel welds, international Materials Reviews, 1991, Vol 36 .
[5] D.KALPAN, Les méthodes de mesure des contraintes résiduelles par trépanage et par enlèvement des couches, Juin 1983
3ème 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 57 [6] G.MARDER, J.L.LEBRUN, Détermination des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X, Edition ENSSAM Paris 1987.
[7] : VISHAY Micromesures, Mesure des contraintes résiduelles par la méthode du trou». NT47D, 1990.
[8] K.RAJASEKHAR, Microstructural evolution during solidification of austenitic stainless steel weld metals: a color metallographic and electron microprobe analysis study, Materials Characterization, 1997, Vol 38.
[9] H.GRANJON, Bases métallurgiques du soudage, Publication du Soudage et de ses applications, 2ème édition, Paris 1995.
