COMPORTEMENT DES DIFFERENTES ZONES D’UN JOINT DE SOUDURE VIS-A-VIS A LA RESISTANCE A LA FATIGUE

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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 14

COMPORTEMENT DES DIFFERENTES ZONES D’UN JOINT DE SOUDURE VIS-A-VIS A LA RESISTANCE A LA FATIGUE

A.ALIOUA¹, B. BOUCHOUICHA¹, M. ZEMRI¹

1: Laboratoire LMSR, Département génie mécanique, université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbes, BP 89 ITMA Sidi Bel Abbes, alioaek@yahoo.fr

Résumé :

Les défauts qui génèrent la fissuration apparaissent généralement dans les joints de soudures et l'exigence en termes de sécurité pour ce type de jonction, rend donc indispensable l'étude de la rupture de ces jonctions. Les concepts de la mécanique de la rupture sont utilisées pour analysé la nocivité des défauts dans les assemblages soudés. Dans cette partie, nous avons présenté une étude sur la résistance à la fatigue d'un joint soudé. Plusieurs paramètres ont été pris en considération : paramètres liés aux caractéristiques mécaniques des matériaux, paramètres liés à la géométrie du joint soudé, paramètres liés à la géométrie de l'éprouvette. L’étude expérimentale nous a permis de déterminer expérimentalement les caractéristiques mécaniques, ainsi que les résistances à la fatigue à la température ambiante, du métal de base (MB), métal fondu (MF) et de la zone affectée thermiquement (ZAT) prélevés à partir d'un joint soudé réalisé dans des conditions représentatives des fabrications industrielles. Nous avons constaté qu’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,Différentes dans les trois zones, et l’évolution de l’énergie spécifique dépensée par cycle U en fonction de ∆K pour le même rapport de charge est constante par rapport à ∆K pour les différentes zones du joint de soudure étudié.

Mots clés : Rupture ductile, Ténacité, Fatigue.

1 Introduction

Dans le but d’assimiler le comportement des structures métalliques et mécaniques vis-à-vis à la rupture ductile et fragile, et de prévoir les cas critiques qui ramènent à la ruine, on cherche des solutions préventives et des marges de sécurité pour le bon contrôle et l’intervention dans les moments nécessaires.

Parmi ces structures on trouve les citernes à gaz, ces produits inquiètent et provoque le souci des chercheures. Le phénomène inquiétant dans se contexte c’est la fissuration, qui a certain moment devienne fatal et peut causer des pertes humaines et matériels. Plusieurs travaux récents, ont montré que Les joints soudés sont toujours des zones privilégiées pour l'apparition des défauts.

L’étude est consacrée aux différents paramètres liés aux caractéristiques mécaniques des matériaux, pour expliquer le phénomène de la fatigue et apporter une contribution à l'étude de résistance à la fatigue dans un joint soudé afin de développer une méthode d'analyse adaptée à ce type de jonction. Pour une meilleure compréhension des processus conduisant à la rupture des structures soudées, nous avons déterminé

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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 15 A48AP 0.198 0.021 0.01 0.207 0.77 0.135 0.09 0.03 0.27 0.023 0,02 Métal déposé 0.074 0.021 0.017 0.35 0.73 0.02 0.03 0.004 0.05 0.006 0,015

Les résultats des essais de caractérisation (traction) sont représentés dans le tableau 2.

Tableau 2 - Propriétés mécaniques des trois zones

Propriétés mécaniques

Re N/mm² Rm N/mm² A (%) k n

MB 325 400 20 980 0,401

ZAT 405 600 25 836 0,302

MF 350 531 15 1009 0,508

On observe généralement une limite conventionnelle et rationnelle d’élasticité, supérieur dans la ZAT à celle du métal de fondu (MF) qui est supérieur à celle du métal de base (MB).

3 Essais de fissuration et mesures:

Les essais de fissuration ont été effectués sur des éprouvettes CT50 d’épaisseur 07 mm, dont les dimensions sont conformes à la norme ASTM-E-647, (voir figure 1).

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Figure 1 : Éprouvette CT50 utilisé pour les essais de fissuration

Les essais de fissuration ont été effectués à l’université de Sidi Bel Abbés, sur une machine électro- hydraulique asservie INSTRON de capacité 100 KN en statique et 50 KN en dynamique.

Les essais ont été conduits à l’air ambiant et pour une même valeur de rapport de charge R à une fréquence nominale de 25 Hz dans les trois zones : métal de base, métal fondu et Zone affectée thermiquement ZAT (voir figure 2). Les éprouvettes utilisées ont été polies mécaniquement au papier et sollicitées dans le sens TL.

Figure 2 : Représentation Schématique de la position des entailles sur les trois zones

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dN

L’exposant (m) est de l’ordre de 5. Les résultats des essais de fissuration obtenus dans les trois zones consignés dans le tableau 3

Tableau 3 - Equations caractérisant la Loi de Paris dans les différentes zones étudiées

Désignation Loi de Paris K

MF da/dN=1,08e^-11K^5,2 18 à 48 MPa.m^1/2 MB da/dN=2,63e^-11K^5.13 17 à 45 MPa.m^1/2 ZAT da/dN=1,33e^-11K^5.015 21 à 52 MPa.m^1/2

Les résultats obtenus concernant les différentes éprouvettes dans les trois zones (MB – MF – ZAT) sont représentés par (les figures 3 et 4). On observe que la vitesse de fissuration da/dN, pour les faibles valeurs de ΔK (ΔK MPa.m^1/2< 28 MPa.m^1/2 ) est décroissanterespectivement dans les zones suivantes (MB, MF et ZAT), cependant, cet écart diminue lorsque ΔK augmente et aucune déviation de la fissure de son axe de propagation n’a été remarquée. Certains auteurs [4] ont montré que au-delà d’une certaine valeur de ΔK la vitesse de fissuration s’accompagne généralement d’une déviation de la fissure de son plan initial vers le métal de base, cette déviation est due à la différence de caractéristiques mécaniques entre les trois zones, la fissure se dirigeant d’une microstructure plus dure, vers une microstructure plus douce. Pour notre cas (acier au carbone A48AP) aucune déviation de la fissure de son axe de propagation n’est remarquée,

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Figure 3 : Extension de la fissure en fonction du nombre de cycles pour les trois zones

Figure 4:Evolution de la vitesse de fissuration en fonction de K pour les trois zones

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Figure 4:Évolution de l’énergie hystérétique en fonction de K

Nous remarquons que Q augmente quand ΔK augmente pour les trois zones étudiées.

b -Évolution de l’énergie spécifique U en fonction de K :

L’évolution de l’énergie spécifique dépensée par cycle U en fonction de K pour un rapport de charge R=0,1 et dans les trois zones étudiées est représenté par (la figure 5).

Cette énergie est donnée par la relation suivante [5]:

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 



 





 

dN 2B da

δ' P boucle la de U Aire

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Nous constatons que cette énergie spécifique U est constante par rapport à ΔK pour les différentes zones du joint de soudure étudié avec une valeur moyenne de : 2.10⁶ J/m2. Ces résultats sont en accord avec les travaux d’autres chercheurs [6,7] 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 ΔK appelée ΔKcr, la valeur de U est Constante est indépendante du rapport R et de l’environnement.

Figure 5 : Évolution de l’énergie spécifique en fonction de K

5 Conclusion

Cette étude qui porte, sur le phénomène de fissuration et la résistance à la fatigue de l'acier ( A48-AP), a permis d'obtenir des résultats intéressants. L’étude expérimentale nous a permis de déterminer les caractéristiques mécaniques, ainsi que les résistances à la fatigue, du métal de base (MB), métal fondu (MF) et de la zone affectée thermiquement (ZAT) prélevés à partir d'un joint de soudure. Cette partie conduit aux conclusions suivantes :

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[2] P.C. Paris, M.P. Gomez, and W.E. Anderson, A Rational Analytical Theory of fatigue, Trend Eng, Vol 13, N° 9 1961, p,9.

[3]P.C. Paris and F. Ergogan, Trans. ASME, J. of Bas. Eng. 1963, p.263,

[4] INAL K., M’cirdi L., Lebrun J.L., Barbier G., Mechanical behaviour analysis of phase interaction in a rolled and a cast duplex stainless steels, Duplex 2000, 2000,pp. 173-182.

[5]M. Kikukawa et Col. J. of Mat, Sc. 1977, 26, p.1964.

[6] N.Ranganathan et Col. of Mat, Sc., 26, p.1964, (1977).

[7] M .Benguediab, « Etude de la propagation de fissure de fatigue sous spectre de chargement réduits ».

Thèse de doctorat, Université de Poitiers, 1989.