Soudage/Métallurgie du soudage

LE SOUDAGE Sommaire Généralités Conception d'un assemblage soudé Soudage par friction Soudage par aluminothermie Énergie de soudage Thermique du soudage Métallurgie du soudage Examens, essais et mesures Cet ouvrage fait partie de la collection Technologie

Transformations à l'état solide

Dans certains matériaux, pendant leur refroidissement, on peut observer des transformations avec changement de phase par germination / croissance. Ainsi, une phase en équilibre à haute température peut, tout au long de son refroidissement, donner naissance à un composé inter-métallique, une transformation allotropique, un eutectoïde voire une combinaison des trois si ce n'est les trois à la fois.

Dans le cas d'un acier de construction par exemple l'auténite ou $Fe_{\gamma }$ (structure cubique face centrée), stable entre les points de transformation A1 et A3 peut donner naissance, pendant le refroidissement, à plusieurs phases comme :

- une transformation allotropique, la ferrite ou $Fe_{\alpha }$ (structure cubique centrée),

- un composé inter-métallique, la cémentite ($Fe_{3}C$), et

- un eutectoïde formé à partir des deux phases ci dessus : Fe_$\gamma$ → Fe_$\alpha$ + Fe₃C

Cependant, lorsqu'on refroidit très rapidement un matériau de ce type depuis la température où cette phase est à l'équilibre, sans laisser le temps nécessaire aux transformations de phase par germination / croissance de se produire, on gèle en quelque sorte les éléments en solution à l'intérieur de la matrice et il se produit un changement instantané ne mettant pas en œuvre les phénomènes de germination / croissance mais un glissement brutal, voire un cisaillage, selon des axes privilégiés de la structure de la phase initiale, c'est la transformation martensitique. Toute la phase qui peut se former à une température donnée apparaît pratiquement en une seule fois, par cisaillement / déformation plastique de la structure environnante, laissant le reste de la phase initiale en condition métastable (dans le cas de notre acier, en austénite dite résiduelle). La transformation s'amorce à nouveau si la température s'abaisse et par création de nouveaux domaines (et non pas la croissance de domaines déjà formés). La vitesse d'apparition des plaques de martensite et de l'ordre de 2500km/h (vitesse de propagation d'une onde élastique dans un métal). La température d'initiation de la transformation martensitique est désigné par le point Ms pour martensite start et la température de fin par le point Mf pour martensite finish.

En règle générale les structures martensitiques sont douces et malléables (exemples : la martensite des aciers à 9% de nickel pour applications cryogéniques et celle du duralumin qui se travaille sur trempe fraîche). Cependant, la martensite produites dans les aciers trempés est dure et fragile de par la présence du carbone. Cette dureté croît dans le même sens que la teneur en carbone.

Lorsqu'on réchauffe une structure martensitique :

- soit on reproduit les mêmes transformations en sens inverse avec toutefois quelques retard (phénomène d'hystérésis),

- soit la transformation inverse n'a pas lieu car la martensite se décompose.

C'est ce dernier cas qui se produit dans les aciers. La martensite des aciers se décompose dès 300°C pour se transformer en Fe_$\alpha$ + Fe₃C en fine dispersion à partir des mécanismes de diffusion, c'est la martensite revenue, structure recherchée, moins sensible à la fissuration à froid.

C'est au moyen des diagrammes TTT (temps, température, transformation) et surtout, dans le cas du soudage, au moyen des diagrammes TRC (transformations en refroidissement continu) que l'on étudie ces phénomènes.

Diagramme TTT (Temps - Température - Taux de transformations)

L'étude de la courbe TTT ci-dessous montre qu'un maintien à une température supérieure à A3 (AC3) transforme complètement l'acier en austénite. Trois courbes de refroidissement y sont dessinées : V₁, V₂ et V₃

• Un refroidissement suivant V₁ aboutit à une structure pratiquement entièrement martensitique. Cette courbe de refroidissement, tangente à la courbe de début de transformation, représente la vitesse la plus lente permettant une transformation martensitique : c'est la vitesse critique de trempe.

• Un refroidissement suivant V₂ aboutit à une structure triphasée constituée de perlite, de bainite et de martensite.

• Un refroidissement suivant V₃ aboutit à une structure essentiellement composée de perlite, la courbe de fin de transformation ayant été franchie à une température encore élevée (de l'ordre de 600°C).

Les diagrammes TTT ne sont toute fois pas très adapté à l'étude des transformations se produisant pendant un refroidissement continu. Ils ont été établi pout déterminer le taux de transformation d'une phase métastable maintenue à une température pendant un temps défini et sont donc tout à fait adaptés pour la prévisions des transformations pendant un traitement thermique.

Dans le cas des écoulements thermiques rencontrés en soudage, les soudeurs leurs préfèrent les diagrammes TRC.

Fig. 9. Exemple d'un diagramme Temps, température, taux de transformation d'un acier au chrome

Courbes TRC (transformations en refroidissement continu)

Ce sont ces courbes, encore appelées diagrammes TRC qui représentent les différents domaines par lesquels peuvent passer certaines nuances d'acier au cours d'un refroidissement continu. Ces domaines sont l'austénite, la ferrite, la bainite, la martensite ou la perlite. Différentes trajectoires sont tracées pour les vitesses de refroidissement :$V_{r}$ les plus courantes. Les vitesses de refroidissement pouvant varier grandement, l'échelle de temps est logarithmique. À la frontière de chaque domaine, on donne généralement la proportion (en %) de la phase traversée en fonction de la vitesse de refroidissement. On indique aussi en général la dureté (Rockwell ou Vickers) de l'acier obtenu pour chaque vitesse de refroidissement caractéristique. Comme on peut s'en douter, ces courbes sont d'un très grand intérêt en soudage et l'on pourra se rapprocher des aciéristes, des laboratoires d'essais ou des organisations pour la promotion des aciers (OTUA http://www.otua.org/, IRSID par exemple) pour se les procurer.

Fig. 10. Exemple de diagramme TRC

Temps de solidification

Le temps de solidification joue un rôle extrêmement important dans la structure métallurgique, la sensibilités aux traitements thermiques et la santé interne du métal fondu.

Le temps de solidification du métal fondu, en seconde, dépend de l'énergie net apportée en soudage :

$S_{t}={\frac {C_{f}\cdot H_{n}}{2\cdot \pi \cdot k\cdot \rho C(T_{f}-T_{i})^{2}}}$

Avec :

$S_{t}=$ Temps de solidification, en seconde, du début à la fin de la solidification en un point du métal fondu.

$C_{f}=$ Chaleur de fusion, en $J/mm^{3}$

exemple :

Dans les conditions du cas No1 : Épaisseur 8 mm soudé en « Té » à l'électrode enrobée ;

$S_{t}={\frac {2\cdot 768}{2\cdot \pi \cdot 0,028\cdot 0,0044(1525-20)^{2}}}=0,88s$

On constate immédiatement que le temps de solidification en soudage n'a rien de comparable avec les temps de solidification rencontrés chez les fondeurs et les aciéristes. Dans les conditions de refroidissement les plus sévères, un lingot de fonderie mettra plus d'une minute pour se solidifier ce qui représente déjà plus de soixante fois un temps de solidification en soudage. Rien d'étonnant à ce que les structures de solidification en soudage n'aient rien à voir avec celles rencontrées en fonderie ou en aciérie et se trouvent fort éloignées des conditions prévues par les diagrammes de solidifications.

Fig. 11. Solidification dendritique

La plupart des alliages utilisés dans l'industrie se solidifient par un processus de ségrégation dendritique et l'une des caractéristiques les plus remarquables d'un métal fondu est la distance entre bras de dendrite. La dendrite est en quelque sorte le squelette initial du cristal (germe) à partir duquel la solidification va s'établir et les éléments chimiques (éléments d'addition, d'accompagnement et les impuretés) vont être repoussés dans des régions externes de ces cristaux, les espaces inter-dendritiques, là ou apparaissent les frontières entre cristaux.

La croissance des dendrites est épitaxique, c'est à dire calquée et orientée par rapport aux cristaux solides de la zone de liaison. Les cristaux solides et les cristaux en formation possédant un certain nombre d'éléments de symétrie communs dans leurs réseaux cristallins. Si la vitesse de solidification est trop rapide il y a alors apparition d'îlots dendritiques dans le liquide qui se comporteront comme autant de germes de solidification.

Lorsque les impuretés sont très peu solubles dans le métal de base, elles forment généralement, avec lui, des eutectiques à bas point de fusion qui ont tendance à se localiser essentiellement aux frontières des cristaux puisqu'ils constituent les dernières fractions d'alliage à se solidifier. Inversement, au réchauffage, ce sont ces mêmes fractions d'eutectiques qui se liquéfieront en premier provoquant prématurément une dé-cohésion totale des cristaux. C'est par exemple le cas, dans le soudage des aciers inoxydables, du sulfure de nickel (NiS) qui, lorsqu'il peut se former, provoque le phénomènes néfaste que les soudeurs désignent par « fissuration à chaud » mais qui devrait être normalement désigné, de part ce qui précède par : phénomène de « liquation ». Selon la configuration de la passe de soudure qui peut être étroite et haute ou large et mince, la ségrégation dendritique repoussera les impuretés respectivement au centre ou en surface ce qui jouera un rôle prépondérant dans la tenue du métal ainsi solidifié aux sollicitations mécaniques.

L'espace inter-dendritique est proportionnel à la racine carrée du temps de solidification. Si l'on compare deux passes de soudure, l'une en angle au plafond l'autre en verticle montante ; l'énergie de soudage peut être quatre fois plus élevée dans le second cas que dans le premier. L'espace inter-dendritique sera deux fois plus important dans le second cas que dans le premier. En d'autres termes :

• plus l'énergie de soudage est importante et plus on laisse le temps aux germes cristallin de se développer de manière compétitive et aboutir ainsi à une structure grossière, et
• plus l'énergie de soudage est faible et moins on laisse de temps aux germes dendritique de croître ce qui résulte en une fine structure de solidification.

En règle générale, une fine structure dendritique a une meilleur comportement pendant les traitements thermiques. Pour la plupart des métaux, la résistance à la rupture, la limite d'élasticité, la ductilité et la ténacité se trouvent améliorés dans de telles structures dendritique et donc par des temps de solidification plutôt courts. Une soudure verticale montante réalisée en quelques passes larges aura des propriétés mécaniques moins élevées que pour une même soudure réalisée avec un nombre élevés de passes étroites, toutes choses égales par ailleurs.

Représentation schématique d'un bain de fusion

Un cycle thermique peut être divisé en deux périodes : Le chauffage et le refroidissement.

Chauffage

La première période est caractérisée par la vitesse de chauffage Vc et par la température maximale Tm atteinte. L’importance de la zone affectée par l’élévation de la température est fonction pour un matériau et une pièce donnée, de l’énergie de soudage et de la température initiale des pièces.

Cette élévation de température va se traduire par l’apparition de zone austénitique (ZAT) définie pour les aciers par l’inégalité : Tm > AC3 (AC3 étant fonction des conditions de chauffage). Le chauffage se traduit par les phénomènes suivants :

1. Austénitisation ;
2. Recristallisation ;
3. Grossissement des grains ;
4. Dissolution des carbures ;
5. Refroidissement.

La deuxième période est caractérisée par la vitesse de refroidissement Vr ou par le temps de refroidissement entre 800°C et 500°C ; Δt800-500°.

I - Transformations au chauffage

1. Austénitisation La formation de l’austénite à partir de la perlite devient possible après une faible surchauffe au-dessus du point AC1. Cette formation s’explique par le fait qu’au-dessus de AC1 l’énergie libre de l’austénite est plus faible que celle du mélange α + Fe3C. L’austénite obtenue sera caractérisée par son homogénéité, la présence ou non de carbures résiduels et par la grosseur des grains.

2. Recristallisation Il s’agit d’une réorganisation du réseau cristallin et donc des grains d’un alliage, par la suite d’un échauffement à partir d’un état écroui. Ce phénomène s’opère avec la température avec les phases suivantes : ♦ pour une température dite de recristallisation, apparition de germes, ♦ à partir de ces germes, recristallisation primaire avec des grains fins, ♦ pour des températures plus élevées recristallisation secondaire et surchauffe.

3. Grossissement des grains Le grossissement des grains commence à une température légèrement supérieure à AC3, puis se prolonge jusqu’à une température critique thermodynamiquement, la croissance du grain austénitique s’explique par la tendance du système à diminuer l’énergie libre par réduction de la surface enveloppe des grains. Les grossissent en accaparant d’autres grains plus petits, donc moins stables du point de vue thermodynamique. Le grossissement du grain est fonction : ♦ De la température ; ♦ Du temps de maintien ; ♦ Des éléments d’alliage.

4. Dissolution des carbures La présence d’éléments d’alliage carburigènes se traduit par l’obtention de carbures précipités dont la composition peut être variable suivant celle de l’alliage. Au cours du chauffage, ces carbures se mettent en général en solution dans un certain domaine de températures. Mais cette mise en solution peut être précédée d’un changement de composition des carbures.

II - Transformations au refroidissement

1. Transformations indépendantes du temps Ces transformations se produisent pour des refroidissements rapides et se traduisent par l’apparition de structures hors d’équilibre (martensite). Les caractéristiques de la transformation martensitique sont les suivants : ♦ Il n y a pas de diffusion des atomes de C, il s’agit d’une transformation d’une phase en une nouvelle phase de même composition. ♦ La transformation est indépendante du temps, à vitesse élevée. ♦ La transformation commence à la température Ms et s’achève à la t° Mf.

2. Transformations dépendantes du temps Ces transformations se produisent pour des refroidissements lents et se traduisent par un retour vers les structures d’équilibre (perlite) ou des structures intermédiaires (bainite). a) Transformation perlitique Le mécanisme de transformation perlitique est le suivant : ♦ La transformation se fait par diffusion des atomes de C. ♦ Dans un premier temps, on assiste à la précipitation de ferrite aux joints de grains provoquant un enrichissement en C de l’austénite résiduelle. ♦ Il y a ensuite formation de germes de cémentite qui se développe dans l’austénite en donnant une structure lamellaire. ♦ Le nombre de germes et donc la finesse de la structure, dépend de la vitesse de refroidissement. Quand la vitesse augmente, le nombre de germes augmente et la structure est plus fine.

b) Transformation Bainitique Cette transformation est intermédiaire entre les deux précédentes. On assiste d’abord à un réarrangement, par diffusion, des atomes de C dans l’austénite, puis à la précipitation en α + Fe3C sans diffusion. On distingue deux types de bainite : ¤ La bainite supérieure (structure grossière, peu résiliente) ; ¤ La bainite inférieure (structure aciculaire, voisine de la martensite) ;

Voir aussi

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