Introduction à la métallurgie et à la métallurgie du soudage

41 I MARS-AVRIL 2016 I SOUDAGE ET TECHNIQUES CONNEXES

ÉTUDES ET RECHERCHE

LAURENT CARBONELL

(INSTITUT DE SOUDURE

INDUSTRIE)

Cet article a pour but : en introduction, de rappeler le rôle de la métallurgie ainsi que sa particularité en soudage, de développer, sommairement, les premières notions de métallurgie générales qui permettent de comprendre le fonctionnement métallurgique d’un métal de base (le métal qui va être soudé), puis de conclure par un résumé des notions métallurgiques apportées.

1. INTRODUCTION : RÔLE DE LA MÉTALLURGIE, RÔLE DE LA MÉTALLURGIE DU SOUDAGE

1.1 QUEL EST LE RÔLE DE LA MÉTALLURGIE ?

En amont de toute construction, le concepteur fait le choix du matériau qui sera potentiellement le plus apte à supporter les conditions de service auxquelles la fabrication sera soumise.En pratique, ce sont principalement les propriétés mécaniques des matériaux, qui guident les concep-teurs dans ce choix (même si dans un deuxième temps il est aussi demandé à un matériau métallique de résister à la corrosion).Par exemple, on choisira un alliage de haute résis-tance à la traction pour fabriquer une charpente métallique soumise à des efforts de traction éle-vés, ou un acier résistant au choc, en l’occurrence, à la rupture fragile, pour fabriquer un essieu de camion…Or, les propriétés d’un matériau dépendent de sa structure métallurgique (arrangement interne de la matière…).Aussi, le rôle principal de la métallurgie est-il de comprendre le fonctionnement métallurgique d’un matériau, ou encore, plus simplement dît, de savoir comment « façonner, ou faire évoluer » sa structure métallurgique, afi n de maîtriser ses propriétés.

1.2 QU’EST-CE QUI PEUT FAIRE VARIER LA STRUCTURE DES MATÉRIAUX ?

La structure métallurgique (donc les propriétés) des matériaux évolue principalement avec : - la composition chimique (nature et quantité des éléments présents dans le matériau), - le traitement thermique (voire thermo-mécanique), que le matériau reçoit lors de sa fabrication ; c’est-à-dire de la façon précise avec laquelle il est chauffé puis refroidi au cours de sa mise en forme, ou après (citons par exemple : le traitement thermique de trempe et de revenu),

INTRODUCTION À LA MÉTALLURGIE ET À LA MÉTALLURGIE DU SOUDAGE

Institut de Soudure Groupe, 90, rue des Vanesses, 93420 Villepinte.Tél. : 01 49 90 36 21 – e-mail : [email protected]

- la façon dont il est mis en forme ; on distinguera notamment les produits moulés (fabriqué par fusion/solidifi cation) et les produits mis en forme par déformation à chaud (exemple : laminage, for-geage…).

1.3 QUEL EST LE RÔLE DE LA MÉTALLURGIE DU SOUDAGE ?

Lors d’une opération de soudage, en terme métallur-gique, tout est remis en question ; les structures des pièces à assembler tendent à évoluer lors du soudage.En effet, dans la plupart des cas, chauffés puis refroidis par la source de chaleur de soudage :- les matériaux assemblés subissent un nouveau traitement thermique.De plus, s’il s’agit de soudage par fusion :- d’une part, les matériaux assemblés peuvent prendre une nouvelle composition chimique s’ils sont mélangés à une composition chimique différente : celle du métal d’apport,

Structure d’un alliage métallique (vu au microscope électronique).

Macrographie d’une soudure d’acier.

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CONJONCTURE ÉTUDES ET RECHERCHE- et dans tous les cas, ils quittent la structure du métal de base pour passer (au moins dans un pre-mier temps) par une structure brute de solidifi cation, de type produit moulé (dans la région où ils sont fon-dus puis « resolidifi és »).Aussi, le rôle principal de la métallurgie du soudage est-il de connaître la façon dont évolue la structure métallurgique d’un matériau soudé, dans les régions où il est modifi é par le soudage (régions soudées), et ce dans le but de maîtriser les propriétés d’une soudure.

1.4 QUE FAUT-IL ÉTUDIER POUR COMPRENDRE LE COMPORTEMENT MÉTALLURGIQUE D’UN MÉTAL DE BASE AU SOUDAGE ?

Pour comprendre le comportement métallurgique d’un métal de base au soudage il faut connaître et étudier :a. Avant toute chose, le fonctionnement métallur-gique du matériau qui va être soudé ; ce matériau est appelé par le métallurgiste du soudage : métal de base (MB).b. La façon dont une soudure chauffe et refroidie dans le temps et dans l’espace (traitement ther-mique au soudage), ainsi que les facteurs d’infl uence (énergie, épaisseur soudée…) ; on parle d’aspect thermique de l’opération de soudage.c. Les modifications subies par le métal de base dans les régions où il a chauffé et refroidi sans fondre ; cette région est appelée : zone affectée thermiquement (ZAT).Et s’il s’agit de soudage par fusion :d. Les modifications subies par le métal de base dans les régions où il a chauffé, fondue, refroidi (après solidification), et éventuellement modifié chimiquement (s’il y a eu utilisation d’un métal d’apport) ; cette région est appelée : zone fondue (ZF).e. Les modifi cations particulières qui peuvent s’opé-rer à la frontière de la ZF et de la ZAT ; cette région est appelée : la zone de liaison (ZL).

2. FONCTIONNEMENT MÉTALLURGIQUE GÉNÉRAL D’UN MÉTAL DE BASE

2.1 NOTIONS GÉNÉRALES

2.1.1 StructureLes propriétés des matériaux dépendent de leur structure… Comment peut-on défi nir, plus précisément, la structure métallurgique d’un matériau ?La structure d’un matériau correspond à la manière dont les éléments qui le constituent sont arrangés dans l’espace.Selon le moyen utilisé pour l’observer, la structure de la matière peut s’étudier suivant trois niveaux d’examen :- à l’œil on examine la structure macrographique de la matière ou structure d’ensemble, la résolution est de l’ordre de 1 mm,- au microscope optique on examine la structure micrographique ou arrangement granulaire, la réso-lution est de l’ordre de 0,001 mm (micron),- d’autre moyen de laboratoire, comme la diffraction X, voire le microscope à transmission, permettent de conceptualiser l’arrangement des atomes (que l’on peut assimiler à des sphères), on parle alors de structure cristalline, l’échelle de mesure est de l’ordre de 0,000 000 1 mm (Angström).

Parlons tout d’abord, pour mémoire, des liai-sons qui lient les atomes.A l’état liquide, les liaisons qui existent entre les atomes, sont très faibles, suffi samment faibles pour que l’attraction de la pesanteur puisse faire cou-ler les matériaux liquides en attirant au sol leurs atomes comme on déverserait des billes.

Si seulement l’une de ces trois structures évolue dans un matériau, les propriétés de ce matériau évolue. Nous allons étudier cela avec un peu plus de détail en commençant par la structure cristalline.

2.1.2 Structure cristallinePlus précisément, qu’est-ce qu’une structure cristalline ?

Schématisation d’un métal liquide.

A l’état solide deux types de liaison peuvent lier les atomes :- Les liaisons chimiques, très fortes qui lient entre eux des atomes différents, (cas où ils présentent des affi nités chimiques particulières), pour en faire des composés chimiques très durs ; comme par exemple les céramiques, ou encore les carbures qu’on trouve dans la structure des aciers.- Les liaisons métalliques, ou ioniques, qui lient entre eux les atomes métalliques, avec des liaisons plus faibles que les liaisons chimiques, pour donner les métaux (solides) qui, comme chacun sait, sont plus mous que les céramiques ou le carbure.

Parlons maintenant de structure cristalline.Lorsque des atomes métalliques se lient entre eux à l’état solide - par exemple quand ils se solidifi ent - ils ne s’ordonnent pas dans l’espace n’importe com-ment, mais tendent à prendre un arrangement régu-lier, « en ne se gênant pas les uns les autres d’un point de vue mécanique ». L’aspect géométrique que prend cet arrangement à l’échelle de l’atome est appelé : structure cristalline ou réseau cristallin.

2.1.2.1 Diversités cristallinesComment distingue-t-on les diverses structures cristallines ?

• Réseau à l’équilibreTout d’abord, lorsque l’arrangement cristallin est proche de la perfection, le réseau est dit à l’équilibre, c’est une première distinction, dans ce cas la matière présente son plus bas niveau de contrainte interne, « il y a peu de coincement entre les atomes ». La matière est stable et tend à ne plus évoluer dans le temps.




• Réseau hors équilibreLorsque l’édification du réseau cristallin a été perturbée, par exemple lors de sa solidification ou après déformation mécanique, ou dans certains cas de refroidissement rapide (trempe), de nom-breuses imperfections, ou défauts d’empilement, apparaissent dans les cristaux, qui est alors « dis-tordu ».Ces défauts sont du type :- lacune, il manque un atome,- ou dislocation, il manque un plan d’atome.Dans ce cas on dit que la matière est hors d’équi-libre, ce qui la distingue de la matière à l’équilibre, « il y a coincement entre les atomes », le niveau de contrainte interne est plus élevé qu’à l’équilibre. Les réseaux hors équilibre n’ont pas les mêmes pro-priétés que les réseaux à l’équilibre. Par exemple : ils sont souvent nettement plus durs.

Les mailles C.F.C. et les mailles H.C. sont dites com-pacte ou dense car les atomes présents sont tous très proches les uns des autres.On verra plus loin que ceci explique pourquoi le cuivre, le nickel, l’aluminium (C.F.C.) ou le titane et le zirconium (H.C.) sont des matériaux facilement déformables, alors que le fer ou le chrome (C.C.) sont plus diffi cilement déformables.

2.1.2.3 Notions de comportement mécanique, structures cristallines et propriétés

Quels liens peut-on faire entre structures cris-tallines et propriétés ?Pour répondre à cette question, nous parlerons tout d’abord de comportement et de propriétés méca-niques, et ce, en se limitant à présenter, succincte-ment, trois types de comportement soit : - le comportement élastique,- le comportement plastique,- le comportement fragile.

• Comportement élastiqueLe comportement élastique correspond à une défor-mation très faible d’un alliage métallique qui s’anni-hile quand on supprime la contrainte qui l’a créé.Lors de cette déformation, les atomes du réseau cristallin s’écartent sur de très faibles distances.

Schématisation d’un réseau cristallin à l’équilibre.

Schématisation d’un réseau cristallin hors équilibre.

Remarque : naturellement les matériaux métalliques déséquilibrés cherchent à retrouver l’état d’équi-libre, cela explique beaucoup de phénomènes métal-lurgique…

• MaillesOn distingue également les réseaux cristallins selon le plus petit type d’arrangement qu’ils présentent, naturellement, d’un point de vue géométrique, on parle de maille.A l’équilibre, pour les éléments métalliques il n’y a que trois possibilités. Les mailles sont :- ou cubique à face centrée (C.F.C.),- ou hexagonal compact (H.C.),- ou cubique centrée (C.C.).

2.1.2.2 Agitation thermique, diffusionPrécisons maintenant, ce qui nous servira plus tard, que les atomes ne sont pas fi xes au sein du réseau : ils vibrent, et ceci d’autant plus que la température est élevée. On appelle ça l’agitation thermique. Par exemple, à température ambiante, les atomes de fer vibrent à 1013 hertz, c’est-à-dire qu’ils quittent leur position moyenne pour y revenir un million de fois un milliard de fois par seconde !Cette agitation thermique favorise le déplacement des atomes au sein du réseau cristallin. On parle de diffusion (lors de la diffusion, les atomes cheminent par le biais des lacunes et des dislocations).Cela explique par exemple pourquoi on utilise la chaleur, le traitement thermique, pour bouger les atomes, lorsque l’on veut modifier une structure métallurgique, afin de modifier les propriétés du matériau qu’elle constitue…

Schématisation du comportement élastique.

• Comportement plastiqueLe comportement plastique correspond à une défor-mation qui subsiste dans le matériau (*) alors que la contrainte qui l’a créé a été supprimée (* si l’on exclu toutefois le retour élastique).Cette fois, les atomes se déplacent sur de grandes distances tout en restant liés, la déformation est d’ailleurs observable à l’œil. On explique ce phéno-mène par le mouvement des dislocations ; disloca-tions préexistantes dans le métal, avant déformation plastique, puis qui se créent de plus en plus au fur et à mesure de la déformation.Par le biais des mouvements de dislocation, des couches de matière glissent les unes sur les autres suivant les plans de forte densité atomique ou plans denses, directions où les atomes, au contact, se poussent les uns les autres, de proche en proche,



CONJONCTURE ÉTUDES ET RECHERCHEsous l’effet des contraintes pour générer des défor-mations plastiques.La quantité de déformation plastique totale que peut prendre un matériau, avant rupture (ductile), est appelée allongement pour cent (A %).En terme de contrainte, la quantité d’effort néces-saire, par mm2, pour amener un matériau à rupture, (ductile ou non), est appelé : charge de rupture (Rm en N/mm2).

un grain), la rupture se fait entre les atomes situés sur les plans de faible densité atomique ou plan non dense (là où les atomes ne sont pas en contact) car ce sont les lieux où les liaisons sont les plus faibles, on parle alors de clivage.

contact, sont prompts à se pousser les uns les autres pour générer des déformations plastiques. Dans le même ordre d’idée les structures C.F.C. sont souvent quasiment insensibles à la rupture fragile, car elles contiennent beaucoup de directions de forte densité atomique, ce qui facilite les glissements, et aucun plan de suffi samment faible densité atomique pour permettre les clivages.- Notons aussi l’effet de la température. A basse température les matériaux sont susceptibles de rup-ture fragile, car le peu d’agitation thermique qu’ils présentent, gêne les glissements.Le tableau ci-après permet de résumer le lien qui existe entre structures, températures, et propriétés mécaniques.

Schématisation du comportement plastique.

Toujours en termes de contrainte, la limite pour un matériau donné, entre le comportement élastique pur et le comportement plastique, ou autrement dit l’effort nécessaire par mm2, pour amener un maté-riau à déformation plastique, est appelé : limite d’élasticité (Re en N/mm2).Les valeurs de A % de Re et de Rm sont mises en évidence par l’essai de traction.

Rupture ductile lors d’un essai de traction.

• Comportement fragileParlons maintenant du comportement fragile, un matériau au comportement fragile offre peut de résistance aux chocs, il peut se rompre très facile-ment « comme du verre » et sans déformation plas-tique, même si le choc auquel il est soumis est peu énergétique.Dans ce cas, la rupture se fait de façon nette et brutale. Quand il s’agit de rupture transcristalline ou transgranulaire (nous verrons plus loin ce qu’est

Schématisation de la rupture fragile.

La résistance d’un matériau à la rupture fragile (KV ou KU) se mesure en joule. Cette valeur est mise en évidence lors de l’essai de fl exion par choc.Remarque : lorsque la rupture est purement fragile, c’est-à-dire sans aucune déformation plastique, alors Re et Rm sont confondus.

Parlons maintenant du lien que l’on peut faire entre structures cristallines et propriétés mécaniques.Le comportement mécanique d’un matériau dépend, principalement : de la facilité avec laquelle ses couches d’atomes peuvent glisser ; ou plus exacte-ment de la facilité avec laquelle une contrainte peut déplacer des dislocations jusqu’à créer une déforma-tion plastique.

Eprouvettes rompues après essais de fl exion par choc.

Par exemple :- Les structures hors d’équilibre sont de plus haute limite d’élasticité que les structures d’équilibre, car le grand nombre de perturbations cristallines qu’elles présentent gêne les glissements (ou mouve-ment des dislocations). En effet, les nombreuses dis-locations présentes se gênent entre elles dans leur déplacement, de la même façon qu’un trafi c routier serait perturbé par la présence d’un grand nombre de voitures se déplaçant en même temps…- Les structures C.F.C., plus denses, se plastifient facilement car elles présentent beaucoup de direc-tions de forte densité atomique où les atomes, au

2.1.3 Structure granulaire ou micrographiqueQue voit-on lorsque l’on observe des cristaux métalliques au microscope ?Quand le réseau cristallin d’un métal se construit, la construction du réseau cristallin se fait par germina-tion puis croissance.Par exemple lors d’une solidifi cation, dans le creuset qui contient le métal liquide, la direction que prend la construction de chacun des nombreux germes cristallins qui se forme en début de solidification, s’oriente dans l’espace de façon tout à fait aléatoire. De ce fait chaque germe formé est différemment orienté de ses voisins.Ensuite chaque germe se développe sous la forme d’un cristal, relativement équilibré si la température est suffi sante pour permettre la diffusion.Par contre, en fi n de croissance, les cristaux formés ne peuvent se joindre les uns aux autres que par le biais de réseaux déséquilibrés, qui cherchent à s’adapter aux différences d’orientations des réseaux.Le résultat de ce mode de construction cristalline est un agrégat de réseaux cristallins, relativement équilibrés, et surtout désorientés les uns par rapport aux autres, qui sont liés entre eux par des réseaux cristallins déséquilibrés.Ces réseaux cristallins équilibrés, désorientés les uns par rapport aux autres, sont appelés : grains, les réseaux déséquilibrés qui lient ces grains entre eux sont appelés : joints de grain.




Lorsqu’après préparation métallographique spéciale, on observe la coupe d’un matériau métallique au microscope, les cristaux apparaissent sous la forme de grain et de joint de grain, on parle de structure granulaire ou micrographique.

2.1.3.1 Diversité granulaireComment distingue-t-on les diverses structures granulaires ?On distingue tout d’abord les grains par leur forme.

des formes d’équilibre proche de la sphère, on parle de grains équiaxes.

c’est-à-dire les mêmes dans toutes les directions, alors que les grains basaltiques présentent des pro-priétés anisotropes.Cela étant dit, le plus important est de savoir que c’est surtout la taille des grains qui est prépondérante sur la tenue des alliages en traction et aux chocs.Petch et Hall ont démontré que la limite d’élasticité d’un matériau augmentait quand le diamètre des grains diminuait. Il en va de même pour la résistance au choc.En effet, plus les joints de grains sont nombreux, plus il y a d’obstacles aussi bien aux glissements qu’au passage des clivages…

2.1.3.3 Evolution de la taille des grains, remarque sur l’effet mécanique de l’écrouissage

Comment peut-on faire évoluer la taille des grains ?Nous nous limiterons à présenter trois phénomènes métallurgiques qui agissent sur la taille des grains des alliages métalliques :- la régénération des aciers transformables,- la surchauffe,- l’écrouissage/recristallisation.

• Régénérations des aciers transformablesLe fer et la plupart des aciers (aciers non et faiblement alliés et aciers inoxydables martensitiques notam-ment), sont dits transformables. C’est-à-dire qu’ils changent de structure cristalline avec la température.A température ambiante, ils sont cubiques centrés. Passé, au chauffage une température, appelée A3, ils deviennent totalement cubiques à faces cen-trées, pour redevenir cubiques centrées lorsqu’ils

Schématisation de la germination et de la croissance cristalline d’un matériau métallique.

Forme des grains.

• Grains équiaxesLorsque la croissance des grains se fait de façon quasi uniforme dans toutes les directions, par exemple lors d’un traitement thermique, ils prennent

• Grains basaltiquesLorsque la croissance des grains se fait selon une direction privilégiée, notamment lors d’une solidifi ca-tion, ils prennent des formes allongées, moins équi-librées aux extrémités, et suivent des directions de croissance de type arborescente on parle de construc-tion dendritique. Ces grains sont dits basaltiques.

Grains équiaxes d’acier traité thermiquement.

Grains basaltiques de cuivre moulé.

Dendrites vues au microscope électronique.

• Tailles de grainsOn distingue ensuite les grains selon leur taille.Pour des raisons qui seront expliqués au paragraphe 2.1.3.3. la taille des grains peut être très variable. Cette taille est normalisée suivant un indice de taille de grain. On parle de grain fi n quand l’indice de taille de grain est supérieur à 6. et de gros grains lorsque l’indice de taille de grain est de l’ordre de 2.

2.1.3.2 Structures granulaires et propriétés mécaniques

Quels liens peut-on faire entre structures gra-nulaires et propriétés ?Tout d’abord signalons que les grains équiaxes pré-sentent des propriétés mécaniques quasi isotropes,

Schématisation de la loi de Petch et Hall.

Grains d’acier normalisé.



CONJONCTURE ÉTUDES ET RECHERCHEretournent à température ambiante. A3 se situe aux alentours de 900°C.Cette particularité cristalline s’accompagne d’une particularité granulaire : le changement de structure cristalline s’accompagne d’un affi nement de grains. On parle de phénomène de régénération.Ce phénomène est largement mis à profit par les métallurgistes lors du traitement thermique des aciers transformables ; en effet pour affiner leurs grains, il suffit de chauffer ces aciers juste au-dessus de leur température de transformation, A3, puis de les laisser refroidir à l’air calme. On parle de traitement thermique de normalisation.

• SurchauffeLes structures granulaires présentent des imperfec-tions de réseau aux joints des grains, si bien que lorsqu’un alliage métallique est porté à haute tem-pérature, par exemple quelques dizaines de degrés au-dessous de la température de fusion, l’agitation thermique devient telle que les réseaux cristallins tendent à se réunir entre eux, en prenant les mêmes alignements, et ce en effaçant les imperfections de réseau situées au joint des grains. Le résultat de ce mécanisme cristallin est simple : les grains, se réu-nissant entre eux, deviennent moins nombreux et par conséquent plus gros. Etant donné que les propriétés mécaniques chutent quand la taille des grains aug-mente, les métallurgistes parlent de surchauffe.

On peut affi ner des grains en réchauffant un alliage fortement écroui, juste au-dessus de sa température de recristallisation. Ce principe est notamment uti-lisé lors du laminage contrôlé…Par contre, comme tous les alliages, un alliage écroui, porté à trop haute température verra ses grains grossir (phénomène de surchauffe). Nota : la température de recristallisation des alliages est sensiblement égale à la moitié de leur température de fusion.Remarque sur l’effet mécanique de l’écrouissage : lorsqu’un alliage métallique est écroui, le nombre

2.1.4.1 Diversité macrographiqueQuelles sont les diverses structures macro-graphiques que l’on peut observer ?Macrographiquement, dans les grandes lignes, on distingue :- les produits moulés,- les produits mis en forme par déformations à chaud (laminés, forgés, corroyés…).

• Particularité des produits moulésLes produits moulés, du fait qu’ils séjournent long-temps à haute température, présentent des structures granulaires grossières, parfois visibles à l’œil nu.D’autre part, les produits moulés présentent en majorité des grains de type basaltique. Cette forme découle de l’orientation que prennent les grains des produits moulés lors de leur solidifi cation, soit : début de solidifi cation depuis les bords du creuset, qui refroidissent en premier, et fi n de solidifi cation vers le centre du creuset qui refroidit en dernier.

• Remarque sur la ségrégation des produits moulésLes produits moulés, surtout s’ils sont bruts de fonderie, présentent des hétérogénéités chimiques appelées ségrégations, c’est-à-dire que la compo-sition chimique de ces produits peut varier d’une région à l’autre.On distingue :- à l’échelle macrographique, la ségrégation majeure, - à l’échelle micrographique, la ségrégation mineure, dite intergranulaire,- à l’échelle du cristal, la ségrégation mineure, dite dendritique.

Comment explique-t-on les phénomènes de ségrégation ?Ces ségrégations sont issues de la solidifi cation.Par exemple, dans le cas des aciers, alliage fer-carbone, le premier élément à cristalliser lors de la solidifi cation est l’élément majoritaire, c’est-à-dire le fer. Il en résulte que les éléments minoritaires comme le carbone ou le soufre tendent à rester pié-

• Écrouissage/recristallisation, surchauffeUn alliage déformé à froid est dit écroui.L’écrouissage crée un réseau cristallin déséquilibré, instable, qui cherche à évoluer vers l’état d’équilibre.Si un alliage suffisamment écroui est réchauffé, il recristallise, afi n de retourner vers un état d’équilibre plus stable ; alors, de nouveaux grains se forment.

Cuivre écroui.

Cuivre recristallisé.

Cuivre surchauffé.

important de dislocations qui se crée dans l’alliage, tend à rendre diffi cile les mouvements de glissement, glissements qui sont moteurs des déformations plas-tiques. Pratiquement, le résultat est que l’écrouissage à pour effet mécanique d’augmenter la limite d’élasti-cité et la charge de rupture des alliages, et qu’inverse-ment, la recristallisation annihile cet effet.

2.1.4 Structure macrographique, remarque sur la ségrégation

Lorsqu’après préparation métallographique spéciale, on observe à l’œil nu, la coupe d’un matériau métal-lique, on parle d’examen macrographique ou macro-structural.

gés dans les régions liquides qui se solidifient en dernier, si bien que l’alliage présente, aux échelles macrographique, micrographique et cristalline, des régions ségrégées en carbone et en soufre.

Produit moulé.




Produit déformé à chaud.

Construction navale en acier.

Effet du carbone sur la résistance du fer (ordre de grandeur).

• Produits déformés à chaudLes produits déformés à chaud ont pour origine des produits moulés. C’est notamment le cas des pro-duits laminés, forgés ou corroyés.Lors de cette déformation les grains tendent à s’affi ner, par le biais de phénomènes d’auto-écrouissage recris-tallisation, et les régions ségrégées tendent à s’apla-tir et à s’aligner suivant le sens des déformations.Ces ségrégations allongées apparaissent lors de l’examen métallographique sous forme de lignes, on parle de fi brage.

3.2 PRÉSENTATION DES DIFFÉRENTS EFFETS

3.2.1 PréliminaireComme déjà évoqué, à l’échelle de la structure cristalline, lorsqu’on essaie de déformer un métal en lui appliquant une contrainte (par exemple une contrainte de traction : σT = effort F / section S), les atomes du réseau cristallin de ce métal résistent à la contrainte, qui tend à les désolidariser, grâce aux forces de liaisons qui les maintiennent associés.Bien que, sous l’effet de la traction, les atomes s’écartent légèrement les uns des autres, la seule déformation qui se crée est alors élastique (voir fi gure page suivante) :

σT < Re = limite d’élasticité du matériau.Par contre, si la contrainte de traction s’amplifie suffi samment, jusqu’à atteindre Re (effort minimal par mm2 à dépasser pour déformer plastiquement un matériau, le matériau ne se limite plus à un comportement élastique), alors les atomes, tout en restant liés, se déplacent sur de plus grandes dis-tances, les plans d’atomes les plus denses glissent les uns sur les autres par le biais des mouvements de dislocation ; il y a déformation plastique. Cette déformation plastique peut aller jusqu’à la rupture si la contrainte est amplifi ée suffi samment, jusqu’à ce qu’elle atteigne Rm (effort minimal par mm2 pour rompre un matériau).

3.2.2 L’effet de solutéPour ce qui est de l’effet de soluté, « ou effet de mélange », lorsque un ou plusieurs éléments d’al-liage sont intimement mélangés au réseau cristallin d’un élément de base, ils tendent à gêner le dépla-cement des atomes du réseau mis sous contrainte. Par analogie, cette gêne agit un peu de la même façon que du sable gênerait le mouvement d’un sys-tème d’engrenages bien huilés.

Pièce d’acier forgé.

2.1.4.2 Structures macrographiques et propriétés mécaniques

Quels liens peut-on faire entre structures macrographiques et propriétés ?Les produits moulés, tendent à présenter des pro-priétés anisotropes, les propriétés varient selon l’orientation des contraintes par rapport à l’orienta-tion des grains.L’état de surchauffe naturel que présente les produits moulés, lorsque leurs grains n’ont pas été affi nés par un traitement thermique ultérieur, tend à les rendre moins résistants mécaniquement.Les sites de ségrégation, et notamment les sites de ségrégation majeure s’il n’y a pas eu par exemple démasselotage, sont des lieux où la fragilité des alliages moulés est accrue (notamment par le biais des concentrations d’impuretés que ces régions pré-sentent).Les produits déformés à chaud présentent des pro-priétés anisotropes, ils sont d’autant moins résis-tants que les contraintes appliquées génèrent des efforts de traction perpendiculaires aux fi bres.L’affi nement des grains dont bénéfi cient les produits déformés à chaud lors de leur fabrication (phéno-mènes d’auto-écrouissage recristallisation), tend à les rendre plus résistants mécaniquement.

3. RÔLES OU EFFETS DES ÉLÉMENTS D’ALLIAGE

3.1 INTRODUCTION

Industriellement, il est très rare qu’un métal soit utilisé pur. Dans la plupart des cas, des éléments sont mélangés à l’élément métallique de base pour former un alliage. Citons notamment le cas du fer qui additionné en très faible quantité de carbone et d’autres éléments se transforme en acier…

3.1.1 Pour quelles raisons mélange-t-on des éléments d’alliage à un métal ?

On ajoute essentiellement un ou plusieurs éléments d’alliage a un élément de base dans le but d’amé-liorer ses propriétés physiques, et le plus souvent (entre autres propriétés visées comme la résistance à la corrosion, la dilatation…), dans l’intention d’augmenter ses propriétés mécaniques de résis-tance en traction.Prenons l’exemple du fer, le simple fait de le mélan-ger à 0,1 % de carbone (soit d’ajouter 0,1 gr de car-bone à 99,9 gr de fer), permet quasiment de doubler ses résistances à la déformation plastique (Re) et à la rupture (Rm) sous effort de traction !A titre d’exemple, le tableau comparatif ci-après montre l’effet de certains éléments d’alliage (ou d’addition), quand on les allie au fer, sur la résis-tance en traction de ce dernier.

3.1.2 Pourquoi un métal voit-il sa résistance à la traction augmenter quand il est allié ?

Nous nous limiterons à présenter trois effets métal-lurgiques et mécaniques qui agissent en ce sens :- l’effet de soluté,- l’effet des précipités,- l’effet trempant.


CONJONCTURE ÉTUDES ET RECHERCHE


En conséquence, si l’on veut obtenir la déformation plastique de ce cristal, maintenant allié, il faut alors appliquer des efforts nécessairement plus grands : le ou les éléments d’alliages, rajoutés, ont augmenté la limite d’élasticité et la résistance à la rupture de l’élément de base par le biais de l’effet de soluté (voir fi gure ci-après).

Revenons à l’effet des précipités, quand on rajoute des éléments d’alliages qui forment des précipités avec l’élément de base, à l’endroit où ces précipités se forment les atomes du réseau cristallin principal sont « bloqués » (cette fois-ci, pour reprendre l’ana-logie mécanique, c’est un peu comme si certaines dents des engrenages, que l’on cherche à mouvoir, étaient soudées).En première conséquence, les mouvements de dis-location et la déformation plastique qui en découle deviennent alors très diffi ciles à mettre en place.En deuxième conséquence, les efforts à appliquer pour obtenir la déformation plastique du cristal (maintenant allié à des éléments qui forment des précipités), doivent devenir nécessairement plus grands : le ou les éléments d’alliages, rajoutés, ont augmenté la résistance à la traction (Re et Rm) de l’élément de base par le biais de l’effet des préci-pités.

3.2.4 L’effet trempantComme cela a déjà été évoqué précédemment, pour certains alliages, et notamment en ce qui concerne l’acier, il est possible d’obtenir un réseau cristallin à l’état hors équilibre en refroidissant rapidement l’alliage qui le constitue après l’avoir chauffé (par exemple en le trempant dans l’eau après l’avoir chauffé au four).On appelle cela l’effet de trempe et l’on dit que l’al-liage est à l’état trempé.Or à l’état trempé le réseau cristallin obtenu com-prend de nombreuses imperfections : dislocations ou défauts d’empilement, qui « distordent » le cristal, (état comparable à l’écrouissage), et dans cet état, ce réseau disloqué devient beaucoup plus diffi cile à déformer plastiquement ; il présente alors une limite d’élasticité (Re), voire une résistance à la rupture (Rm), plus élevées (pour en terminer avec l’analogie mécanique, cette fois-ci les dents des engrenages seraient tordues, voir fi gures ci-après).Hé bien pour en revenir à l’effet trempant, plus un élément de base contiendra d’éléments d’alliage, plus l’alliage créé sera propice à former un réseau

déséquilibré au refroidissement. Autrement dit, plus il sera propice à voir ses propriétés de résistance à la traction augmenter par effet de trempe : en rajou-tant des éléments d’alliage on facilite la trempe, c’est l’effet trempant, et ainsi, on facilite l’augmen-tation de propriétés mécaniques qui en découlent, c’est l’effet de trempe… A titre d’exemple, alors que le fer pur, même refroidi très rapidement, est incapable de se déséquilibrer par trempe, il devient trempant, c’est-à-dire capable de former un réseau hors équilibre si on le refroidi rapidement après l’avoir chauffé, dès qu’il est allié à un peu de carbone et de manganèse… Le réseau déséquilibré par trempe qui correspond aux aciers est appelé « martensite »

Schématisation du comportement élasto-plastique jusqu’à rupture.

Schématisation de l’effet des précipités sur le comportement élasto-plastique des alliages.

Schématisation de l’effet trempant et de l’effet de trempe sur le comportement élasto-plastique des alliages.

Schématisation de l’effet de soluté sur le comportement élasto-plastique des alliages.

3.2.3 L’effet des précipitésDans certains cas (pour certaines proportions), et notamment, lorsqu'ils ont des affinités chimiques avec l’élément de base, le ou les éléments d’al-liages rajoutés font plus que se mélanger inti-mement avec l’élément principal, ils forment par endroit, avec l’élément de base, des petites par-ticules que l’on appelle des précipités (voir figure ci-après).Quand il s’agit d’affi nité chimique, il est important de préciser que les précipités formés sont très durs. Ils sont très durs parce que les atomes qui les constituent sont associés entre eux par des liaisons chimiques très fortes. On peut notamment citer les précipités de carbure métallique, comme le carbure de fer, de formule chimique Fe3C, ou le carbure de tungstène, de formule chimique WC.A titre d’exemple, le carbure de fer, Fe3C, est 20 fois plus dur que le fer pur…

Remarques1. Les éléments rajoutés facilitent la trempe des métaux, en gênant le mouvement des atomes, la dif-fusion, qui permet l’état d’équilibre, pour les aciers on se réfère souvent au carbone équivalent, CEQIIS = %C+(%Mn/6)+(%Cr+Mo+V)/5+(%Cu+Ni)/15 ; plus ce pourcentage est élevé, plus il est facile de faire une structure de trempe, la martensite, avec un acier.2. Dans le cas des alliages trempés, l’augmentation de la résistance à la traction est souvent accom-pagnée d’une notable diminution de la capacité de déformation plastique (A %).

4. CONCLUSION RÉSUMÉE

4.1 RÔLE DE LA MÉTALLURGIE ET DE LA MÉTALLURGIE DU SOUDAGE

Le rôle principal de la métallurgie est de savoir comment « façonner, ou faire évoluer » la structure métallurgique d’un matériau métallique, et ce dans le but de maîtriser ses propriétés, propriétés qui découlent des structures.




Lors d’une opération de soudage, tout est remis en question.Le rôle principal de la métallurgie du soudage est de connaître la façon dont évolue la structure métallurgique d’un matériau au soudage, dans lebut évident de maîtriser les propriétés d’une sou-dure.En métallurgie du soudage on étudie :- le métal de base,- l’aspect thermique,- la ZAT,- la ZF,- la ZL.

4.2 FONCTIONNEMENT MÉTALLURGIQUE GÉNÉRAL D’UN MÉTAL DE BASE

La structure métallurgique (donc les propriétés), des matériaux évolue principalement avec :- la composition chimique,- le traitement thermique (voire thermo-mécanique),- la mise en forme.

4.3 LES DIFFÉRENTS TYPES DE STRUCTURES

En métallurgie on distingue les structures :- macrographique,- micrographique,- cristalline.

On distingue les structures cristallines selon : leur niveau d’équilibre et le type de maille qu’elles pré-sentent.Au microscope optique les cristaux apparaissent sous forme de grain ; on distingue les structures gra-nulaires selon leur taille et leur forme.Macrographiquement on distingue les produits moulés, en général ségrégés et à gros grains basal-tiques, et les produits déformés à chaud, fi brés et à grains plus fi n.

4.4 STRUCTURES ET PROPRIÉTÉS

Les structures hors équilibres (par exemple écrouies) et/ou C.C. (par exemple le fer ou le chrome) : - sont plus dures,- tendent à présenter de bonne résistance à la trac-tion,- sont à tendance fragile,et ce d’autant plus que la température est basse.Les structures d’équilibres (cas des alliages recuits), et/ou C.F.C. (cas par exemple du nickel et de l’alu-minium), et/ou H.C. (par exemple le titane ou le zir-conium) :- sont plus douces,- tendent à présenter de bonne résistance au choc,- tendent à présenter de plus faible résistance à la traction.et ce d’autant plus que la température est élevée. Dans la plupart des cas : plus les grains sont fins (alliages écrouis et recristallisés ou aciers transfor-

mables régénérés), meilleures sont les propriétés mécaniques.Les propriétés des structures macrographiques dépendent :- des effets de ségrégation,- de l’effet du fi brage,- de la taille des grains.

4.5 RÔLES OU EFFETS DES ÉLÉMENTS D’ALLIAGE

On ajoute des éléments d’alliage aux métaux pour augmenter leurs performances mécaniques et notamment leur niveau de résistance en traction.Trois effets, métallurgiques et mécaniques, agissent en ce sens (en gênant les mouvements de disloca-tion qui facilitent la déformation plastique) :- l’effet de soluté,- et l’effet des précipités,ces effets agissent directement,- l’effet trempant,cet effet permet l’effet de trempe : déséquilibrer un alliage en le refroidissant rapidement après chauf-fage.

Mots clefs : métallurgie, structure, propriétés, com-position chimique, traitement, mise en forme, soudage, cristal, grain, structure macrographique, ségrégation, fi brage, éléments d’alliage, gêne des mouvements de dislocation, résistance à la traction, effet de soluté, effet des précipités, effet trempant, effet de trempe.

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Introduction à la métallurgie et à la métallurgie du soudage

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