Analyse de zones affectées simulées

On a vu au paragraphe précédent que les fissures en relaxation se développent à quelques millimètres de la soudure, dans les zones affectées par le soudage. Deux facteurs principaux déterminent la localisation de ces fissures : D’une part, le champ des contraintes résiduelles et, d’autre part, la résistance des zones affectées. Afin de décorréler ces deux facteurs, on désire tester la tenue mécanique des zones affectées et la comparer à celle du métal de base. On a alors le choix entre tester de véritables zones affectées ou bien reproduire la microstructure de ces zones et de tester par conséquent la tenue mécanique de ces zones affectées « simulées ». Tester de véritables zones affectées imposait de réaliser des essais mécaniques sur des éprouvettes de petite taille car les zones affectées réelles ne mesurent que quelques millimètres. De plus, il aurait fallu réaliser un grand nombre d’essais afin de tenir compte de l’hétérogénéité de ces zones. Nous avons donc préféré simuler des zones affectées par un traitement thermo-mécanique qui permet d’obtenir, en grande quantité, un matériau homogène représentatif des zones affectées réelles. L’inconvénient de cette méthode, outre le fait qu’elle impose de s’assurer de la représentativité des zones affectées simulées, est qu’elle ne permet pas de rendre compte de la diversité des microstructures des zones affectées réelles. Son avantage réside dans le fait que l’on contrôle précisément le traitement de simulation et que l’on peut donc assurer une bonne reproductibilité.

Traitement thermo-mécanique de simulation

Pour les applications industrielles qui nous concernent, les aciers inoxydables sont soudés à l’état hypertrempé. Or l’acier 316H dont nous disposons a été vieilli en service. Avant de procéder au traitement de simulation de soudage, nous avons donc effectué un traitement d’hypertrempe d’une heure à 1170°C sur cet acier. Afin d’homogénéiser la microstructure de l’acier 316L(N), nous avons également hypertrempé cet acier une demi-heure à 1170°C. Pour ces deux traitements d’hypertrempe la vitesse de refroidissement obtenue sous argon pulsé est de l’ordre de 200°C/min. Ces matériaux à l’état hypertrempé serviront de matériaux de référence lors des essais mécaniques que nous rapporterons dans la partie suivante. Contrairement aux cas des aciers stabilisés décrits par Chabaud-Reytier (1999) et par Younger et Baker (1960) dans lesquels les fissures de relaxation se développent au voisinage immédiat de la ligne de fusion, les fissures de relaxation que nous avons pu observer sur l’acier 316H sont situées à quelques millimètres de la zone fondue. Dans cette partie de la zone affectée, la dureté est supérieure à 200 HV30 (Figure 62, page 80) à cause de l’écrouissage subi par le matériau pendant les cycles de soudage. Comme on l’a vu au paragraphe précédent, la température maximale connue lors du soudage à l’endroit le plus écroui de la zone affectée est de l’ordre de 650°C. A cet endroit, la déformation plastique s’accumule donc passe après passe entre la température ambiante et 650°C environ.

Pour reproduire la microstructure de la partie de la zone affectée correspondant au maximum d’écrouissage, on a donc choisi de déformer le matériau par laminage à température intermédaire. Ce procédé ne reproduit pas le caractère cyclique de la déformation rencontrée dans les zones affectées réelles, mais il permet de traiter rapidement une grande quantité de matériau. La taille des coupons que nous avons laminés a été déterminée en fonction de la dimension du four situé à côté du laminoir (95×300 mm), leur épaisseur avant laminage est de 25 mm pour les aciers 316H et 316 L(N), et de 15 mm pour l’acier 316L. La direction de laminage des coupons d’acier 316L(N) coïncide avec la direction de laminage de la tôle initiale (voir plans SRMA 464-04 et 464-05). La longueur et la largeur des coupons en acier 316H correspondent respectivement aux directions axiale et radiale du tube. La direction de La procédure de laminage est la suivante : après avoir fait chauffer le four à 600°C, on enfourne le coupon et on attend 1h45, on règle la distance entre rouleaux, on fait passer le coupon entre les rouleaux une fois dans un sens, une fois dans le sens opposé (l’autre extrémité en avant et la face qui était au-dessus en dessous), on mesure l’épaisseur du coupon, on remet le coupon dans le four et on recommence 1h45 après : réglage de la distance entre rouleaux, etc. On réussit à obtenir l’épaisseur voulue en trois fois deux passes, puis on trempe le coupon à l’eau. La température mesurée en peau du coupon après deux passes de laminage est de 400°C environ. Le retrait du laminoir est de l’ordre de 0.5mm. Le taux de réduction d’épaisseur imposé lors du laminage a été choisi de telle sorte que la dureté du matériau laminé corresponde au maximum de dureté observé dans les zones affectées réelles, soit environ 230 HV30. L’étude bibliographique indiquait en effet qu’une dureté élevée augmentait les risques de fissuration en relaxation. Le Tableau 16 récapitule les taux de réduction d’épaisseur obtenus pour les différents coupons.