Prédiction des distorsions dans le cas du soudage TIG de l'acier 17-4 PH : élaboration d'un modèle avec prise en compte des phénomènes de durcissement par précipitation

Distortion prediction during tig welding of 17-4 Ph stainless steel : a model that takes in to account precipitation hardening phenomena

• Auteur / Autrice : Israël Zavala Quiñones
• Direction : Guy Saindrenan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Lorient

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Soudage à l'arc TIG

Acier

Mots clés libres

Durcissement par précipitation

Prédiction de distorsion

Paramètre d'équivalence temps-température

Coefficient de dilatation

Maintiens isothermes courts

Résumé

Un modèle décrivant les effets thermiques, métallurgiques et mécaniques du soudage est développé pour l'acier 17-4PH (acier X5CrNiCu17-4 inoxydable martensitique à durcissement par précipitation) à l'état trempé T1. L'objectif est de pouvoir prédire avec ce modèle les distorsions dans un assemblage soudé. Les transformations de phases prises en compte dans le modèle métallurgique sont : les phénomènes de précipitation / coalescence des composés riches en cuivre, l'austénitisation au chauffage et la transformation martensitique au refroidissement. Une série d'expériences de maintiens isothermes courts a été réalisée sur des échantillons de l'acier à l'état trempé T1. En reliant la dureté à l'état de précipitation, ces expériences ont permis la prise en compte, à l'aide d'un paramètre d'équivalence temps-température et au travers d'une approche additive de type Johnson-Mehl-Avrami, des phénomènes de précipitation/coalescence. Le comportement mécanique des différentes phases du matériau est décrit par deux modèles, Elasto-Plastique et Elasto-Visco-Plastique. Par ailleurs une exploitation fine d'essais dilatométriques a permis de déterminer les coefficients de dilatation thermique de chacune des phases du modèle. En outre, la plasticité de transformation lors des réactions austéno-martensitique a été mise en évidence sur des essais dilatométriques sous contrainte. Ces modèles sont implémentés dans le code aux éléments finis Sysweld avec lequel des simulations numériques en 3D et grandes déformations ont pu être réalisées. Les résultats des calculs sont comparés aux résultats expérimentaux issus de tests spécifiques de soudage pratiqués sur des tôles instrumentées. Nous avons pu ainsi vérifier que dans le cas de l'acier 17-4PH une modélisation fine des phénomènes métallurgiques et leur prise en compte dans l'analyse mécanique s'imposait pour une prédiction pertinente des distorsions lors du soudage.

The aim of this thesis is the prediction of distortions in welded assemblies. Therefore, a thermo-mechanical and metallurgical model, describing the effects of welding for the 17-4PH steel (X5CrNiCu17-4 martensitic precipitation hardening stainless steel) at the T1 condition has been developed. This model takes into account the following metallurgical transformations: the precipitation hardening/coalescence phenomena, the austenitic transformation during heating and the martensitic transformation during cooling. A set of short isothermals experiences at different temperature, were made on T1 condition samples to linking up the hardness to the precipitation state. The experiences allowed, by an additive approach, to taken it into account the precipitation/coalescence phenomena, using an equivalence times-temperature parameter, set it in a Johnson-Mehl-Avrami form. The mechanical behaviour of all different phases is described by two models, elasto-plastic and Elasto-Visco-Plastic. Besides, a refined exploitation of dilatometric essays allowed the determination of different expansion coefficients for each phases. In addition, the transformation induced plasticity during phase transformation was measured by dilatometric constrained essays. The models are implemented in the fined elements code Sysweld, which allows a 3D numerical simulation, and the results confronted to the experimental from an instrumented welding test. We were able to verify that in the case of the steel 17-4PH a refined metallurgical model that takes in to account precipitation phenomena needs to be used, to get a pertinent distortion prediction during welding.