Microfissuration de matériaux soudés en condition de fatigue multiaxiale

par Manon Abecassis

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Vincent Maurel.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , Comportement des matériaux à haute température (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    Le soudage est un des procédés d'assemblage les plus utilisés industriellement dès lors qu'il faut réaliser une pièce avec deux matériaux différents ou de géométrie complexe. Le soudage modifie localement la microstructure par rapport à celle du métal de base (MB), en générant une zone fondue (ZF) ainsi qu'une zone de transition entre le MB et la ZF dite Zone Affectée Thermiquement (ZAT). Le cordon de soudure est souvent le lieu privilégié d'amorçage et de propagation de fissures pouvant conduire à la rupture des pièces. Il est établi que la microstructure du joint soudé a un impact sur le chemin de fissuration lors d'une fissuration par fatigue. La fissure peut être rectiligne ou présenter des bifurcations. Une conséquence directe entre l'interaction de la fissure de fatigue avec la microstructure est que les vitesses de fissuration observées dans le MB et dans le joint soudé sont différentes dans la région seuil mais similaires dans le régime de Paris. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre le phénomène de propagation de fissure dans des joints soudés pour des sollicitations multiaxiales sur un acier ferritique inoxydable F18TNb, pour lequel on s'intéressera notamment à l'influence du gradient de microstructure entre cordon de soudure et métal de base. Les essais de fissuration ont été réalisés sur une machine servo-hydraulique en imposant un chargement sinusoïdal d'amplitude constante avec un ratio Rσ=0,1 sur des éprouvettes plates entaillées au centre (CCT). Plusieurs configurations ont été testées : des éprouvettes avec ou sans soudure entaillées perpendiculairement à l'axe de sollicitation, et une éprouvette avec une entaille orientée de 60° par rapport à l'axe de sollicitation. Les entailles sont parallèles aux joints soudés. Lors des essais, la longueur de la fissure est mesurée par la méthode du potentiel électrique, calibrée par méthode optique à l'aide d'un microscope numérique. La vitesse de propagation da/dN est calculée à partir de l'accroissement ∆a de la fissure sur une séquence de Ni cycles. Les résultats montrent que les vitesses de propagation de fissure sont similaires entre métal de base et zone soudée dans le régime de Paris mais différentes dans la région proche du seuil de fissuration. Dans la région proche du seuil, la vitesse de fissuration dans le joint soudé oscille, dû à des bifurcations locales de la fissure. En effet, comme montré sur la figure 1, les fissures dans le joint soudé et non soudé ont des morphologies différentes : rectiligne dans le métal de base et présentant de multiples bifurcations locales dans les joints soudés. De plus, pour ces dernières, la fissuration est majoritairement transgranulaire comme l'illustrent les figures de pole. Ainsi, même si les propriétés en fatigue d'un joint soudé et d'un métal de base sont ici similaires, le chemin de fissuration dépend fortement de la microstructure de ces deux zones où les grains sont différents en taille et en morphologie.

  • Titre traduit

    micro-crack growth for welded parts subjected to multiaxial fatigue loading


  • Résumé

    Welding is well known to modify locally the microstructure as compared to the base metal. The welded joint consists of the base metal, the fusion zone separated by a transition area from the base metal, and the heat affected zone. These different zones have different mechanical properties. Crack initiation during fatigue tests is likely to be localized in welded joint and can lead to failure. Therefore, the analysis of the mechanisms governing the crack growth in the welding zone allows improving the service lifetime of a piece. The purpose of this study was to analyze the effect of the gradient of grain structure on the crack path and fatigue crack growth rate (FCGR) in the welded joint. The base material used was a K41X ferritic stainless steel, welded using a Metal Inert Gas method. The welding microstructure consisted of the fusion zone with columnar grains (100-200 µm), the base metal with equiaxed grains (20-30 µm), and heat affected zone. The experiment consisted in a crack propagation test using an uniaxial fatigue device with cyclic stress using small scale yielding condition for both base and welded material. Center crack tension (CCT) specimens were used with small stress intensity factor ∆K ranging. For welded specimens, the notch was centered within the welded joint. Two configurations of specimen geometry were tested. Firstly, the notch was orthogonal to the loading direction for base metal and welded specimens, with the welding orthogonal to the loading direction. Secondly, the welded joint and the notch were tilted with a 30° angle to the loading direction. Thus, these configurations allowed testing the influence of the welding joint orientation with respect to the loading direction using the crack growth measurement by both in situ optical microscopy (direct observation of crack extension on the specimen surface) and potential drop method. The results showed a variation in crack growth rate as a function of the grain microstructure and of the mode mixity. For base metal, the crack path was rather straight and orthogonal to the loading direction, with inter- and transgranular character and with a global deflection at the end of the test when the plasticity arose. On the other hand, for welded specimens, the crack path was tortuous with some local deflections and with a mostly transgranular character. Moreover, for large ∆K in the case of welded specimens, 3D profilometry showed a greater density of slip bands interacting with the crack tip as compared to the base metal. Role of grain microstructure was finally discussed on the basis of finite element analysis of the crack bifurcation