Fissuration par fatigue

Fissuration par fatigue

Zones constitutives d’un joint soudé

Afin d’obtenir un joint soudé, en faisant fondre le métal de base des deux composants à relier avec ou sans métal d’apport. Dans la macrographie d’une section transversale d’un joint soudé on distingue cinq zones:
La zone de fusion (ZF) mélangé : la zone où de métal d’apport et le métal de base sont mélangés de façon homogène (Bain de fusion) sous une température élevée adaptée dit température de liquidus.
La zone affectée thermiquement (ZAT) : ou zone affectée par la chaleur est la zone de métal de base où ses propriétés mécaniques et microstructures sont modifiées par la chaleur du soudage.
La zone fondue partiellement (ZFP) : elle est nommée aussi par la zone de liaison, elle se situe entre la zone de fusion et la zone affectée thermiquement.
La racine : endroit jusqu’où le métal d’apport a pénétré.
Le Face ou surépaisseur : surface extérieure de la soudure

PRINCIPAUX DEFAUTS DES SOUDURES

Défauts des cavités

Ce sont des défauts volumiques, elles comprennent :
Défauts des soufflures:
Les soufflures sont des défauts fréquents en soudage généralement sphériques, formés par des bulles de gaz enfermées dans le cordon de soudure .si elles sont visibles en surface (débouchantes) on parle donc des piqûres et si elles sont allongées, on parle donc, à des soufflures vermiculaires .
Les causes de soufflures peuvent être dues à des courants d’air, un manque de gaz de protection, ou des impuretés dans le joint à souder. Les piqûres sont généralement causées par le contact entre l’électrode et le métal de base.
Défauts des retassures:
Les retassures sont des défauts sous forme des espaces vides qui apparaissent suite d’un retrait du métal lors de son refroidissement .ce sont des défauts non visibles qu’avec un microscope.
Défauts des inclusions:
Les inclusions désignent l’incorporation dans le cordon de soudure, d’un composé étranger, il existe plusieurs types d’inclusions:
– Inclusion solide : Corps solide étranger emprisonné dans la masse de métal fondu talque la poussière.
– Inclusion de laitier : Les inclusions de laitier peuvent être alignées, isolées ou distribuées de façon aléatoire.
– Inclusion métallique : Particule de métal étranger emprisonnée dans la masse du métal fondu (souvent lors du soudage TIG)

Les fissures

Les fissures sont connues comme des discontinuités discontinuité brutale dans un matériau ; ce sont les plus fréquents défauts dans la soudure. Elles peuvent se produire dans plusieurs endroits (dans le métal fondu, la ZAT, et le métal de base) quand les contraintes localisées dépassent la résistance mécanique maximum du matériau. Les fissures sont divisées en deux catégories selon leur Orientation :
– Les fissures longitudinales (parallèle à l’axe de la soudure): sont souvent le résultat des taux de refroidissement et de contraintes résiduelles élevées dans les soudures de fortes sections.
– Les fissures transversales (perpendiculaires à l’axe de la soudure) : sont généralement le résultat des contraintes de retrait longitudinal agissant sur le métal fondu de faible ductilité

Défaut de manque de fusion

Les manques de fusion ou collages sont des manques ou absence de contact entre le métal fondu et le métal de base, ces manques conduisent à des mauvaises continuités métallurgiques entre les métaux à assembler ce qui diminue la section efficace de la soudure. Les Types de manque de fusion sont :
– Manque de fusion des bords à souder.
– Manque de fusion entre les passes.
– Manque de fusion à la racine.
Ces défauts sont fréquents en soudage MAG et surviennent généralement quand l’angle du chanfrein est trop étroit ; le courant de soudage est trop faible ou si la vitesse est trop grande donc il faut mettre en œuvre un DMOS adapté.

Défauts de pénétration

Les défauts de pénétration peuvent être des manques ou des excès de pénétration. L’excès de pénétration est un surplus du métal d’apport soit à la racine ou à la surface du cordon de soudure par contre le manque de pénétration est l’insuffisance du métal d’apport au-dessus ou au-dessous de cordon de soudure .Les principaux causes de ce type des défauts sont classé pour le manque et l’excès respectivement :
– Vitesse petite de soudage /trop grande.
– Apport calorifique forte/ trop faible.
– Distance électrode courte /pièce trop large.
La méthode d’inspection est le contrôle visuel après l’adaptation des paramètres de soudage et éventuellement le contrôle radiographie si la racine est inaccessible (soudures de tuyauteries).

NOTIONS DE MECANIQUE DE LA RUPTURE

La mécanique de la rupture couvrant un domaine extrêmement vaste, elle est connue depuis le XIXe siècle. Ce phénomène a été observé pour la première fois en 1829 par Alber dans les ruptures de convoyeurs de charbon. Le développement des industries aéronautiques, spatiales, nucléaire, transport de gaz et pétrole durant le XXe siècle, a contribué à l’étude et la compréhension du phénomène de rupture par fatigue et principalement à l’étude de la propagation des fissures dans des structures complexes aux différents stades d’évolution de l’endommagement.
Elle a des objectifs doubles, d’une part elle concerne la description des champs mécaniques au voisinage de la pointe de la fissure et les énergies qui leur associées et d’autre part, elle traite l’évaluation de la nocivité d’une fissure terme de propagation.

Types de la rupture

La réalisation d’une déformation plastique de plus en plus importante conduit à la rupture du métal, rupture qui peut prendre plusieurs aspects dépendant du mécanisme mis en jeu. C’est ainsi que l’on distingue :
– la rupture ductile : Le matériau plastifie et rompt progressivement à cause de l’amorçage sur des particules présentes dans le métal (cavités, précipités, inclusions), elle nécessite une forte énergie de la rupture et la déformation sera plastique irréversible.
– la rupture fragile : Au contraire de la précédente, est une rupture brusque précédée pratiquement sans déformations plastiques .La fragilité d’un matériau est influencée par la température et la vitesse de chargement.
– les ruptures « à temps » dues à des phénomènes complexes dont le développement fait que la rupture n’intervient qu’après une durée de service qui peut être très importante (des semaines, des mois ou même des années), elle regroupe la rupture par fatigue, la rupture par fluage et la rupture par corrosion.

ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE

Le terme « fatigue » est utilisé pour décrire l’endommagement par la réduction de la résistance à la rupture d’un matériau après une longue période des déformations et des contraintes cycliques .La fatigue est définit comme une forme de défaillance qui se produit dans les structures (les ponts, les aéronefs, les pièces mécaniques …) subissant des contraintes dynamiques et variables .Elle est susceptible de se manifester même lorsque la contrainte est nettement inférieure à la résistance à la traction ou à la limite conventionnelle d’élasticité dans le cas d’une charge statique.
Les essais les plus simples consistent à imposer à des séries d’éprouvettes (cylindriques ou rectangulaires) des cycles d’efforts périodiques sinusoïdaux soit par charge axiale soit par flexion rotative .Donc l’essais de fatigue caractérise une alternance de tension et de compression répétés au cours de temps et se termine par la rupture de l’éprouvette.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : Notion générales sur le soudage
I . Introduction
II . Paramètres du soudage
II.1 Notion soudabilité
II.2 Zone constitutives d’un joint soudé
II.3 Types des assemblages soudés
II.3.1 Assemblage bout-à-bout
II.3.2 Assemblage en coin
II.3.3 Assemblage à bords relevés
II.3.4 Assemblage par recouvrement
III . procédés de soudage 
III.1 Procédés faisant intervenir la fusion locale sans action mécanique
III.1.1 Soudage à la flamme
III.1.2 Soudage à l’arc
a. Soudage à l’arc avec électrode enrobé
b. Soudage avec électrode réfractaire TIG
c. Soudage semi-automatique sous protection gazeuse MIG/MAG
d. Soudage plasma
e. Soudage verticale sous laitier
III.1.3 Soudage aluminothermique
III.1.3 Soudage par faisceau à haut densité d’énergie
a. Soudage par faisceau d’électrons
b. Soudage par faisceau Laser
III.2 Procédés faisant intervenir la fusion locale avec action mécanique
III.2.1 Soudage par point
III.2.2 Soudage à la molette
III.2.3 Soudage par bossages
III.2.4 Soudage en bout par étincelage
III.3 Procédés faisant intervenir un chauffage sans fusion avec action mécanique
III.3.1 Soudage par diffusion
III.3.2 Soudage par friction
III.4 Procédés faisant intervenir une action mécanique sans chauffage
III.4.1 Soudage par ultrasons
III.4.1 Soudage par explosion
IV. Principaux défauts des soudures
IV. Défauts des cavités
IV.1.1 Défauts des soufflures
IV.1.2 Défauts des retassures
IV.1.3 Défauts des inclusions
IV.2 Les fissures
IV.3 Morsures et les Caniveaux
IV.4 La Pollution ferreuse
IV.5 Défaut de manque de fusion
IV.6 Défauts de pénétration
IV.7 Défauts de géométries des cordons
IV.7.1 Défaut d’alignement
IV.7.2 Défauts angulaires
IV.8 Défauts des projections
CHAPITRE II :Fissuration par fatigue
I. Introduction
II. Notions de mécanique de la rupture
II.1 Types de la rupture
II.2 Modes de la rupture
II.3 Facteur d’intensité des contraintes
III. Endommagement par fatigue
III.1 Courbe de Wöhler
III.2 Notions des contraintes cycliques
III.3 Mécanisme de propagation des fissures
III.3.1 Amorçage d’une fissures de fatigue
III.3.2 Propagation d’une fissure de fatigue
III.4 Modèles de propagation d’un fissure de fatigue
CHAPITER III :Etude de la fissuration par fatigue & Résultats et discussion
I. Introduction
II. Présentation de code de calcule eFatigue
II.1 Facteur d’intensité de contraintes
II.2 Analyse de l’évolution de la fissure à amplitude constant
II.3 Modèle de PARIS
III. Caractéristique mécanique et propriétés des matériaux
III.1 Matériaux d’étude
III.2 Géométries des éprouvettes
III.3 Paramètres de chargement
IV. Résultats et discussion
IV.1 Soudure bout-à-bout
IV.1.1 Effet du rapport de charge sur le comportement en fatigue de l’acier A316
IV.1.2 Effet du rapport de charge sur le comportement en fatigue de l’acier A542
IV.1.3 Effet du rapport de charge sur le comportement en fatigue de l’acier A517
IV.1.4 Etude comparative
IV.2 Soudure à double fillet
IV.2.1 Etude de comportement en fatigue de l’acier A316
a. Effet du rapport a/c
b. Effet de l’angle θ
c. Effet du rapport de charge R
IV.2.2 Etude de comportement en fatigue de l’acier A542
a. Effet du rapport a/c
b. Effet de l’angle θ
c. Effet du rapport de charge R
IV.2.3 Etude de comportement en fatigue de l’acier A517
a. Effet du rapport a/c
b. Effet de l’angle θ
c. Effet du rapport de charge R
IV.2.4 Etude comparative
Conclusion générale

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