Métallurgie
ETUDE NUMERIQUE DE LA VARIATION DE TEMPERAURE DANS LE SOUDAGE A L’ARC ELECTRIQUE SOUS FLUX SOLIDE DES ACIERS A FAIBLES POURCENTAGE DE CARBONE
La fabrication industrielle de la bouteille à gaz ménagère de nomenclature B13 à SNS BAG Batna, passe par un processus d’emboutissage, desoudage et de traitement thermique, l’acier utilisé est un acier doux considéré comme parfaitement soudable et à faible pourcentage de carbone, sa composition chimique est très proche de celle du métal d’apport utilisé pour ’opération de soudage de celui-ci et qui est le procédé de soudageà l’arc électrique sous flux olide [1]. L’étude numérique entamée porte sur le comportement de la variation de température durant le procédé de soudage. Cette étude nous démontre la délimitation physiquede la Zone Affectée Thermiquement dite ZAT) et nous propose un suivi de valeurs de température en tout point des deux bouts soudées au cours de l’opération de soudage Voir les détails
Mots clés : soudage, numérique, ZAT, soudage progressive
DEVELOPPEMENT D’UN NOUVEAUX FIL FOURRE POUR LE SOUDAGE A L’ARC D’ACIERS INOXYDABLES FERRITIQUES DESTINES A LA FABRICATION DE COLLECTEURS D’ECHAPPEMENT AUTOMOBILE
Dans le contexte actuel de raréfaction des énergies fossiles, les constructeurs automobiles cherchent à optimiser l’efficacité énergétique de leurs véhicules, en particulier par le gain de poids et l’augmentation du rendement moteur, qui se traduit par une augmentation de la température des gaz d’échappement. Cette amélioration globale et continue passe notamment par un changement de conception des collecteurs de gaz d’échappement. Traditionnellement en fontes moulées massives, les collecteurs tendent vers des pièces mécano-soudées adaptées aux nouvelles contraintes, plus légères, résistantes, performantes et peu encombrantes. Ces évolutions passent par le développement et l’utilisation de matériaux résistant à des conditions de service de plus en plus sévères, en termesde tenue à la corrosion à chaud et à la fatigue thermique. Les parties les pluschaudes des collecteurs subissent ainsi en moyenne 1000 cycles par an entre la température ambiante et une température maximale de 900°C environ. Pour répondre à de telles exigences, une nuance d’acier inoxydable ferritique à haute teneur en chrome (19%) avec addition de molybdène (2%) a été développée par Arcelor Mittal. Du point de vue de la fabrication, la géométrie complexe des nouveaux collecteurs de gaz d’échappement impose l’utilisation du soudagerobotisé associé aux procédés MIG/MAG ou TIG. L’utilisation de métaux d’apport existants ne répond cependant pas entièrement aux exigences de l’application, entrainant des problèmes d’oxydation et/ou de tenue en fatigue thermique, réduisant considérablement la durée de vie de l’assemblage. Les deux principaux problèmes rencontrés lors du soudage avec des produits d’apport courants sont l’appauvrissement en chrome de la zone fondue du à la formation de carbures de chrome, et le grossissement de grains. Pour remédier à ces problèmes et assurer des caractéristiques en zone fondue proches de celles du métal de base, de nouveaux produits d’apports (fils fourrés) ont été développés dans le cadre de la présente étude, en collaboration étroite entre les centres de recherche et développement d’Air Liquide et d’Arcelor Mittal Stainless Europe. Les fils fourrés sont élaborés à l’aide du procédé Chemetron, à partir d’un feuillard en acier contenant environ 11% de chrome, et d’un flux dans lequel est ajouté le complément d’éléments d’addition. Pour garantir une tenue à la corrosion à haute température équivalente à celle du métal de base, les teneurs massiques en chrome et en molybdène ajoutés au flux sont ajustées pour se rapprocher de celles du métal de base après dépôt. Pour éviter la formation de carbures de chrome, les éléments « stabilisants » Nb et/ou Ti sont également ajoutés au flux [1]. Ces éléments, également présents dans le métal de base, permettent en outre de limiter le grossissement de grain en ZAT, en formant des précipités qui vont « ancrer » les joints de grains [2]. Le titane présente aussi l’avantage d’affiner le grain en zone fondue, en formant à haute température des précipités favorisant la germination de grains de ferrite équiaxes [3]. De part le procédé de soudage employé danscette étude (MIG/MAG), le taux de transfert (proportion d’élément présent dansle produit d’apport effectivement déposée dans la soudure) est très différent selon les éléments d’addition, et leur teneur a du être ajustée dans le flux pour obtenir les compositions souhaitées en zonefondue. Les analyses chimiques réalisées par spectrométrie par étincelage et par microsondeélectronique ont permis de valider les compositions obtenues. La composition finalede la soudure étant également liée aux paramètres de soudage, qui modifient le taux dedilution (proportion de métal de base présent dans la soudure), deux jeux de paramètres, correspondant à des puissance électriques « faibles » et « élevées » par rapport aux épaisseurs soudées (1,5 mm), ont été comparés. Les analyses macro et micrographiques des éprouvettes soudées montrent que le grossissement de grain en ZAT est limité, ce qui confirme la bonne tenue que matériau de base vis-à-vis du soudage, quelque soit l’énergie employée. En revanche, la taille de grain en zone fondue est très grossière si la teneur en titane de la zone fondue est trop faible. Le grain s’affine cependant lorsque la teneur en titane dépasse environ 0,2%. Les éprouvettes présentant les tailles de grain en zone fondue les plus faibles sont en cours de caractérisation en fatigue thermique, ce qui fournira de premières indications sur la durée de vie des soudures Voir les détails
Mots clés : Soudage MIG/MAG, Fil fourré, Aciers inoxydables ferritiques, collecteurs d’échappements
ANALYSE STRUCTURALE ET THERMIQUE PAR DSC DES FILMES MINCE Al (%.Cu)
L’objectif dans ce travail est d’étudier la microstructure (phases, paramètre de maille cristallin, taille de grain déformation, texture,…) d’un alliage binaire Al(% Cu) élaboré par la méthode de pulvérisation cathodique magnétron radio fréquence (RF) traité thermiquement (500 C°) et maintien de une heure de temps de façon à vérifiers’ils sont représentatifs des phases métallurgique présentes dans l’alliage massif Al-Cu. Pour tout l’alliage binaire Al-Cu synthétisé, quelle que soit la teneur en cuivre ( 1.8,7.21,66.64,86.17 et 92.5 %at. Cu) le dépôt ainsi obtenu est uniforme en termes d’épaisseur et de quelque micromètre (3 à 4 µm), Afin d’identifier la structure cristallographique des phases formées après le recuit des films, on utilise la diffraction des rayons X (figure.1). Le diffractomètre est équipe d’une cathode de Cu (λ= 1.5406 Å) et d’un détecteur courbe en configuration θ-2θ. L’analyse thermique différentielle d’une substance dans un domaine de température donné consiste à caractériser les transformations et réactions qu’elle subit, L’évolution des courbes DSC révèle la complexité des phénomènes thermodynamiques et aussi structurale se produisant lors du chauffage des échantillons. Les courbes présentées ici (figure.2) ont été obtenues par l’Analyse Enthalpique Différentielle (enregistrées entre 25 et 500 °C) des échantillonspulvérisées Al-Cu pour différents teneurs en cuivre. Ces courbes ont été enregistrées pendant le chauffage. Les résultats montrent pour le dépôt de composition 1.8%at. Cu (figure .2). Au début du chauffage, le petit pic endothermique situé à 40 °C environ est liée à la dissolution de phase existée, très probablement,de la phase stable Al2Cu (θ) observée à l’état brut. Suivie par une réaction largement endothermique du système caractérisée par une première « bosse » très aplatie aux alentours de 221°C. L’enthalpie decette réaction est de9.818 mW/mg (J/g). Un deuxième cycle a montré que la courbe présente pics exothermique vers la température 494.5°C, donc prés à la fin de chauffage, où l’enthalpie est 8.87 mW/mg environ. Le pic endothermique étalé, observé dans ledomaine de température (190- 300) °C, est principalement dû au rétablissement, à la relaxation des contraintes et au grossissement des grains. Pour la composition 66.64 %at. Cu la courbe DSC (figure 3) montre une faible reaction est observée au début du chauffage caractérise par une faible pic endothermique ce qui explique par disparition de la séparation des phases observé à l’état brut de même composition [1]. Le second pic est exothermique étalé de forte amplitude observé dans le domaine de température (224.9 - 490.3) °C. Si l’on se réfère à l’analyse par rayons X, on peut traduire cette réaction par l’apparition d’une nouvelle phase identifiée après recuit à 500°C : il s’agit de la phase monoclinique AlCu, où on peut révéler que la température de transformation est autour de 391.7 °C avec enthalpie de transformation situé à environ 1.768 mW/mg. La faible enthalpie de cette réaction reflète au faible quantité de la proportion de la phase AlCu transformée Voir les détails
Mots clés : couche mince, Al-Cu, DRX
ANALYSE DU COMPORTEMENTÀ LA RUPTURE DES DEUX PLAQUES DROITES SOUDEES PAR SOUDAGE PAR RESISTANCE
Notre travail consiste en une étude numériquepar éléments finis de la propagation des fissures en points de soudure dans des tôles minces d'acier soudées par soudage par points. Le diamètre des points de soudure, ainsi que la géométrie des plaques ont été choisis en tant que des paramètres d’étude. La simulation en 2-dimensions de la propagation quasi statique de la fissure, et prenant en compte les paramètres explicités au paravent, a été développé dans le cadre du code de calcul par éléments finis Abaqu Voir les détails
Mots clés : Soudage par résistance, mécanique de la rupture, Propagation de la fissure, Facteurs d’intensité de contrainte
EFFET DE SOUDAGE A L'ARC ELECTRIQUE SUR DEUX TYPESACIERS
Dans ce travail de recherche nous présentons les résultats d'étude de l'effet de soudage à l'arc électrique sur deux types d'acier de compositions chimiques différentes mais qui sont destinés à la fabrication des pipes. La microscopie optique, la microscopie électronique à balayage, la microdureté et la diffraction des rayons X ont été nos moyens de caractérisations. Les résultats obtenus ont montré clairement la zoneaffectée thermiquement et la zone fondue et qui ont des propriétés mécaniques différentes. Les traitements thermiques isothermes à appliqués à des températures inférieures à 700°C sur les échantillons soudés ont changé considérablement l'état initial Voir les détails
Mots clés : acier, soudageà l'arc électrique, Microstructures, Ferrite
ETUDE PHYSICO CHIMIQUE DE LA JONCTION ELABOREE PAR SOUDAGE - DIFFUSION A 1020°C ENTRE L’ALLIAGE DE ZIRCONIUM ET L’ACIER INOXYDABLE
ans le génie nucléaire, de nombreuses pièces en zirconium etses alliages, doivent être assemblées à d'autres matériaux souvent en acierinoxydable [1, 2]. Comme par exemple, ceux des liaisons : - des tubes de force aux raccords d’extrémités en acier inoxydable, - de boîtiers de raccordement pour des thermocouples spéciaux implantés dans certains essais de sûreté nucléaire - des gaines de crayons combustibles de réacteur à eau légère vers les lignes d’instrumentations. L’utilisation de techniques conventionnelles d’assemblages, nécessite souvent de grande installation et de gros équipement. Ces procédés d'assemblage, qui par leur gabarit, trouvent généralement leurs limites dans certaines applications spécifiques et peuvent conduire par ailleurs, à des conséquences incontrôlables quant à leur structure métallurgique de la jonction obtenue après soudage [3, 4]. Celleci est due aux transformations métallurgiques induites au sein des zones affectées thermiquement conduisant ainsi à la fragilité du cordon de soudure. Cependant, les liaisons métallurgiques obtenues par interdiffusion des éléments chimiques de part et d’autres de l’interface à l’état solide, représentent des solutions souvent satisfaisantes à l’assemblage de ces deux matériaux dans le domaine du nucléaire. Le soudage par diffusion est l’une des techniques employées pour ce genre d’application. Notre étude présentée dans ce travail est de réaliser des jonctions Zy4/acier inoxydable (304L) formées par soudage diffusion entre les deux entités mises en contact à la température de 1020°C et sous une pression d'accostage dynamique. Les différentes techniques de caractérisation utilisées sont : le MEBE- EDX, la diffraction des rayons X (DRX), le miroduromètre, le mouton pendule et le potentiostat- galvanostatLes observations et les analyses du couple soudé à 1020°C, font révéler une interface constituée de trois zones distinctes composées d’une solution solide du type α(FeCr) et de d’intermétalliques du type Zr(Fe Cr)2et Zr2(Fe Ni) La filiation des microduretés au niveau de l’interface indique des valeurs très hétérogènes. Les faciès de rupture obtenus par l’essai de résilience fontapparaître une topographie qui met en évidence un comportement purement fragile avec un mode de rupture par clivage. L’accent sera mis sur le comportement électrochimique de l’interface du couple (304L/Zy-4) soudé par diffusion introduit dans une solution d’NaCl à 1M. La jonction a montré que l’interface présente un comportement presque identique à celui de l'acierinoxydable 304L, et résiste mieux à la corrosion que l’alliage de zirconium. Le couple d’alliages soudé ne présente aucun signe de corrosion galvanique Voir les détails
Mots clés : soudage, diffusion, alliage de zirconium, acier inoxydable, corrosion
ETUDE DE LA TRANSITION DUCTILE-FRAGILE DANS LES ALLIAGES D’ALUMINIUM 7075 T6 SOUDES PAR LE PROCEDE DE SOUDAGE TIG
Les transports aériens sont aujourd'hui en plein essor. Les constructeurs apprécient actuellement l’aluminium pour sa légèreté, ses qualités mécaniques et son caractère écologique. La haute qualité de surface, une fois décapée ou anodisée, lui donne un atout supplémentaire. Parmi les procédés d'assemblage utilisés, le soudage est une voie possible de remplacement du rivetage. Dans notre étude, on a utilisé le procédé de soudage TIG. Ce procédé est appliqué à des alliages à durcissement structural (série 2xxx, 6xxx, 7xxx) qui ont la particularité d’être difficilement soudable. Il a aussi pour conséquence de modifier la microstructure du matériau de base et donc ses propriétés mécaniques. En effet, même si en dehors du cordon de soudure, le matériau ne subit pas la fusion, il est sujet à des changements de température qui vont modifier son état de précipitation (notion de zone affectée thermiquement). Notre travail consistera à étudier les principaux traitements thermiques et leurs effets sur la microstructure, l’observation par microscope optique de ces changements d’une zone à une autre, et l’influence du procédé de soudage TIG sur les caractéristiques mécaniques d’un alliage d’aluminium 7075 T6. Ces caractéristiques mécaniques seront définies par des essais mécaniques (résilience et dureté). Le premier essai sera utilisé pour déterminer l’énergie de la rupture (rupture fragile ou ductile), et le deuxième pour déterminer la variation de la dureté et la micro-dureté dans chaque zone des pièces soudées (métal de base, zone affectée thermiquement ZAT, zone fondue) Voir les détails
Mots clés : Procédé de soudage TIG, alliages d’aluminium 7075 T6, traitements thermiques, propriétés mécaniques et microstructures
VALORISATION DES REJETS POUSSIEREUX EN FONDERIE SUBSTITUTION DE LA BENTONITE
Les exigences en matière d’écologie sont de plus en plus imposées par le législateur. En fonderie plusieurs matériaux, utilisés pour la confection des moules et des noyaux, produisent une grande quantité de poussière. Ces dernières sont rejetées dans l’atmosphère et peuvent être très néfastes pour la santé humaine des travailleurs. De ce fait, notre préoccupation est de les récupérer sous forme de coproduit et de les valoriser en tant que matière première. Notre étude a un double objectif : - Ecologique : Récupérer cette poussière fatale émanant des différents ateliers de la fonderie et ainsi préserver un environnement sain pour les travailleurs ; - Valoriser ces fines pour les substituer à la bentonite qui sert de liant et économiser sur le prix de revient de la fonte obtenue. Les résultats des essais réalisés sur un sable de fonderie avec substitution progressive de la bentonite par les fines récupérées ont montré : 1. La résistance à la compression et au cisaillement des sables diminuent légèrement avec la substitution de la bentonite par les fines, mais restent dans la fourchette appréciable de la fonderie jusqu’au mélange (4 % bentonite et 6 % fines) ; 2. La perméabilité du sable varie très sensiblement avec la substitution, elle reste appréciable jusqu’à 5% de fines ; 3. La structure de la fonte obtenue, la dureté et l’état de surface restent inchanger par la substitution de la bentonite par les fines jusqu’à 5 %. Voir les détails
Mots clés : Sable, Argile, fines, Liants, propriétés mécaniques, Structure.
ETUDE DE L’INFLUENCE DE CERTAINS PARAMETRES SUR LE PROCEDE DE L’EMBOUTISSAGE
La modélisation des procédés de mise en forme des métaux par éléments finis conduit à l'étude de problèmes fortement non linéaires. Ces non-linéarités sontdues notamment au comportement plastique du matériau, aux grandes transformations et à la prise en compte des conditions de contact unilatérales et de frottement. Plusieurs méthodes numériques peuvent être utilisées pour larésolution des problèmes d'emboutissage par la méthode des éléments finis. La méthode implicite dite quasistatique permet d'assurer l'équilibre à chaque pas mais elle est souvent confrontée à des problèmes de convergence dus au couplage des équations plastiques et des états de contact. Pour cette raison, des méthodes explicites; statique ou dynamique ont été développées ainsi que l'approche inverse. En se basant sur l'approche statique explicite, nousavons développé un code de calcul qui permet de traiter des problèmes de mise en forme de structures minces ou massives et des procédés d'assemblage. Ce code, baptisé SEMA "Static Explicit Method Analysis", est basé sur une formulation lagrangienne actualisée à chaque pas. La méthode de résolution est basée sur une approche statique explicite. L'intégration de la loi de comportement élasto-plastique est réalisée à l'aide de l'algorithme de Simo et Taylor. Les contacteurs sont représentés par facettes planes. L'élément utilisé est un élément Q4 axisymétrique à un point d'intégration avec contrôle des modes de "hourglass". La méthode r_minimum est adoptée pour limiter les pas de chargement de telle façon qu'aucours des pas de chargement, les conditions de contact tôles-outils restent stables. L’utilisation des logiciels de simulation numériquedevient à l’heure actuelle de plus en plus fréquente. Ces logiciels présententaujourd’hui un réel intérêt économique (gain de temps, gain sur les coûts de production).Les renseignements apportés sont nombreux. Ils facilitent la prise de décision sur le choix du processus, defabrication de matériaux, etc. Ils assurent également le moyen d’éviter la mise au point de prototypes Voir les détails
Mots clés : éléments finis, Simulation numérique, emboutissage, contact, frottement
EXPERIMENTAL STUDY OF DUCTILE FRACTURE IN WELDED JOINTS
The pressure pipes of water reactors are made of A48 steel tubes and welded together. These welded joints are always preferred areas for the occurrence of defects and the requirement in terms of security for such facilities, thusmaking it essential to study their fracture. Comprehensive approaches such as the J integral of Rice, are used to analyze the harmfulness of defects in welds. This workhas explored the various parameters involved at the same time, to explain the phenomena of ductile tearing in a welded joint in order to develop an analytical method suitable for this type of junction. The tear tests showed the influence of volume fraction on the values of toughness and resistance to crack propagation J-Δa. The fatigue tests showed that the fatigue strength of welded joints depends not only on the properties of base metal and filler metal used but also the presence of construction defects and internal defects. On the other hand, the study of the influence of welding conditions on toughness of welded joint steel Stainless steels, showed that the solder joint is obtained austenitic ferritic structure with a ferrite content appropriate This leads to the mechanical properties desired, move closer to the best ofthe middle of the band dispersion than the base metal. The numerical simulation of ductile tearing performed using the Rice-Tracey model based on the growth of voids, has highlighted the importance of parameters related to the model: in the case of a rate overmatching Importantly, the mechanical properties of the base metal has a pervasive effect on the overall behaviorof such structures and the growth rate of cavities R/R0 is sensitive to changes in the fields of stress and strainat the bottom of the crack Voir les détails
Mots clés : Ductile fracture; A48 steel; Local approach