Avant de commencer
Le cours 1 en trois cases
| Chapitre du cours | Polycopié |
|---|---|
| 1 Le mouton-pendule | p. 11, § II.B.1, figure 15 |
| 2 Entaille, choc et froid | p. 11, § II.B.2 ; p. 19 et 20, figures 24 et 25 ; mécanisme hors poly |
| 3 La courbe de transition | p. 11 et 12, § II.B.2, figures 16 et 17 |
| 4 Les températures de transition | p. 12, figure 17 (TK35, TK50) ; T27J hors poly |
| 5 Ce qui déplace la transition | p. 11 (CC et CFC) ; facteurs métallurgiques hors poly |
| 6 Charpy et soudage | hors poly : nuances d'acier, qualifications, histoire |
1. Les ordres de grandeur de la page 11. Le polycopié indique des énergies « de 10³ à 10⁴ J/m² pour les métaux et alliages ». Pour la résilience Charpy d'un acier, sa propre figure 17 monte à 150 J/cm², soit 1,5 × 10⁶ J/m² (1 J/cm² = 10⁴ J/m²). Les valeurs de la page 11 ne correspondent donc pas à la résilience Charpy des aciers. Les valeurs usuelles des aciers de construction vont d'environ 5 à 300 J/cm², soit 5 × 10⁴ à 3 × 10⁶ J/m².
2. KC ou KC ? Le polycopié note la résilience KC = Wr/A (en J/cm²), avec A l'aire du ligament rompu. À ne confondre ni avec la ténacité KC (en MPa·√m, cours 3 et 4), ni avec l'allongement A du cours 1. Ce cours note cette aire S.
3. KCV ou KV ? KCV, en J/cm², est l'ancienne notation française (énergie divisée par l'aire). La norme actuelle, EN ISO 148-1, et toutes les normes d'aciers expriment l'énergie absorbée KV, directement en joules, sans division. Pour une éprouvette normale, S = 0,8 cm², donc KV = 0,8 × KCV (chapitre 4).
4. La figure 17. Elle superpose l'échelle d'énergie et l'échelle de cristallinité comme si elles variaient ensemble : 50 % de surface cristalline y tombe exactement à mi-hauteur de la courbe d'énergie. C'est une simplification commode : en pratique, les deux grandeurs sont mesurées séparément, et la température à 50 % de cristallinité ne coïncide pas exactement avec celle de l'énergie moyenne. Le titre de la figure parle de transition « fragile-ductile », le paragraphe de transition « ductile-fragile » : c'est le même phénomène, vu dans les deux sens.
(Formation IWE : International Welding Engineer, ingénieur international en soudage.) La résilience est partout dans le métier : dans la désignation des aciers (le « J2 » de S355J2 est une garantie Charpy), dans les certificats matière, dans les exigences des codes de construction (ponts, appareils à pression, offshore), et dans la qualification des modes opératoires, où l'on casse des éprouvettes entaillées dans le métal fondu et dans la zone affectée thermiquement (ZAT). Le soudage peut en effet détruire localement la résilience d'un excellent acier : c'est souvent elle qui limite l'énergie de soudage, impose un métal d'apport ou un traitement thermique.
La série en quatre cours
Le plan du cours
- 1Le mouton-pendule
Une hauteur perdue, une énergie de rupture : W = MgR(cos θf − cos θi), KV et KCV.
- 2Entaille, choc et froid
Les trois accélérateurs de fragilité, et pourquoi la transition existe.
- 3La courbe de transition
Deux plateaux et une falaise ; les faciès fragile, mixte et ductile.
- 4Les températures de transition
TK35, TK50, T27J : résumer une courbe par une température.
- 5Ce qui déplace la transition
Grain, nickel, vieillissement, épaisseur, soudage : vers le chaud ou vers le froid.
- 6Charpy et soudage
Les nuances JR à NL, les qualifications de modes opératoires, et les leçons de l'histoire.
Le mouton-pendule
Une hauteur perdue, une énergie de rupture
Lâche une balançoire depuis une certaine hauteur sans la pousser : elle remonte de l'autre côté presque à la même hauteur. Pose maintenant sur son chemin une barre de chocolat. La balançoire la casse au passage et remonte moins haut : elle a laissé une partie de son énergie dans la rupture de la barre. Plus la barre était difficile à casser, plus la balançoire a perdu de hauteur.
L'essai Charpy, du nom de l'ingénieur français Georges Charpy qui l'a mis au point vers 1901, applique exactement cette idée (polycopié, p. 11, figure 15). Un lourd marteau, le mouton, est fixé au bout d'un bras qui pivote : c'est un mouton-pendule. Son couteau vient frapper, au point le plus bas de sa course, une petite barre posée sur deux appuis : l'éprouvette, entaillée du côté opposé au choc. On la casse d'un seul coup, en flexion. On lit sur un cadran la hauteur de remontée, et on en déduit l'énergie absorbée par la rupture.
Cette énergie s'appelle l'énergie de rupture en flexion par choc, et, rapportée à la section rompue, la résilience (du latin resilire, « rebondir »). C'est une mesure simple, rapide et bon marché de la capacité d'un matériau à encaisser un choc sans casser net.
| Éprouvette | Énergie absorbée typique | Le marteau remonte… |
|---|---|---|
| Acier ductile (palier haut) | 150 à 250 J | à peine au-dessus de l'horizontale |
| Acier dans sa zone de transition | 20 à 100 J | assez haut, et les résultats varient d'une éprouvette à l'autre |
| Acier fragile (palier bas) | 3 à 10 J | presque à sa hauteur de départ |
Manipulation 1 : le mouton-pendule
Règle l'angle de départ du marteau, choisis une éprouvette, puis lâche le marteau. L'angle de remontée et l'énergie absorbée se calculent en direct. Marteau de M = 20 kg au bout d'un bras de R = 0,8 m, frottements négligés.
Le bilan d'énergie
Repérons la position du bras par son angle θ (« thêta ») avec la verticale descendante. Le marteau, de masse M, au bout d'un bras de longueur R, est alors à une hauteur h = R(1 − cos θ) au-dessus de son point le plus bas. Son énergie potentielle vaut M·g·h, avec g = 9,81 m/s² l'accélération de la pesanteur. Entre le lâcher (θi, i pour initial) et la remontée (θf, f pour final), l'énergie perdue est celle de la rupture (polycopié, p. 11) :
Wr en joules (J) avec M en kg, g en m/s², R en m ; θ mesuré depuis la verticale descendante
Exemple. M = 20 kg, R = 0,8 m, d'où M·g·R = 20 × 9,81 × 0,8 = 157,0 J. Lâché de θi = 150°, le marteau dispose de 157,0 × (1 − cos 150°) = 157,0 × 1,866 = 293 J : c'est une machine dite « de 300 J ». Il frappe à la vitesse v = √(2gR(1 − cos θi)) = √(2 × 9,81 × 0,8 × 1,866) = 5,4 m/s, soit près de 20 km/h. S'il remonte à θf = 120° : Wr = 157,0 × (cos 120° − cos 150°) = 157,0 × (−0,500 + 0,866) = 57,5 J.
L'éprouvette normalisée hors poly
| Élément | Valeur (EN ISO 148-1) |
|---|---|
| Barreau | 10 × 10 × 55 mm |
| Entaille en V | profondeur 2 mm, angle 45°, rayon à fond d'entaille 0,25 mm |
| Ligament sous l'entaille | 8 × 10 mm, soit S = 0,8 cm² |
| Entaille en U | profondeur 5 mm (rayon à fond d'entaille 1 mm), soit S = 0,5 cm² |
| Distance entre appuis | 40 mm |
| Couteau | rayon 2 mm (noté KV2) ou 8 mm (KV8, usage américain) |
| Éprouvettes réduites | épaisseur 7,5, 5 ou 2,5 mm quand la tôle est trop mince |
On casse en général trois éprouvettes par température, car les résultats sont dispersés, surtout dans la zone de transition (chapitre 3). On note aussi l'aspect de la cassure (pourcentage de surface cristalline) et parfois l'expansion latérale : l'élargissement de l'éprouvette du côté comprimé, signe de déformation plastique.
Avant chaque série, l'opérateur fait un lâcher à vide pour mesurer les pertes par frottement (de l'air et du pivot), que la machine retranche ensuite. Les machines sont vérifiées périodiquement avec des éprouvettes de référence (norme EN ISO 148-2). L'éprouvette est portée à la température d'essai dans un bain ou une enceinte, et doit être cassée dans les 5 secondes qui suivent sa sortie, sinon elle se réchauffe. Les laboratoires de soudage effectuent ces essais par milliers : un essai de résilience ne prend que quelques minutes.
Entaille, choc et froid
Les trois accélérateurs de fragilité
Pourquoi entailler l'éprouvette, et pourquoi la casser d'un coup ? Parce que l'essai Charpy est conçu pour être sévère : il réunit les trois ennemis de la ductilité, pour révéler une fragilité qu'un essai de traction lent sur barreau lisse ne montrerait jamais.
- L'entaille. Au fond de l'entaille, la matière est bridée par le métal qui l'entoure : elle est tirée dans plusieurs directions à la fois (triaxialité, cours 1). Le glissement est gêné, et la contrainte d'ouverture peut monter bien au-dessus de Re. Comme l'encoche d'un sachet de bonbons : elle décide où et comment ça casse.
- Le choc. Frappée à plus de 5 m/s, la matière doit se déformer en un millième de seconde. Les dislocations n'ont pas le temps de glisser : la limite d'élasticité apparente augmente. Un choc agit un peu comme un refroidissement.
- Le froid. Dans les aciers ferritiques, Re grimpe quand la température baisse, alors que la contrainte de clivage σc ne bouge presque pas (cours 1).
Chacun de ces facteurs relève l'effort qu'il faut pour faire glisser la matière (le « plafond » du cours 1). Quand ce plafond dépasse le « mur » du clivage, l'acier casse fragile. La température à laquelle les deux se croisent est la température de transition : au-dessus, ductile ; en dessous, fragile. L'entaille et le choc la font remonter vers les températures ordinaires : c'est ce qui rend la transition visible, et dangereuse.
Manipulation 2 : où le plafond rencontre le mur
En violet, la contrainte d'ouverture qu'il faut atteindre au fond de l'entaille pour faire glisser la matière : q × Re, où q est le facteur de bridage de l'entaille. Elle monte au froid. En rouge, la contrainte de clivage σc, presque constante. Leur croisement donne la température de transition. Combine entaille, vitesse et taille de grain, et observe où tombe la transition.
Modèle illustratif hors poly, prolongeant celui du cours 1 : Re ≈ 350, 550 et 950 MPa à +20, −100 et −196 °C pour un grain de 20 µm ; un choc équivaut à un refroidissement d'environ 40 °C pour Re ; σc ≈ 900 MPa à 20 µm, plus élevée pour un grain plus fin.
Ce diagramme, construit entre les années 1920 et 1940 par Paul Ludwik, Nikolaï Davidenkov puis Egon Orowan, résume le mécanisme de la transition hors poly. On compare deux courbes en fonction de la température T :
- q·Re(T, ε̇)
- la contrainte d'ouverture σI nécessaire pour plastifier au fond de l'entaille ; q (sans unité) est le facteur de bridage plastique de l'entaille (1 pour un barreau lisse, jusqu'à environ 2,5 à 3 pour une entaille aiguë dans une pièce épaisse) ; ε̇ (« epsilon point ») est la vitesse de déformation, en s⁻¹
- σc(d)
- la contrainte critique de clivage, presque indépendante de T, mais d'autant plus élevée que la taille de grain d est petite
au-dessus de la température de transition Tt, la matière plastifie avant de cliver : rupture ductile ; en dessous, elle clive sans plastifier : rupture fragile
Avec les valeurs de la manipulation (grain de 20 µm) : barreau lisse en traction lente, Tt ≈ −188 °C (il faut presque l'azote liquide pour le casser fragile) ; même barreau en choc, ≈ −148 °C ; entaille en U et choc, ≈ −90 °C ; entaille en V et choc, ≈ −40 °C. Entaille et choc ont fait monter la transition de près de 150 °C : elle tombe désormais dans le domaine des températures de service d'une structure extérieure en hiver.
Une structure soudée porte ses propres « entailles Charpy » : pieds de cordon, racines non pénétrées, caniveaux, manques de fusion, fissures. Elle subit aussi des chocs (levage, vent, houle, trafic, séisme) et souvent le froid. C'est pourquoi on exige de la résilience non seulement dans la tôle, mais aussi dans le métal fondu et dans la ZAT, à une température liée à la température de service (chapitre 6).
La courbe de transition
Deux plateaux et une falaise
Casse des éprouvettes Charpy du même acier ferritique à des températures de plus en plus basses, et reporte l'énergie absorbée en fonction de la température : tu obtiens une courbe en forme de S (polycopié, figure 17).
- Le plateau du haut, ou palier ductile, aux températures élevées : beaucoup d'énergie, une cassure tourmentée, mate et fibreuse, avec de grandes lèvres et une éprouvette déformée (figure 16c). Ce sont les cupules du cours 1.
- Le plateau du bas, ou palier fragile, aux basses températures : très peu d'énergie, une cassure plate et brillante, « cristalline » (figure 16a). C'est le clivage du cours 1.
- La falaise entre les deux, la zone de transition : l'énergie s'effondre sur quelques dizaines de degrés. La cassure est mixte (figure 16b) : une zone centrale cristalline entourée d'une bordure fibreuse. Et les résultats sont dispersés : à la même température, une éprouvette peut absorber 15 J et sa voisine 80 J.
Le polycopié (p. 11) le résume : certains matériaux sont toujours ductiles (la plupart des métaux cubiques à faces centrées), d'autres toujours fragiles (céramiques, certains intermétalliques) ; mais les métaux cubiques centrés comme les aciers ferritiques passent de l'un à l'autre avec la température. C'est le comportement le plus traître : le même acier, dans la même structure, peut être excellent en été et fragile en hiver.
Manipulation 3 : le laboratoire Charpy
Choisis un matériau et une température, puis casse des éprouvettes. Chaque point est un essai, avec la dispersion d'un vrai laboratoire. À côté du graphique, la cassure de la dernière éprouvette : zone cristalline (claire et scintillante), zone fibreuse (grise) et lèvres. Quand tu as assez de points, affiche la courbe moyenne.
Courbes illustratives ; l'acier de la figure 17 reprend la courbe du polycopié, convertie en joules (KV = 0,8 × KCV).
L'histoire d'une éprouvette mixte
- Au fond de l'entaille, une petite fissure ductile s'amorce et avance de quelques dixièmes de millimètre : une bande fibreuse sous l'entaille ;
- devant elle, la contrainte d'ouverture atteint σc : le clivage démarre et traverse le cœur de l'éprouvette en un éclair : la zone cristalline centrale ;
- les bords et le côté frappé, en contrainte plane, cèdent en cisaillement : les lèvres et la bordure fibreuse.
Plus la température est élevée, plus l'étape 1 dure et plus la zone fibreuse est grande ; à haute température, l'étape 2 n'a jamais lieu.
Pourquoi tant de dispersion ? hors poly
Le clivage démarre sur un « maillon faible » : une particule fragile (un carbure, une inclusion) ou un grain mal orienté, placé au bon endroit dans la petite zone très chargée devant l'entaille. Selon l'éprouvette, ce maillon est plus ou moins proche, et le clivage part plus ou moins tôt : l'énergie varie beaucoup. Sur les paliers, cette loterie n'a plus d'effet : le clivage part toujours (palier bas) ou jamais (palier haut).
Mettre la courbe en équation hors poly
On ajuste couramment les points par une tangente hyperbolique (tanh, une fonction en S qui va de −1 à +1) :
A = (palier haut + palier bas)/2 ; B = (palier haut − palier bas)/2 ; T0 : température du milieu de la falaise ; C : demi-largeur de la transition, en °C
Exemple : la courbe de la figure 17 du polycopié est bien représentée, en KCV, par A ≈ 80 J/cm², B ≈ 72 J/cm², T0 ≈ −45 °C et C ≈ 23 °C. À −20 °C : KCV = 80 + 72 × tanh(25/23) = 80 + 72 × 0,79 ≈ 137 J/cm² ; à −62 °C : 80 + 72 × tanh(−17/23) ≈ 80 − 72 × 0,625 ≈ 35 J/cm².
Le certificat d'un acier (le « certificat 3.1 » de la norme EN 10204) donne en général KV à une seule température, celle de la garantie (par exemple −20 °C pour un S355J2), en trois valeurs. On ne connaît donc qu'un point de la courbe : l'acier peut transiter à −25 °C comme à −80 °C. Quand la marge compte (structure épaisse, froid, chocs), on demande des essais à plusieurs températures, voire une courbe complète.
Les températures de transition
Résumer une courbe par une seule température
Une courbe entière est difficile à comparer ou à exiger dans un contrat. On la résume donc par une température de transition : la température à laquelle la courbe franchit un certain repère. Mais une falaise n'a pas une altitude unique : on peut repérer son pied, son milieu, ou le point où elle devient dangereuse. De même, il existe plusieurs températures de transition, selon le repère choisi :
- TK35 (polycopié, figure 17) : la température où la résilience KCV vaut 35 J/cm² ;
- TK50 (figure 17) : la température où la cassure est à 50 % cristalline (en anglais FATT, fracture appearance transition temperature) ;
- T27J hors poly : la température où l'énergie absorbée KV vaut 27 J, le repère des normes européennes d'aciers et de l'Eurocode 3 ; on rencontre aussi T40J.
Sur la figure 17 du polycopié, TK35 ≈ −62 °C et TK50 ≈ −45 °C : le même acier, deux repères, deux températures distantes de près de 20 °C. Ce qui compte, c'est de toujours dire quel repère on utilise, et de comparer la température de transition à la température de service : plus elle est loin en dessous, plus la marge est grande.
Manipulation 4 : la règle à repères
Modèle la courbe de transition avec les curseurs : position de la falaise, raideur, hauteur du palier ductile. Les repères 27 J, 40 J, TK35 et 50 % cristallin se placent automatiquement. Déplace la température de service pour lire l'énergie disponible et la marge.
Joules ou joules par cm² ?
éprouvette normale 10 × 10 mm, entaille en V de 2 mm : ligament de 8 × 10 mm
Donc 35 J/cm² × 0,8 cm² = 28 J : le TK35 du polycopié est pratiquement le T27J des normes actuelles. Le repère de 27 J vient d'un seuil anglo-saxon converti en joules : 20 ft·lbf (pied-livre force, l'unité d'énergie anglo-saxonne : 1 ft·lbf = 1,356 J, donc 20 ft·lbf = 27,1 J).
Interpoler entre deux essais
Sans courbe complète, on interpole linéairement entre deux températures d'essai qui encadrent le critère. Si la moyenne vaut KV1 à T1 et KV2 à T2 :
Exemple. Moyennes 18 J à −60 °C et 52 J à −40 °C : T27J ≈ −60 + 20 × (27 − 18)/(52 − 18) = −60 + 20 × 0,265 = −54,7 °C.
Pour un S355J2, la norme garantit une énergie moyenne d'au moins 27 J à −20 °C. Cela signifie seulement que T27J ≤ −20 °C. L'Eurocode 3, partie 1-10 (EN 1993-1-10), qui fixe l'épaisseur maximale admissible d'une tôle en fonction de la nuance, de la température de service et du niveau de contrainte, utilise justement cette valeur garantie : pour lui, un J2 a T27J = −20 °C, un K2 ou un N a T40J = −20 °C, un NL a T27J = −50 °C.
Ce qui déplace la transition
Vers le chaud ou vers le froid : les curseurs du métallurgiste
La température de transition n'est pas gravée dans le marbre : la composition de l'acier, sa structure, son histoire et la façon dont on le soude la déplacent de plusieurs dizaines de degrés. Imagine une table de mixage où chaque curseur fait glisser la falaise de la courbe de transition :
| Vers le froid (mieux) | Vers le chaud (pire) |
|---|---|
| grain fin : aciers calmés à l'aluminium, normalisés, laminés thermomécaniquement | gros grain : surchauffe, forte énergie de soudage, ZAT près de la ligne de fusion |
| nickel en solution dans la ferrite | carbone et perlite abondante |
| manganèse (un rapport Mn/C élevé) | azote libre et écrouissage, qui provoquent le vieillissement |
| revenu d'une structure trempée | phosphore et impuretés aux joints (fragilisation de revenu, cours 1) |
| éprouvette ou tôle mince | tôle épaisse (plus de déformation plane) |
Et un curseur à part : la structure cristalline. Un acier austénitique (cubique à faces centrées) n'a pas de falaise du tout : il reste ductile jusqu'aux températures cryogéniques. Le soufre, lui, ne déplace guère la falaise mais abaisse le plateau ductile, en multipliant les inclusions où naissent les cupules.
Manipulation 5 : la table de mixage
Point de départ : un acier de construction ferrito-perlitique à grain de 20 µm, T27J ≈ −40 °C (courbe pointillée). Joue sur les curseurs et observe la nouvelle courbe (trait plein) et le décalage de T27J.
Ordres de grandeur illustratifs hors poly. L'effet du grain suit la relation empirique de Pickering (ci-dessous) ; les autres décalages sont des valeurs typiques arrondies, qui varient d'un acier à l'autre.
La taille de grain : la relation de Pickering hors poly
Pour les aciers ferrito-perlitiques, une relation empirique établie par F. B. Pickering dans les années 1960 donne la température de transition (en °C) :
teneurs en % massique ; %perlite en % de la structure ; d : taille de grain de la ferrite en mm, donc d−1/2 en mm−1/2
Le terme du grain domine. Passer de 20 µm (d−1/2 = 1/√0,020 = 7,07 mm−1/2) à 10 µm (10,0 mm−1/2) abaisse la transition de 11,5 × (10,0 − 7,07) ≈ 34 °C. À l'inverse, des grains de 150 µm (2,58 mm−1/2) la relèvent de 11,5 × (7,07 − 2,58) ≈ 52 °C. Les autres termes montrent le rôle néfaste du silicium, de l'azote libre et de la perlite (donc du carbone).
Les autres curseurs
| Facteur | Effet | Pourquoi |
|---|---|---|
| Nickel | vers le froid, nettement : les aciers à 3,5 % Ni servent vers −100 °C, ceux à 9 % Ni jusqu'à −196 °C | il facilite le glissement de la ferrite au froid |
| Manganèse | vers le froid | il affine la perlite et le grain ; un rapport Mn/C élevé est favorable |
| Carbone, perlite | vers le chaud, et palier ductile plus bas | les lamelles de cémentite amorcent le clivage |
| Azote libre + écrouissage | vers le chaud, de l'ordre de +20 à +50 °C | vieillissement : les atomes d'azote viennent bloquer les dislocations créées par l'écrouissage (pliage, cintrage à froid, puis chauffage modéré) |
| Phosphore, étain, antimoine | vers le chaud après certains revenus | ségrégation aux joints : fragilisation de revenu, rupture intergranulaire (cours 1) |
| Soufre | palier ductile plus bas | inclusions de MnS : plus de cupules, plus tôt |
| Épaisseur | pièce épaisse : vers le chaud ; éprouvette réduite : vers le froid | part de déformation plane (chapitre 2) |
| Irradiation neutronique | vers le chaud | défauts créés dans le cristal : cuves de réacteurs nucléaires surveillées par des éprouvettes Charpy |
- L'énergie de soudage (en kJ/mm) : plus elle est élevée, plus le refroidissement est lent, plus le grain de la ZAT grossit. Pour les aciers à hautes caractéristiques ou thermomécaniques, le mode opératoire fixe souvent une énergie maximale pour préserver la résilience de la ZAT.
- Le soudage multipasse : chaque passe réchauffe la précédente, en affine le grain ou revient la structure trempée. Une ZAT « régénérée » par la passe suivante est plus tenace qu'une ZAT de passe unique. Attention toutefois à certaines zones réchauffées juste au-dessus de 700 °C, parfois localement fragiles.
- Le métal d'apport : un métal fondu à ferrite aciculaire (de fines aiguilles enchevêtrées qui arrêtent les fissures de clivage) est très tenace ; pour les basses températures, on choisit des produits alliés au nickel (1 à 3 %).
- La température entre passes : trop élevée, elle ralentit le refroidissement comme une énergie trop forte.
Charpy et soudage
Nuances, qualifications et leçons de l'histoire
De ces leçons sont nés trois usages quotidiens de l'essai Charpy :
- La désignation des aciers. Le nom d'un acier de construction dit à quelle température sa résilience est garantie : JR, J0, J2, K2, N, NL… (manipulation 6).
- La qualification des modes opératoires de soudage. On vérifie que le soudage n'a pas détruit la résilience : éprouvettes entaillées dans le métal fondu et dans la ZAT.
- Le choix des aciers pour une structure. Plus la température de service est basse, la tôle épaisse et la contrainte élevée, plus on exige une nuance à basse température de transition (Eurocode 3, partie 1-10).
Manipulation 6 : le bureau de contrôle
En haut, choisis une nuance de S355 : sa garantie Charpy s'affiche (losange) face à la température de service. En bas, entre les trois énergies mesurées sur un procès-verbal (PV) à la température de garantie, et la règle de réception s'applique.
Les garanties des aciers de construction hors poly
| Symbole | Norme | Énergie KV minimale | Température d'essai |
|---|---|---|---|
| JR | EN 10025-2 (non allié) | 27 J | +20 °C |
| J0 | EN 10025-2 | 27 J | 0 °C |
| J2 | EN 10025-2 | 27 J | −20 °C |
| K2 | EN 10025-2 | 40 J | −20 °C |
| N / M | EN 10025-3 (normalisé) / -4 (thermomécanique) | 40 J | −20 °C |
| NL / ML | EN 10025-3 / -4, qualité « basse température » | 27 J | −50 °C |
Lecture : J = 27 J, K = 40 J ; R = température ambiante (+20 °C), 0 = 0 °C, 2 = −20 °C. Les valeurs sont celles d'éprouvettes longitudinales normales.
La résilience dans la qualification d'un mode opératoire
La norme EN ISO 15614-1 (qualification des modes opératoires de soudage des aciers) demande en règle générale des essais de flexion par choc dès que l'épaisseur atteint 12 mm et que l'acier a une résilience spécifiée : une série de trois éprouvettes entaillées dans le métal fondu, une autre dans la ZAT, prélevées près de la surface, à la température exigée pour le métal de base. La position de l'entaille se code selon l'EN ISO 9016. Par exemple, VWT 0/2 : entaille en V, dans le métal fondu (W, weld), traversant l'épaisseur (T), sur l'axe du cordon (0 mm), éprouvette à 2 mm sous la surface. Une entaille en ZAT se note VHT (H, heat affected zone), avec sa distance à la ligne de fusion.
Exercices corrigés
Six exercices et un défi, du pendule à la qualification
Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Écris la formule littérale, puis les valeurs avec leurs unités. Pour les cosinus, vérifie que ta calculatrice est en degrés. Les manipulations 1, 4 et 6 permettent de vérifier tes résultats.
Exercice 1 : lire le pendule N1 · chapitre 1
Un mouton-pendule a un marteau de M = 20 kg au bout d'un bras de R = 0,8 m. On le lâche de θi = 150° (angle mesuré depuis la verticale descendante) ; après avoir cassé une éprouvette normale entaillée en V, il remonte à θf = 120°. On prend g = 9,81 m/s².
a) Quelle énergie le marteau possède-t-il au départ, et à quelle vitesse frappe-t-il ?
b) Calcule l'énergie absorbée KV, puis la résilience KCV.
c) À quel angle le marteau remonterait-il si l'éprouvette n'absorbait que 27 J ?
d) Une éprouvette au palier fragile absorbe 5 J. Pourquoi la lecture précise de l'angle est-elle alors délicate ?
Voir la correction
a) M·g·R = 20 × 9,81 × 0,8 = 157,0 J. Énergie de départ : E0 = M·g·R·(1 − cos θi) = 157,0 × (1 − cos 150°) = 157,0 × 1,866 = 293 J. Vitesse au point le plus bas : v = √(2E0/M) = √(2 × 293/20) = 5,41 m/s.
b) KV = M·g·R·(cos θf − cos θi) = 157,0 × (−0,500 + 0,866) = 157,0 × 0,366 = 57,5 J. KCV = KV/S = 57,5/0,8 = 71,9 J/cm².
c) cos θf = cos θi + KV/(M·g·R) = −0,866 + 27/157,0 = −0,866 + 0,172 = −0,694, d'où θf = 133,9° : seulement 16° de moins que le départ.
d) 5 J ne représentent que 1,7 % des 293 J disponibles : le marteau remonte presque à son point de départ, et une petite erreur d'angle, ou les pertes par frottement, pèsent lourd. Au palier fragile, la précision relative est faible ; on utilise parfois une machine moins puissante.
Exercice 2 : joules ou joules par cm² N1 · chapitres 1 et 4
a) Une ancienne fiche indique KCV = 35 J/cm² à −40 °C. Quelle énergie KV cela représente-t-il ?
b) Un certificat récent donne KV = 40 J. Quelle résilience KCV ?
c) Un vieux rapport donne KCU = 60 J/cm². Peut-on en déduire KV ?
d) Une tôle de 8 mm impose des éprouvettes réduites de 7,5 × 10 mm. Quelle est l'aire du ligament ? Une éprouvette absorbe 36 J : quelle résilience ?
e) Pour ces éprouvettes, l'exigence de 27 J est réduite à proportion de la section. Quelle valeur faut-il atteindre ?
Voir la correction
a) KV = KCV × S = 35 × 0,8 = 28 J : c'est pratiquement le critère de 27 J des normes actuelles.
b) KCV = 40/0,8 = 50 J/cm².
c) Non. L'entaille en U, émoussée et plus profonde (ligament de 0,5 cm²), bride beaucoup moins la matière : il n'existe pas de conversion fiable entre KCU et KV. Il faut refaire des essais en V.
d) Ligament : 8 mm sous l'entaille × 7,5 mm d'épaisseur, soit S = 0,8 × 0,75 = 0,6 cm². KCV = 36/0,6 = 60 J/cm².
e) 27 × 7,5/10 = 20,25 ≈ 20 J. Attention : l'éprouvette réduite transite aussi un peu plus bas qu'une éprouvette normale ; la comparaison reste approximative.
Exercice 3 : l'acier de la figure 17 N2 · chapitres 3 et 4
La courbe de la figure 17 du polycopié est représentée par KCV(T) = 80 + 72·tanh((T + 45)/23,2), en J/cm², avec T en °C.
a) Que valent les paliers haut et bas ? Que représente −45 °C ?
b) Calcule KCV puis KV à −20 °C et à −50 °C.
c) Calcule T27J et T40J.
d) Cet acier satisferait-il les garanties K2 (40 J à −20 °C) et NL (27 J à −50 °C) ?
Voir la correction
a) tanh varie de −1 à +1 : palier haut 80 + 72 = 152 J/cm², palier bas 80 − 72 = 8 J/cm². −45 °C est le milieu de la falaise (KCV = 80 J/cm²), le TK50 de la figure 17.
b) À −20 °C : tanh(25/23,2) = tanh(1,078) = 0,792 ; KCV = 80 + 72 × 0,792 = 137 J/cm², soit KV = 0,8 × 137 = 110 J. À −50 °C : tanh(−5/23,2) = −0,212 ; KCV = 80 − 15,3 = 64,7 J/cm², soit KV = 51,8 J.
c) 27 J correspondent à 27/0,8 = 33,75 J/cm² : tanh(x) = (33,75 − 80)/72 = −0,642, donc x = atanh(−0,642) = −0,762 (atanh : fonction réciproque de tanh) et T27J = −45 − 0,762 × 23,2 = −62,7 °C. Pour 40 J (50 J/cm²) : tanh(x) = −0,417, x = −0,444, T40J = −45 − 10,3 = −55,3 °C.
d) K2 : 110 J ≥ 40 J à −20 °C ✅. NL : 51,8 J ≥ 27 J à −50 °C ✅. Il les satisferait toutes deux (à condition que la dispersion des trois éprouvettes respecte la règle des 70 %).
Exercice 4 : le diagramme de Davidenkov N2 · chapitre 2
Pour un acier à grain de 20 µm, on prend (modèle de la manipulation 2) Re(T) = 240 + 1 383·exp(−0,00865·TK) en MPa, avec TK la température en kelvins (TK = T + 273,15), et σc = 900 MPa. Une entaille en V a un facteur de bridage q = 1,8 ; un choc équivaut, pour Re, à un refroidissement de 40 °C.
a) Calcule Re à +20 °C.
b) Trouve la température de transition d'un barreau lisse tiré lentement (q = 1, sans choc).
c) Même question pour une éprouvette Charpy V frappée.
d) Un grain plus fin porte σc à 1 050 MPa, sans changer Re. Que devient la transition Charpy ?
Voir la correction
a) TK = 293,15 K ; exp(−0,00865 × 293,15) = exp(−2,536) = 0,0792 ; Re = 240 + 1 383 × 0,0792 = 350 MPa.
b) On cherche q·Re = σc, soit Re = 900 MPa : exp(−0,00865·TK) = (900 − 240)/1 383 = 0,477, d'où TK = −ln(0,477)/0,00865 = 0,740/0,00865 = 85,5 K, soit Tt ≈ −188 °C.
c) Il faut Re = σc/q = 900/1,8 = 500 MPa, à la température « équivalente » TK − 40 : exp(−0,00865·(TK − 40)) = (500 − 240)/1 383 = 0,188, donc TK − 40 = 1,671/0,00865 = 193,2 K, TK = 233,2 K, soit Tt ≈ −40 °C. L'entaille et le choc ont relevé la transition de près de 150 °C.
d) Re = 1 050/1,8 = 583 MPa ; exp(…) = (583 − 240)/1 383 = 0,248 ; TK − 40 = 1,393/0,00865 = 161,1 K, TK = 201,1 K, soit Tt ≈ −72 °C : 32 °C gagnés, l'ordre de grandeur de la relation de Pickering pour un grain passant de 20 à 10 µm.
Exercice 5 : accepter ou refuser un PV N1 et N2 · chapitres 3 et 6
On exige 27 J à −20 °C (nuance J2). Pour chaque série de trois éprouvettes, dis si elle est acceptée.
a) 42 ; 25 ; 38 J.
b) 30 ; 18 ; 30 J.
c) 50 ; 17 ; 45 J.
d) 22 ; 24 ; 50 J.
e) Pour une nuance K2 (40 J à −20 °C) : 45 ; 33 ; 48 J.
Voir la correction
Règle : moyenne ≥ exigence ; au plus une valeur sous l'exigence ; aucune sous 70 % de l'exigence (0,7 × 27 = 18,9 J ; 0,7 × 40 = 28 J).
a) Moyenne (42 + 25 + 38)/3 = 35,0 J ≥ 27 ✅ ; une seule valeur sous 27 J (25 J), et 25 ≥ 18,9 ✅ : accepté.
b) Moyenne 26,0 J < 27 ❌ (et 18 < 18,9) : refusé.
c) Moyenne 37,3 J ✅, mais 17 J < 18,9 J ❌ : refusé.
d) Moyenne 32,0 J ✅, mais deux valeurs sous 27 J ❌ : refusé.
e) Moyenne 42,0 J ≥ 40 ✅ ; une seule valeur sous 40 J (33 J), et 33 ≥ 28 ✅ : accepté.
Les cas c) et d) montrent l'intérêt de la règle : dans la zone de transition, une valeur isolée très basse signale qu'on est au bord de la falaise.
Exercice 6 : décoder des désignations N1 · chapitres 5 et 6
a) Que garantissent S355JR, S355J2 et S355K2 ?
b) Que signifient les lettres N, NL, M et ML dans S460N, S460NL, S355M et S355ML ?
c) Décode l'électrode E 46 3 B.
d) Une passerelle extérieure doit servir jusqu'à −30 °C. Quelle nuance de base retiens-tu pour avoir une garantie à une température au moins aussi froide ? Que reste-t-il à vérifier ?
Voir la correction
a) Limite d'élasticité minimale de 355 MPa (S : acier de construction). JR : 27 J à +20 °C ; J2 : 27 J à −20 °C ; K2 : 40 J à −20 °C.
b) N : livré à l'état normalisé (EN 10025-3), 40 J à −20 °C ; NL : normalisé, qualité basse température, 27 J à −50 °C. M : laminé thermomécaniquement (EN 10025-4), 40 J à −20 °C ; ML : 27 J à −50 °C. Les deux voies donnent un grain fin.
c) E : électrode enrobée ; 46 : limite d'élasticité du métal fondu ≥ 460 MPa ; 3 : énergie moyenne de 47 J à −30 °C ; B : enrobage basique (bas hydrogène).
d) Une nuance NL ou ML, garantie à −50 °C. Un J2 ou un K2 n'est garanti qu'à −20 °C : il peut convenir en tôle mince, mais seulement après vérification. Il reste à vérifier l'épaisseur admissible avec l'EN 1993-1-10, et à qualifier un mode opératoire de soudage qui garantisse aussi la résilience du métal fondu et de la ZAT à la température exigée.
🏆 Défi : la ZAT qui ne passe pas N2 · chapitres 1 à 6
On qualifie un mode opératoire de soudage MAG (soudage à l'arc sous protection de gaz actif) multipasse sur une tôle de 30 mm en S355NL, pour une cuve qui servira jusqu'à −40 °C. Les essais de résilience se font à −50 °C (exigence : 27 J). Paramètres utilisés : tension U = 32 V, intensité I = 320 A, vitesse de soudage v = 3 mm/s, rendement thermique du procédé k = 0,8. Résultats :
- métal fondu (VWT 0/2) : 64 ; 58 ; 71 J ;
- ZAT (VHT) : 31 ; 19 ; 25 J.
a) Applique la règle de réception à chaque zone.
b) Calcule l'énergie de soudage Q = k·U·I/v, en kJ/mm.
c) Le métal de base a des grains de 15 µm et T27J ≈ −75 °C. On estime le grain de la ZAT à 100 µm. Avec la relation de Pickering, estime T27J de la ZAT. Est-ce cohérent avec les résultats ?
d) Propose un nouveau réglage ou d'autres parades, et calcule l'énergie de soudage avec U = 28 V, I = 240 A et v = 4,5 mm/s.
e) Pourquoi le métal fondu, lui, passe-t-il largement ?
Voir la correction
a) Métal fondu : moyenne (64 + 58 + 71)/3 = 64,3 J ≥ 27 J, aucune valeur sous 27 J ✅. ZAT : moyenne (31 + 19 + 25)/3 = 25,0 J < 27 J ❌, et deux valeurs sous 27 J ❌ : la ZAT est refusée, donc le mode opératoire n'est pas qualifié.
b) Q = 0,8 × 32 × 320/3 = 2 731 J/mm ≈ 2,7 kJ/mm (V × A = W = J/s, divisé par des mm/s : J/mm).
c) d−1/2 passe de 1/√0,015 = 8,16 à 1/√0,100 = 3,16 mm−1/2 : ΔT ≈ 11,5 × (8,16 − 3,16) ≈ +58 °C. T27J de la ZAT ≈ −75 + 58 ≈ −17 °C. À −50 °C, la ZAT est donc bien en dessous de sa transition, sur la pente basse de la falaise : quelques dizaines de joules, très dispersés. C'est cohérent avec 19 à 31 J.
d) Réduire l'énergie de soudage pour limiter le grossissement du grain : Q = 0,8 × 28 × 240/4,5 = 1 195 J/mm ≈ 1,2 kJ/mm, avec davantage de passes plus fines (chaque passe régénère la ZAT de la précédente). Limiter aussi la température entre passes. Autres parades : un acier dont la ZAT résiste mieux au grossissement du grain (microallié au titane, dont les fins nitrures bloquent les joints de grains, ou laminé thermomécaniquement), puis requalification.
e) Le métal fondu ne dépend pas du grain de la tôle : il est fait par le métal d'apport, dont la composition (souvent un peu de nickel) donne une structure fine de ferrite aciculaire, très tenace. Un fil classé, par exemple, pour 47 J à −50 °C a de la marge à cette température.
Quiz : 12 questions éclair
Chaque réponse est expliquée, même quand tu as juste
Fiche mémoire du cours 2
Neuf cases, neuf images : à photographier, puis à redessiner de tête
Le marteau-pendule
Ce que la barre a bu, le marteau ne le remonte pas. 300 J, 5,4 m/s.
La petite barre
10 × 10 × 55 mm, entaille en V de 2 mm, ligament 0,8 cm². Trois éprouvettes par température.
Le sachet de bonbons
Entaille, choc et froid montent le plafond jusqu'au mur : la transition remonte de −188 °C à −40 °C.
La falaise
Plateau ductile fibreux, falaise mixte et dispersée, plateau fragile cristallin. Les CFC n'ont pas de falaise.
Les dés
Dans la transition, la loterie du maillon faible : jamais un essai seul.
Le thermomètre-étiquette
Figure 17 : TK35 ≈ −62 °C, TK50 ≈ −45 °C. Toujours dire quel repère.
La table de mixage
Grain fin, nickel, manganèse au frais ; gros grain, carbone, azote vieilli, épaisseur au chaud.
L'étiquette de la nuance
J = 27 J, K = 40 J. La garantie de la tôle ne couvre pas la ZAT.
Le navire coupé en deux
Qualifier le métal fondu et la ZAT ; limiter l'énergie de soudage ; Liberty, Duplessis, King's Bridge.
Glossaire
Les mots, symboles et sigles de ce cours
- A, B, C, T0
- Paramètres de l'ajustement en tangente hyperbolique : niveau moyen, demi-hauteur, demi-largeur (en °C) et température du milieu de la transition.
- atanh, tanh
- Tangente hyperbolique (fonction en S entre −1 et +1) et sa réciproque.
- Bridage plastique, q
- Gêne au glissement créée par une entaille ; q est le rapport entre la contrainte d'ouverture qui fait plastifier le fond d'entaille et Re (1 pour un barreau lisse, jusqu'à 2,5 à 3).
- Certificat 3.1 (EN 10204)
- Document de contrôle d'un produit métallurgique, avec les résultats d'essais, validé par un représentant du fabricant indépendant de la production.
- CC, CFC
- Structures cristallines cubique centrée (aciers ferritiques : transition ductile-fragile) et cubique à faces centrées (aciers austénitiques, aluminium, cuivre, nickel : pas de transition).
- Charpy (essai)
- Essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée, au mouton-pendule ; mis au point par Georges Charpy vers 1901.
- Cristallinité, %C
- Pourcentage de la cassure occupé par la zone de clivage, brillante. Son complément est la surface ductile (fibreuse).
- Couteau
- Arête du marteau qui frappe l'éprouvette ; rayon 2 mm (KV2) ou 8 mm (KV8).
- Davidenkov (diagramme de)
- Comparaison, en fonction de la température, de la contrainte de glissement (q·Re) et de la contrainte de clivage σc ; leur croisement donne la transition.
- d, d−1/2
- Taille de grain (en µm ou mm) ; son inverse de la racine carrée, en mm−1/2, utilisé par la relation de Pickering.
- Dispersion
- Variation des résultats entre éprouvettes identiques ; maximale dans la zone de transition.
- E 42 4 B (EN ISO 2560-A)
- Désignation d'électrode enrobée : 42 = Re ≥ 420 MPa ; 4 = 47 J à −40 °C ; B = enrobage basique.
- ε̇
- « Epsilon point » : vitesse de déformation, en s⁻¹ ; environ 10⁻³ s⁻¹ en traction lente, 10² à 10³ s⁻¹ lors d'un choc Charpy.
- EN 10025-2, -3, -4
- Normes des aciers de construction : non alliés (JR, J0, J2, K2), normalisés (N, NL), thermomécaniques (M, ML).
- EN 1993-1-10
- Eurocode 3, partie 1-10 : choix de la qualité d'acier selon l'épaisseur, la température de service et la contrainte.
- EN ISO 148-1
- Norme de l'essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy ; EN ISO 148-2 : vérification des machines.
- EN ISO 15614-1, EN ISO 9016
- Qualification des modes opératoires de soudage des aciers ; essais de flexion par choc sur soudures et codage des positions d'entaille (VWT, VHT).
- Énergie de soudage Q
- Chaleur apportée par millimètre de cordon : Q = k·U·I/v, en kJ/mm (k : rendement thermique du procédé, 0,8 en MAG).
- Expansion latérale
- Élargissement de l'éprouvette rompue du côté comprimé, en mm : mesure de la déformation plastique.
- FATT
- Fracture appearance transition temperature : température à 50 % de surface cristalline ; le TK50 du polycopié.
- Ferrite aciculaire
- Structure du métal fondu faite de fines aiguilles de ferrite enchevêtrées, très tenace.
- ft·lbf
- Pied-livre force, unité d'énergie anglo-saxonne : 1 ft·lbf = 1,356 J ; 20 ft·lbf ≈ 27 J.
- g
- Accélération de la pesanteur, 9,81 m/s².
- h
- Hauteur du marteau au-dessus de son point le plus bas : h = R(1 − cos θ).
- IWE
- International Welding Engineer : ingénieur international en soudage.
- J, K, R, 0, 2 (nuances)
- Lettres de la désignation des aciers : J = 27 J, K = 40 J ; R = +20 °C, 0 = 0 °C, 2 = −20 °C.
- KC, KCV, KCU
- Résilience : énergie absorbée divisée par l'aire du ligament S, en J/cm², pour une entaille en V ou en U. À ne pas confondre avec la ténacité KC (en MPa·√m).
- KV, KU
- Énergie absorbée par une éprouvette entaillée en V ou en U, en joules (notation de l'EN ISO 148-1).
- Ligament
- Section de l'éprouvette restant sous l'entaille, celle qui se rompt : 8 × 10 mm, soit S = 0,8 cm², en V.
- M, R
- Masse du marteau (kg) et longueur du bras du pendule (m).
- MAG
- Soudage à l'arc sous protection de gaz actif, avec fil électrode fusible.
- Mouton-pendule
- Machine d'essai Charpy : un marteau (le mouton) au bout d'un bras pivotant.
- N, NL, M, ML
- Aciers normalisés ou thermomécaniques, garantis à 40 J à −20 °C (N, M) ou 27 J à −50 °C (NL, ML).
- Palier ductile, palier fragile
- Plateaux haut et bas de la courbe de transition (upper shelf, lower shelf).
- Pickering (relation de)
- Relation empirique donnant la température de transition des aciers ferrito-perlitiques en fonction de Si, N libre, perlite et taille de grain.
- PV
- Procès-verbal d'essai : document qui consigne les résultats.
- Re
- Limite d'élasticité, en MPa ; elle augmente au froid et avec la vitesse dans les aciers ferritiques.
- Résilience
- Énergie de rupture par choc rapportée à l'aire rompue (KC) ; par extension, aptitude à résister au choc.
- S
- Aire du ligament rompu, en cm² (notée A dans le polycopié).
- σc
- Contrainte critique de clivage, en MPa ; presque indépendante de T, plus élevée pour un grain fin.
- T, TK
- Température en °C ; en kelvins, TK = T + 273,15.
- Tt, T27J, T40J, TK35, TK50
- Températures de transition : générale ; à 27 J ; à 40 J ; à 35 J/cm² ; à 50 % de surface cristalline.
- θ, θi, θf
- « Thêta » : angle du bras avec la verticale descendante ; au lâcher et à la remontée.
- Thermiquement activé
- Se dit d'un mécanisme aidé par l'agitation thermique : plus lent et plus difficile au froid ou quand le temps manque.
- Vieillissement (après écrouissage)
- Durcissement et fragilisation lents d'un acier écroui, dus à l'azote libre qui bloque les dislocations.
- VWT 0/2, VHT
- Codage EN ISO 9016 : entaille en V, dans le métal fondu (W) ou la ZAT (H), traversant l'épaisseur (T), position et profondeur en mm.
- Wr
- Énergie de rupture absorbée par l'éprouvette, en J.
- ZAT
- Zone affectée thermiquement : métal de base modifié par la chaleur du soudage, sans avoir fondu.
- ≈, ≥, ∝
- « Environ égal à » ; « supérieur ou égal à » ; « proportionnel à ».
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