Mécanique de la rupture, série 1 : de la cassure au défaut acceptable

L'essai Charpy : la transition ductile-fragile

Cours2 sur 4 : la résilience, sa mesure et sa chute au froid
Durée conseillée≈ 2 h 30 à 3 h avec les exercices
Prérequiscours 1 (glissement ou clivage, faciès de rupture) ; énergie potentielle mgh ; cosinus
À la fin tu saiscalculer et lire un essai Charpy, tracer une courbe de transition, choisir une nuance d'acier et juger un PV de résilience

Le 16 janvier 1943, à Portland, dans l'Oregon, le pétrolier Schenectady, tout juste sorti du chantier, se brise en deux le long du quai, par une nuit froide et une mer calme. La détonation s'entend à plus d'un kilomètre. Il n'était même pas chargé. Son acier, parfaitement ductile en été, était devenu fragile comme du verre en hiver. Le cours 1 a montré pourquoi c'est possible : au froid, le glissement devient difficile et le clivage gagne la course. Ce cours apprend à mesurer ce basculement avec un essai d'une simplicité désarmante : un marteau-pendule qui casse une petite barre entaillée, et la hauteur à laquelle il remonte. En répétant l'essai à plusieurs températures, on obtient la courbe de transition de l'acier : le document le plus consulté pour éviter qu'un pont, une cuve ou une coque soudée ne casse un matin d'hiver.

Le code couleur de la série

Orange : les actions extérieures, le poids du marteau M·g et le choc du couteau.
Noir : les vecteurs et la géométrie dessinée (pendule, éprouvette, entaille).
Bronze : les encadrés « métier » 🔥, tournés vers le soudage.

Avant de commencer

Le cours 1 en trois cases

plafond τc ou mur σc
Quand on charge, le cisaillement approche de la résistance au glissement τc ≈ Re/2, la traction de la contrainte de clivage σc. Le premier seuil atteint décide : glissement, rupture ductile ; ouverture, rupture fragile. Le froid relève Re, l'entaille bride le glissement.
clivage : plat, brillant
La rupture fragile des aciers ferritiques fend les grains le long de leurs plans cristallins : cassure plate, scintillante, « cristalline », facettes et rivières au microscope. Seuls les métaux cubiques centrés (CC) et hexagonaux clivent ; les cubiques à faces centrées (CFC) jamais.
ductile : mat, fibreux
La rupture ductile fait germer, croître et se rejoindre des cavités autour des inclusions : cassure mate, grise, fibreuse, cupules au microscope, lèvres de cisaillement à 45° près des surfaces libres. Elle absorbe beaucoup d'énergie.
📘 Correspondance avec le polycopié de référence (Partie I : Mécanique de la rupture). Ce cours couvre le § II.B « L'essai de résilience », pages 11 et 12, figures 15 à 17, et s'appuie sur les états de contrainte plane et de déformation plane des pages 19 et 20 :
Chapitre du coursPolycopié
1 Le mouton-pendulep. 11, § II.B.1, figure 15
2 Entaille, choc et froidp. 11, § II.B.2 ; p. 19 et 20, figures 24 et 25 ; mécanisme hors poly
3 La courbe de transitionp. 11 et 12, § II.B.2, figures 16 et 17
4 Les températures de transitionp. 12, figure 17 (TK35, TK50) ; T27J hors poly
5 Ce qui déplace la transitionp. 11 (CC et CFC) ; facteurs métallurgiques hors poly
6 Charpy et soudagehors poly : nuances d'acier, qualifications, histoire
Le polycopié consacre deux pages à cet essai ; ce cours les complète largement (étiquette hors poly), car la résilience est l'une des propriétés les plus utilisées en soudage : nuances d'acier, certificats, qualifications de modes opératoires.
🔎 Quatre remarques de lecture

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.

🔥 Pourquoi ce cours compte en soudage

(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

1 Les visagesDuctile ou fragile : lire une cassure et remonter à sa cause.
2 CharpyLa résilience et la transition ductile-fragile des aciers.
3 Le facteur KDu défaut à la fissure : concentration et intensité de contrainte.
4 Ténacité et défautsKIC, CTOD, J et le diagramme FAD : un défaut est-il acceptable ?

Le plan du cours

  1. 1Le mouton-pendule

    Une hauteur perdue, une énergie de rupture : W = MgR(cos θf − cos θi), KV et KCV.

  2. 2Entaille, choc et froid

    Les trois accélérateurs de fragilité, et pourquoi la transition existe.

  3. 3La courbe de transition

    Deux plateaux et une falaise ; les faciès fragile, mixte et ductile.

  4. 4Les températures de transition

    TK35, TK50, T27J : résumer une courbe par une température.

  5. 5Ce qui déplace la transition

    Grain, nickel, vieillissement, épaisseur, soudage : vers le chaud ou vers le froid.

  6. 6Charpy et soudage

    Les nuances JR à NL, les qualifications de modes opératoires, et les leçons de l'histoire.

1

Le mouton-pendule

Une hauteur perdue, une énergie de rupture

🔨Image à retenirLe marteau-pendule : lâché d'en haut, il casse la barre et remonte moins haut ; la hauteur perdue, c'est l'énergie de la rupture
👁 Niveau 1 : voir la balançoire qui casse une barre

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.

ÉprouvetteÉnergie absorbée typiqueLe marteau remonte…
Acier ductile (palier haut)150 à 250 Jà peine au-dessus de l'horizontale
Acier dans sa zone de transition20 à 100 Jassez haut, et les résultats varient d'une éprouvette à l'autre
Acier fragile (palier bas)3 à 10 Jpresque 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.

150°

🎓 Niveau 2 : maîtriser le bilan d'énergie et l'éprouvette normalisée

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 = M·g·R·(cos θf − cos θi)

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.

📖 KV, KCV et KCU. La norme EN ISO 148-1 note KV l'énergie absorbée par une éprouvette entaillée en V, en joules (KU pour une entaille en U). Le polycopié (p. 11) divise cette énergie par l'aire S du ligament rompu : c'est la résilience KC = Wr/S, en J/cm², notée KCV ou KCU selon la forme de l'entaille. Sur l'exemple, KCV = 57,5/0,8 = 71,9 J/cm².

L'éprouvette normalisée hors poly

ÉlémentValeur (EN ISO 148-1)
Barreau10 × 10 × 55 mm
Entaille en Vprofondeur 2 mm, angle 45°, rayon à fond d'entaille 0,25 mm
Ligament sous l'entaille8 × 10 mm, soit S = 0,8 cm²
Entaille en Uprofondeur 5 mm (rayon à fond d'entaille 1 mm), soit S = 0,5 cm²
Distance entre appuis40 mm
Couteaurayon 2 mm (noté KV2) ou 8 mm (KV8, usage américain)
Éprouvettes réduitesépaisseur 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.

⚠️ Piège : l'angle se mesure depuis la verticale descendante. Avec θ = 0 au point le plus bas, h = R(1 − cos θ). Un lâcher « à l'horizontale » correspond à θi = 90°, et un lâcher au-dessus de l'horizontale à θi > 90° (cos θi < 0) : ne pas oublier le signe du cosinus.
⚠️ Piège : KV n'est pas une propriété de calcul. L'énergie Charpy dépend de l'éprouvette, de l'entaille, de la vitesse et de la machine. Elle sert à comparer et à réceptionner des matériaux, pas à calculer directement une pièce. Le passage à une grandeur de calcul, la ténacité, se fera au cours 4.
🧠 Mnémotechnique : « ce que la barre a bu, le marteau ne le remonte pas ». Plus la remontée est basse, plus l'acier était tenace.
🔥 Une machine qu'on vérifie

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.

2

Entaille, choc et froid

Les trois accélérateurs de fragilité

🍬Image à retenirLe sachet de bonbons : impossible à déchirer sans l'encoche ; avec elle, d'un coup sec, il s'ouvre net, surtout sorti du congélateur
👁 Niveau 1 : voir un essai conçu pour piéger la 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.

🎓 Niveau 2 : maîtriser le diagramme de Davidenkov

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
q·Re(Tt, ε̇) = σc(d)

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.

📖 Pourquoi Re dépend de T et de la vitesse hors poly : dans le fer α (cubique centré), une dislocation doit franchir à chaque pas une petite barrière d'énergie, qu'elle passe en partie grâce à l'agitation thermique. Moins il fait chaud, ou moins elle a de temps (choc), moins l'agitation l'aide : il faut plus de contrainte. C'est un phénomène thermiquement activé, ce qui explique l'équivalence approximative entre « plus vite » et « plus froid ». Dans les métaux CFC, cette barrière est négligeable : Re varie peu, et il n'y a pas de transition.
📖 Contrainte plane et déformation plane (polycopié, p. 19 et 20, figures 24 et 25). Près des faces de l'éprouvette, la contrainte perpendiculaire à la surface est nulle (contrainte plane) : la matière glisse à 45°, d'où les lèvres de cisaillement sur les bords de la cassure (figure 16c). Au cœur, la matière ne peut pas se contracter dans l'épaisseur (déformation plane) : l'état est triaxial et la rupture s'ouvre à plat. Plus une pièce est épaisse, plus la part de déformation plane est grande : à acier égal, une tôle épaisse est plus fragile qu'une tôle mince, et une éprouvette réduite (5 mm) transite à plus basse température qu'une éprouvette normale.
⚠️ Piège : la transition n'est pas une propriété du seul acier. Elle dépend aussi de la géométrie (entaille, épaisseur) et de la vitesse. On ne compare deux températures de transition que si elles sont mesurées de la même façon (même éprouvette, même critère, chapitre 4).
⚠️ Piège : la transition ne dit pas que la pièce cassera. En dessous de Tt, une rupture fragile peut se produire si une contrainte suffisante agit sur un défaut ; au-dessus, la rupture, si elle arrive, sera ductile. La question « à quelle contrainte, pour quel défaut » relève des cours 3 et 4.
🧠 Mnémotechnique : « entaille, choc et froid montent le plafond ». Le mur σc, lui, ne monte qu'avec un grain plus fin.
🔥 Les entailles naturelles des soudures

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).

3

La courbe de transition

Deux plateaux et une falaise

⛰️Image à retenirLa falaise entre deux plateaux : en haut le plateau ductile, en bas le plateau fragile, et entre les deux une pente où l'on glisse au hasard
👁 Niveau 1 : voir l'acier qui change de caractère

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).

🎓 Niveau 2 : maîtriser paliers, dispersion et faciès mixtes
📖 Palier ductile (en anglais upper shelf) : domaine des hautes températures, où la rupture est entièrement ductile ; son énergie dépend surtout de la propreté de l'acier (les inclusions, cours 1, chapitre 5) et peu de la température. Palier fragile (lower shelf) : domaine des basses températures, rupture entièrement par clivage, quelques joules seulement. Zone de transition : entre les deux, rupture mixte et énergie très sensible à la température.
📖 Pourcentage de surface cristalline (« cristallinité » de la figure 17) : part de la section rompue occupée par la zone de clivage, brillante. Son complément est le pourcentage de surface ductile (fibreuse), en anglais shear fracture appearance. On l'estime en mesurant la zone cristalline ou en comparant la cassure à des images types (annexe de l'EN ISO 148-1).

L'histoire d'une éprouvette mixte

  1. Au fond de l'entaille, une petite fissure ductile s'amorce et avance de quelques dixièmes de millimètre : une bande fibreuse sous l'entaille ;
  2. 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 ;
  3. 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) :

KV(T) = A + B·tanh(T − T0C)

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.

⚠️ Piège : un seul essai dans la transition ne veut rien dire. La dispersion y est énorme : c'est pourquoi on casse au moins trois éprouvettes par température, et pourquoi les normes jugent la moyenne et la plus faible valeur (chapitre 6).
⚠️ Piège : palier haut et transition sont deux choses différentes. Un acier sale (beaucoup de soufre) a un palier ductile bas, mais pas forcément une transition plus chaude ; un acier à gros grains a une transition plus chaude, mais pas forcément un palier plus bas.
🧠 Mnémotechnique : « plateau, falaise, plateau ». En haut on marche (ductile), en bas on est tombé (fragile), et sur la falaise on ne sait jamais où l'on va glisser (dispersion).
🔥 Une seule température sur le certificat

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.

4

Les températures de transition

Résumer une courbe par une seule température

🌡️Image à retenirLe thermomètre-étiquette : on colle sur chaque acier une température, mais elle dépend de la règle choisie pour la lire
👁 Niveau 1 : voir une falaise, plusieurs repères

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.

🎓 Niveau 2 : maîtriser conversions, critères et interpolation

Joules ou joules par cm² ?

KV = KCV × S   avec   S = 0,8 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).

📖 Température de transition Tx : température à laquelle la courbe de transition (moyenne) atteint le critère x : une énergie (T27J, T40J), une résilience (TK35, TK28), ou un aspect de cassure (TK50, ou FATT, à 50 % de surface cristalline). Une température de transition plus basse signifie un acier meilleur vis-à-vis de la rupture fragile.

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 :

T27J ≈ T1 + (T2 − T1)·27 − KV1KV2 − KV1

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.

⚠️ Piège : KCU et KCV ne se convertissent pas. L'entaille en U, émoussée, bride beaucoup moins la matière que l'entaille en V : la résilience KCU est plus élevée et la transition plus froide. Il n'existe pas de règle fiable pour passer de l'une à l'autre ; les anciens documents en KCU sont à requalifier en KV.
⚠️ Piège : les éprouvettes réduites. Une éprouvette de 5 mm absorbe moins d'énergie (moins de matière) mais transite à plus basse température (moins de déformation plane, chapitre 2). Les normes réduisent les exigences à proportion de la section, mais la comparaison avec une éprouvette normale demande de la prudence.
🧠 Mnémotechnique : « 35 sur le cm², 28 sur l'éprouvette, 27 dans la norme ». Et toujours la question : quel repère, et à combien de degrés sous la température de service ?
🔥 Ce que dit vraiment « J2 »

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.

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Ce qui déplace la transition

Vers le chaud ou vers le froid : les curseurs du métallurgiste

🎚️Image à retenirLa table de mixage : chaque curseur pousse la falaise vers le chaud (danger) ou vers le froid (sécurité)
👁 Niveau 1 : voir la falaise qui se déplace

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 thermomécaniquementgros grain : surchauffe, forte énergie de soudage, ZAT près de la ligne de fusion
nickel en solution dans la ferritecarbone et perlite abondante
manganèse (un rapport Mn/C élevé)azote libre et écrouissage, qui provoquent le vieillissement
revenu d'une structure trempéephosphore et impuretés aux joints (fragilisation de revenu, cours 1)
éprouvette ou tôle mincetôle 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.

🎓 Niveau 2 : maîtriser les mécanismes et une relation chiffrée

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) :

Tt ≈ −19 + 44·(%Si) + 700·√(%Nlibre) + 2,2·(%perlite) − 11,5·d−1/2

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

FacteurEffetPourquoi
Nickelvers le froid, nettement : les aciers à 3,5 % Ni servent vers −100 °C, ceux à 9 % Ni jusqu'à −196 °Cil facilite le glissement de la ferrite au froid
Manganèsevers le froidil affine la perlite et le grain ; un rapport Mn/C élevé est favorable
Carbone, perlitevers le chaud, et palier ductile plus basles lamelles de cémentite amorcent le clivage
Azote libre + écrouissagevers le chaud, de l'ordre de +20 à +50 °Cvieillissement : les atomes d'azote viennent bloquer les dislocations créées par l'écrouissage (pliage, cintrage à froid, puis chauffage modéré)
Phosphore, étain, antimoinevers le chaud après certains revenusségrégation aux joints : fragilisation de revenu, rupture intergranulaire (cours 1)
Soufrepalier ductile plus basinclusions de MnS : plus de cupules, plus tôt
Épaisseurpièce épaisse : vers le chaud ; éprouvette réduite : vers le froidpart de déformation plane (chapitre 2)
Irradiation neutroniquevers le chauddéfauts créés dans le cristal : cuves de réacteurs nucléaires surveillées par des éprouvettes Charpy
📖 Vieillissement : évolution lente des propriétés d'un acier au cours du temps, à température ambiante ou modérée (vers 100 à 300 °C). Après un écrouissage (une déformation plastique à froid), il durcit l'acier et le fragilise : c'est le vieillissement après écrouissage. Les aciers calmés à l'aluminium, dont l'azote est fixé sous forme de nitrures, y sont peu sensibles.
⚠️ Piège : résistance et transition varient souvent en sens inverse. Durcir un acier par le carbone, l'écrouissage ou le vieillissement relève sa transition. Seul l'affinement du grain améliore les deux à la fois (cours 1, chapitre 3).
⚠️ Piège : la transition du métal de base ne dit rien de la ZAT. Le cycle thermique du soudage change localement le grain et la structure : la ZAT à gros grains peut transiter 30 à 60 °C plus haut que la tôle.
🧠 Mnémotechnique : « Nickel et grain fin au frais ; carbone, azote et gros grain au chaud ». Et l'austénite n'a pas de falaise.
🔥 Les curseurs du soudeur
  • 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.
6

Charpy et soudage

Nuances, qualifications et leçons de l'histoire

🚢Image à retenirLe pétrolier coupé en deux à quai, par une nuit d'hiver : la leçon qui a fait inscrire la résilience dans le nom des aciers
👁 Niveau 1 : voir trois usages, trois leçons
🔥 Trois catastrophes qui ont fait l'essai Charpy moderne
1943
Schenectady. Pendant la guerre, les États-Unis construisent en série plus de 2 700 cargos Liberty et des centaines de pétroliers, parmi les premiers navires entièrement soudés. Des centaines présentent des fissures fragiles, et plusieurs se brisent en deux, comme le pétrolier Schenectady à quai, en janvier 1943. Les enquêtes, auxquelles participe la métallurgiste britannique Constance Tipper, montrent le rôle des détails soudés (coins d'écoutille, défauts) et surtout de la mauvaise résilience de l'acier au froid.
1951
Pont Duplessis. Au Québec, en janvier 1951, par grand froid, une partie de ce pont routier en acier s'effondre dans la rivière Saint-Maurice. L'enquête met en cause un acier devenu fragile à basse température.
1962
King's Bridge. À Melbourne, par un matin d'hiver, une travée de ce pont s'effondre sous un camion. Les poutres ont cassé de façon fragile à partir de fissures au pied de cordons d'angle, dans un acier de faible résilience.

De ces leçons sont nés trois usages quotidiens de l'essai Charpy :

  1. 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).
  2. 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.
  3. 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.

🎓 Niveau 2 : maîtriser normes, positions d'entaille et règles de réception

Les garanties des aciers de construction hors poly

SymboleNormeÉnergie KV minimaleTempérature d'essai
JREN 10025-2 (non allié)27 J+20 °C
J0EN 10025-227 J0 °C
J2EN 10025-227 J−20 °C
K2EN 10025-240 J−20 °C
N / MEN 10025-3 (normalisé) / -4 (thermomécanique)40 J−20 °C
NL / MLEN 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.

📖 Règle de réception (normes d'aciers EN 10025, reprise dans les qualifications) : la moyenne des trois éprouvettes doit atteindre la valeur exigée ; une seule valeur individuelle peut être inférieure à l'exigence, à condition de ne pas descendre sous 70 % de celle-ci. Pour 27 J : moyenne ≥ 27 J, au plus une valeur entre 18,9 et 27 J, aucune sous 18,9 J.

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.

📖 La résilience dans le nom des métaux d'apport : la désignation d'une électrode enrobée selon l'EN ISO 2560-A, par exemple E 42 4 B, se lit : E, électrode ; 42, limite d'élasticité du métal fondu d'au moins 420 MPa ; 4, une énergie moyenne de 47 J à −40 °C (2 pour −20 °C, 3 pour −30 °C, 5 pour −50 °C…) ; B, enrobage basique.
⚠️ Piège : la garantie de la tôle ne couvre ni la ZAT ni le métal fondu. C'est le mode opératoire qualifié (énergie, température entre passes, métal d'apport) qui garantit la résilience du joint.
⚠️ Piège : une moyenne conforme ne suffit pas. 50, 17 et 45 J font une moyenne de 37 J, mais 17 J est sous 70 % de 27 J : le PV est refusé. Et 22, 24 et 50 J font 32 J de moyenne, mais avec deux valeurs sous 27 J : refusé aussi.
⚠️ Piège : température d'essai et température de service ne sont pas la même chose. Une nuance J2 peut convenir à −30 °C en tôle mince, et ne pas convenir à −10 °C en tôle très épaisse : c'est l'Eurocode 3, partie 1-10, qui fait le lien, en tenant compte de l'épaisseur et du niveau de contrainte.
🧠 Mnémotechnique : « J comme Joule ordinaire (27), K comme Kilo de marge (40) ; R la Room, 0 le zéro, 2 les −20 ». Et pour le PV : « la moyenne passe, une seule triche, jamais sous 70 % ».
✎

Exercices corrigés

Six exercices et un défi, du pendule à la qualification

🏋️Image à retenirLa salle de musculation : on ne progresse qu'en soulevant soi-même
👁 Mode d'emploi calculatrice en degrés !

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

🎯Image à retenirLa cible : vise 10 sur 12
Score : 0 / 12
★

Fiche mémoire du cours 2

Neuf cases, neuf images : à photographier, puis à redessiner de tête

📸Image à retenirLe musée de la rupture, salle 2
🔨

Le marteau-pendule

Wr = MgR(cos θf − cos θi)

Ce que la barre a bu, le marteau ne le remonte pas. 300 J, 5,4 m/s.

📏

La petite barre

KV = 0,8 × KCV

10 × 10 × 55 mm, entaille en V de 2 mm, ligament 0,8 cm². Trois éprouvettes par température.

🍬

Le sachet de bonbons

q·Re(Tt, ε̇) = σc

Entaille, choc et froid montent le plafond jusqu'au mur : la transition remonte de −188 °C à −40 °C.

⛰️

La falaise

KV = A + B·tanh((T − T0)/C)

Plateau ductile fibreux, falaise mixte et dispersée, plateau fragile cristallin. Les CFC n'ont pas de falaise.

🎲

Les dés

moyenne ≥ exigence ; une seule ≥ 70 %

Dans la transition, la loterie du maillon faible : jamais un essai seul.

🌡️

Le thermomètre-étiquette

TK35 ≈ T27J ; TK50 = 50 % cristallin

Figure 17 : TK35 ≈ −62 °C, TK50 ≈ −45 °C. Toujours dire quel repère.

🎚️

La table de mixage

ΔTt ≈ −11,5·Δ(d−1/2)

Grain fin, nickel, manganèse au frais ; gros grain, carbone, azote vieilli, épaisseur au chaud.

🏷️

L'étiquette de la nuance

JR +20 · J0 0 · J2 −20 · K2 40 J · NL −50

J = 27 J, K = 40 J. La garantie de la tôle ne couvre pas la ZAT.

🚢

Le navire coupé en deux

VWT, VHT · E 42 4 B

Qualifier le métal fondu et la ZAT ; limiter l'énergie de soudage ; Liberty, Duplessis, King's Bridge.

🏛 La visite du musée, salle 2 (2 minutes, les yeux fermés) : au milieu de la salle, un énorme marteau-pendule 🔨 se balance et casse, à chaque passage, une petite barre 📏 de 55 mm posée sur deux appuis. La barre porte une encoche, comme un sachet de bonbons 🍬 sorti du congélateur, qui s'ouvre net d'un coup sec. Les morceaux tombent du haut d'une falaise ⛰️ entre deux plateaux, où des joueurs lancent des dés 🎲 pour savoir s'ils casseront fragile ou ductile. Au bord de la falaise, un thermomètre-étiquette 🌡️ marque −62 °C. Un ingénieur du son pousse les curseurs d'une table de mixage 🎚️ : la falaise glisse vers le froid. Il colle sur chaque tôle une étiquette 🏷️ « J2 », puis les charge sur un navire 🚢 qui, une nuit d'hiver, se brise en deux à quai.
A–Z

Glossaire

Les mots, symboles et sigles de ce cours

📖Image à retenirLe dictionnaire : un mot flou, un clic
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 ».
✓

Suis-je prêt pour la suite ?

Dix points à cocher de tête

🧳Image à retenirLa valise bouclée avant le départ pour le cours 3

Coche seulement ce que tu sais faire sans regarder. Tes coches restent enregistrées dans ce navigateur.

🔭 Au prochain épisode, cours 3 : du défaut à la fissure. L'essai Charpy compare les aciers, mais ne dit pas à quelle contrainte une pièce fissurée va casser. Pour le savoir, il faut passer de l'entaille grossière à la fissure aiguë. On verra pourquoi les matériaux réels cassent cent à mille fois plus tôt que ne le prévoit la cohésion des atomes (polycopié, p. 12 à 14), comment un trou ou une entaille concentrent la contrainte (le facteur Kt), pourquoi la contrainte à la pointe d'une fissure devient infinie, et comment un seul nombre, le facteur d'intensité de contrainte K = σY√a, résume la sévérité d'une fissure (p. 14 à 21).