La carte des dangers et les fissurations

Un inox contient une dizaine d'éléments. Impossible de prévoir sa structure élément par élément : on les range en deux équipes.

• L'équipe de la ferrite (les éléments dits alphagènes) : le chrome, le molybdène, le silicium, le niobium. On additionne leurs teneurs, chacune pesée selon sa force comparée à celle du chrome : c'est le chrome équivalent Cr_eq.
• L'équipe de l'austénite (les éléments gammagènes) : le nickel, le carbone, le manganèse, l'azote. Même principe, pesés par rapport au nickel : c'est le nickel équivalent Ni_eq.

Ces deux nombres sont les coordonnées d'un point sur une carte, comme la longitude et la latitude sur un GPS. En 1949, Anton Schaeffler a dessiné cette carte pour le métal fondu des soudures : à droite, le pays de la ferrite (F) ; en haut, celui de l'austénite (A) ; en bas à gauche, celui de la martensite (M) ; entre les trois, des zones frontières où deux ou trois structures cohabitent. Des lignes obliques donnent le pourcentage de ferrite, de 0 à 100 %.

Plus tard, Bystram a colorié sur la même carte les quartiers dangereux, chacun lié à une plage de températures :

• 🔥 fissuration à chaud, au-dessus d'environ 1 250 °C, dans l'austénite pure (en haut) ;
• ❄️ fissuration à froid par la martensite, au-dessous d'environ 400 °C (en bas à gauche) ;
• σ fragilisation par la phase sigma, lors de séjours entre environ 500 et 900 °C, quand il y a beaucoup de chrome (à droite) ;
• 🔍 grossissement de grain, au-dessus d'environ 1 150 °C, dans la ferrite (en bas à droite).

Au milieu reste un petit triangle sûr : de l'austénite avec un peu de ferrite. C'est là que visent les métaux d'apport des inox austénitiques, comme le 19 9 L ou le 19 12 3 L.

Les équivalents de Schaeffler

Le coefficient 30 du carbone saute aux yeux : 0,1 % de carbone pèse autant que 3 % de nickel. C'est pourquoi l'acier au carbone S355, presque sans nickel, a un Ni_eq d'environ 6 et tombe dans la martensite. Les coefficients sont des moyennes tirées d'essais ; ils ne valent que pour le diagramme avec lequel ils ont été établis.

L'azote compte beaucoup. Le duplex 2205 contient environ 0,17 % d'azote. Sans l'azote, Schaeffler le place à 83 % de ferrite ; en ajoutant 30·N (DeLong), le point monte de 5 unités et la ferrite tombe à 30 %. Un duplex réel soudé en compte entre ces deux valeurs. Vérifie-le avec le bouton « Compter l'azote ».

Assemblage hétérogène : la dilution est un levier

Dans la zone fondue, le métal d'apport se mélange au métal de base fondu. La dilution D est la part du métal de base dans ce mélange (mesurée sur une macrographie : aire de métal de base fondu divisée par l'aire totale de la zone fondue). Pour chaque élément :

Comme Cr_eq et Ni_eq sont des sommes pondérées, ils suivent la même loi : le point de la zone fondue est sur le segment qui relie le point de l'apport au point du métal de base, à la distance D de l'apport. C'est la règle du levier, sur la carte. Exemple, S355 et 304L à parts égales (point moyen Cr_eq ≈ 9,7 ; Ni_eq ≈ 8,2), D = 30 % :

• avec un apport 23 12 L (309L) : zone fondue à Cr_eq = 19,85, Ni_eq = 12,6, austénite avec environ 3 % de ferrite : zone sûre ;
• avec un apport 19 9 L (308L) : Cr_eq = 17,4, Ni_eq = 10,5 : le point passe sous la frontière de la martensite, zone A + M + F : risque de fissuration à froid.

C'est la raison d'être des apports « surchargés » en chrome et en nickel comme le 23 12 L : ils gardent de la marge quand la dilution par l'acier au carbone tire le point vers la martensite.

Quand de l'eau salée gèle, les premiers glaçons sont presque purs : ils repoussent le sel dans l'eau restante, de plus en plus salée. Un métal qui se solidifie fait pareil. Les premiers cristaux, en forme d'arbre (les dendrites), repoussent dans le liquide les éléments qu'ils n'aiment pas. Le dernier liquide, coincé entre les dendrites, concentre les impuretés comme le soufre et le phosphore.

Dans un inox austénitique, le premier solide peut être de l'austénite γ ou de la ferrite δ. C'est le rapport Cr_eq/Ni_eq qui décide. On distingue quatre modes de solidification, du moins au plus chromé :

• A : tout se solidifie en austénite. Le dernier liquide, très chargé en impuretés, mouille les joints : c'est le mode le plus fragile à chaud.
• AF : l'austénite d'abord, puis un peu de ferrite tout à la fin, entre les dendrites.
• FA : la ferrite d'abord, puis l'austénite se forme autour d'elle à la fin de la solidification. En refroidissant, l'austénite dévore la plus grande partie de la ferrite ; il n'en reste qu'un squelette au cœur des anciennes dendrites, quelques %.
• F : tout se solidifie en ferrite ; l'austénite apparaît ensuite, à l'état solide, en lattes le long des joints.

Pour les austénitiques, le mode FA est l'objectif : la ferrite qui pousse en premier accepte mieux le soufre et le phosphore, et le peu qui en reste à froid protège le métal fondu. Le seuil se situe vers Cr_eq/Ni_eq ≈ 1,5 à 1,55 avec les équivalents de Hammar et Svensson : au-dessus, la ferrite pousse en premier.

La coupe du diagramme ternaire

Les inox austénitiques sont proches d'un ternaire fer-chrome-nickel à environ 70 % de fer. Sur une coupe verticale de ce ternaire (le chrome augmente vers la droite pendant que le nickel diminue), le liquidus a deux branches : à gauche l'austénite se forme en premier, à droite la ferrite. Entre les deux, un petit domaine triangulaire à trois phases, liquide + γ + δ, où la solidification se termine pour les modes AF et FA. Sous le solidus, un domaine γ + δ s'élargit en descendant : la ferrite devient instable et se transforme en austénite à l'état solide.

Avec les équivalents de Hammar et Svensson, la frontière entre solidification primaire austénitique (A, AF) et ferritique (FA, F) se situe vers Cr_eq/Ni_eq ≈ 1,5 à 1,55. Exemple, l'apport 19 9 L (C 0,02 ; Mn 1,7 ; Si 0,4 ; Cr 20,0 ; Ni 10,0 ; Mo 0,1 ; N 0,05 ; Cu 0,1) : Cr_eq = 20,74, Ni_eq = 11,78, rapport 1,76 : ferrite primaire. Ce seuil varie un peu avec la somme Cr_eq + Ni_eq et avec la vitesse : un refroidissement très rapide, comme en soudage laser, peut faire basculer un métal FA en mode A.

Une ferrite résiduelle hors d'équilibre

À l'équilibre, un métal FA devrait finir presque entièrement austénitique. Mais la transformation δ → γ demande de la diffusion, et le refroidissement d'un cordon est rapide : elle se fige en route. Plus on refroidit vite, plus elle se fige tôt, et plus il reste de ferrite. Dans le métal déposé des apports austénitiques, on vise en général 3 à 8 % de ferrite.

• Trop peu (moins de 3 % environ) : la protection contre la fissuration à chaud disparaît.
• Trop (au-delà d'environ 8 %) : les îlots de ferrite se touchent et forment un réseau continu. Or la ferrite, cubique centrée, devient fragile à basse température : la ténacité du métal fondu chute pour les services cryogéniques (sa TTDF, température de transition ductile-fragile, remonte). Et la ferrite, où le chrome diffuse beaucoup plus vite que dans l'austénite, se transforme plus vite en phase σ ou se démixte vers 475 °C (cours 4).

Mesurer la ferrite : le FN

La ferrite est magnétique, l'austénite ne l'est pas : on mesure donc la ferrite avec un appareil magnétique, étalonné selon l'ISO 8249. Le résultat est un indice, le FN (Ferrite Number), proche du pourcentage de ferrite jusqu'à environ 15, puis plus élevé que lui. Les diagrammes récents (DeLong, WRC-1992) sont gradués en FN ; Schaeffler l'était en %.

À la fin de la solidification, le bain n'est plus liquide mais pas encore solide : des dendrites presque jointives, séparées par de minces films de liquide. Pendant ce temps, le métal se contracte en refroidissant et la pièce, bridée, tire sur le cordon. Les dendrites, collées par du liquide, ne résistent pas plus que deux tartines collées au miel : elles se séparent. Le film se déchire, et la fissure suit les joints entre dendrites.

Trois ingrédients sont réunis dans une fissuration à chaud de solidification :

1. des films liquides qui mouillent les joints entre dendrites, d'autant plus que le liquide est riche en soufre et en phosphore, qui forment des composés fondant bas ;
2. un large intervalle de solidification : plus la plage de températures où ces films subsistent est large, plus longtemps le métal reste vulnérable ;
3. des contraintes d'ouverture : le retrait du métal, empêché par le bridage.

Les fissures apparaissent à haute température, juste derrière le bain ; elles sont souvent visibles au milieu du cordon, dans son axe, ou dans le cratère de fin de cordon. Leurs faces, oxydées à chaud, ont souvent des teintes de recuit.

La ségrégation : la loi de Scheil

Le coefficient de partage k d'un élément est le rapport de sa teneur dans le solide qui se forme à sa teneur dans le liquide voisin. Si k est petit, le solide refuse l'élément, qui s'accumule dans le liquide restant. Si la diffusion dans le solide est négligeable, la teneur du liquide suit la loi de Scheil :

Le soufre et le phosphore ont des coefficients de partage très faibles, plus faibles dans l'austénite que dans la ferrite, où ils sont plus solubles. Le dernier liquide d'un métal à solidification austénitique s'enrichit donc énormément, jusqu'à former des composés qui fondent très bas : l'eutectique fer-sulfure de fer fond à 988 °C, l'eutectique fer-phosphure de fer à 1 048 °C, l'eutectique nickel-sulfure de nickel à 637 °C seulement. Les films liquides subsistent ainsi des centaines de degrés sous le solidus nominal de l'alliage.

La plage de fragilité (BTR)

La plage de fragilité (BTR, brittleness temperature range) est l'intervalle de températures, à la fin de la solidification, où le métal a déjà une certaine résistance mais presque pas de ductilité, à cause des films. Le métal fissure si la déformation imposée par le retrait, qui croît pendant qu'il refroidit dans cette plage, dépasse la ductilité disponible. C'est l'idée du modèle de la manipulation 3. On en tire les trois leviers : réduire la plage (moins d'impuretés, solidification ferritique), augmenter la ductilité minimale (films moins continus), réduire la déformation imposée (bridage, forme du cordon, vitesse).

Pourquoi la ferrite primaire protège

• Le soufre et le phosphore se dissolvent mieux dans la ferrite : moins de ségrégation, des films moins nombreux et moins riches.
• En mode FA, la fin de la solidification se fait par une réaction à trois phases : les joints δ/γ sont tortueux, mal mouillés par le liquide, et une fissure ne peut pas les suivre sur une longue distance.
• La plage de fragilité est plus étroite.

Ce schéma résume des cartes publiées par Suutala et ses collègues à partir d'essais de fissuration (les deux points sont des exemples à P + S = 0,025 %) : en solidification austénitique primaire (rapport de Hammar et Svensson inférieur à 1,5 environ), quelques centièmes de % de phosphore et de soufre suffisent à fissurer ; en solidification ferritique primaire, le métal tolère bien davantage.

Les grains du métal fondu poussent depuis les bords du bain vers son centre, toujours perpendiculairement au front de solidification, comme les rangs d'une foule qui avance vers une porte. La forme du bain décide donc du dessin des grains.

• À vitesse modérée, le bain est une ellipse : les grains se courbent en route et finissent par pousser dans le sens de la soudure. Le dernier liquide, chargé d'impuretés, se répartit le long de nombreux joints.
• À grande vitesse, le bain s'étire en goutte d'eau : ses bords deviennent presque droits, les grains poussent tout droit vers l'axe et s'y heurtent de face. Tout le dernier liquide se retrouve dans un seul plan, l'axe du cordon : c'est là que la fissure s'ouvre, sur toute la longueur.

La forme de la section joue de la même façon. Un cordon étroit et profond se solidifie depuis ses deux flancs, qui se rejoignent dans un plan vertical au milieu : un piège à films liquides. On préfère des cordons assez larges, avec un rapport profondeur sur largeur h/c d'environ 1 au plus, et une surface bombée plutôt que creuse : un cordon concave, plus mince au centre, concentre le retrait sur son axe.

Restent la composition (peu de carbone, de soufre, de phosphore et de cuivre, assez de manganèse, une dilution limitée) et le bridage : ne brider que ce qui est nécessaire.

La croissance des grains suit le front

Les grains du métal fondu naissent sur les grains du métal de base, à la ligne de fusion, sans germination nouvelle : c'est la croissance épitaxiale. Ils poussent ensuite le long du gradient de température, perpendiculairement au front. En régime établi, la vitesse de croissance en un point du front vaut

Dans une goutte d'eau, θ reste grand jusqu'à l'axe : les grains y arrivent presque perpendiculairement et forment un joint axial continu. Dans une ellipse, θ diminue en approchant de l'axe : les grains s'y couchent dans le sens de la soudure.

Vitesse et énergie

Réduire la vitesse augmente l'énergie de soudage. On la calcule comme d'habitude :

Pour un austénitique, on garde une énergie modérée : assez lente pour éviter la goutte d'eau, pas trop forte pour ne pas élargir la zone affectée ni chauffer la pièce (températures entre passes basses, souvent 150 °C au plus).

La composition du métal fondu

• Carbone bas : il élargit l'intervalle de solidification.
• Soufre et phosphore minimaux, dans les tôles comme dans les apports. Attention aux nuances de décolletage comme le 1.4305 (303), volontairement resoufrées : elles sont pratiquement insoudables par fusion.
• Manganèse : il forme des sulfures de manganèse, qui fondent vers 1 600 °C, au lieu des sulfures de fer, qui donnent un liquide dès 988 °C. Les apports riches en manganèse, comme le 18 8 Mn (307), sont réputés pour leur résistance à la fissuration.
• Cuivre limité : il forme lui aussi des films à bas point de fusion.
• Silicium : les apports dits LSi en contiennent un peu plus, pour mieux mouiller ; c'est sans risque en mode FA, mais dans un métal entièrement austénitique, le silicium, comme le niobium, le titane et le bore, aggrave la fissuration.
• Dilution minimale quand le métal de base est riche en carbone ou en soufre : chanfreins ouverts, passes sur beurrage.

Le métal de base situé juste au bord du bain chauffe presque jusqu'à sa température de fusion, sans fondre. Presque… car ses joints de grains ne sont pas faits du même métal que ses grains : ils concentrent le soufre, le phosphore, le bore, et parfois de petites particules (carbures de niobium ou de titane, phases de Laves Fe₂Nb ou Fe₂Ti) qui, chauffées très vite, réagissent avec le métal voisin et forment un liquide bien avant la fusion du grain.

Résultat : une mince bande le long de la ligne de fusion, la zone partiellement fondue, où les joints de grains sont liquides alors que les grains sont solides. Comme un mur dont le mortier aurait fondu, elle tient tant qu'on ne la tire pas ; mais le retrait du cordon tire justement dessus en refroidissant. Les films s'ouvrent : ce sont les fissures de liquation, courtes, intergranulaires, en zone affectée, souvent invisibles en surface.

En soudage multipasse, chaque passe réchauffe la précédente. Le métal fondu de la passe d'avant, déjà ségrégé entre ses dendrites, joue alors le rôle du métal de base : ses anciens joints refondent et peuvent fissurer à leur tour.

Deux origines du liquide aux joints

• La ségrégation aux joints : soufre, phosphore et bore abaissent localement la température de début de fusion.
• La liquation constitutionnelle : une particule (NbC, TiC, Fe₂Nb…) chauffée trop vite pour se dissoudre réagit avec la matrice et forme un liquide eutectique à son contact, à une température inférieure au solidus de l'alliage. Les austénitiques stabilisés au niobium (347) ou au titane (321) y sont particulièrement exposés.

La largeur de la zone partiellement fondue

La température maximale atteinte décroît avec la distance r au centre de la source. Dans une tôle épaisse, la solution de Rosenthal (le calcul classique de la température autour d'une source de chaleur ponctuelle qui se déplace) donne

Plus l'écart entre ces deux températures est grand et plus l'énergie est forte, plus la bande est large. Dans le modèle de la manipulation, à 1,5 kJ/mm, elle mesure environ 40 µm pour un 304L propre et 330 µm pour un 347, dont les joints liquéfient 110 °C sous le solidus.

Les remèdes

• Une énergie de soudage limitée, en passes étroites : la bande est plus mince et les contraintes plus faibles.
• Des métaux de base propres en soufre, phosphore et bore, à grain fin : les films se répartissent sur plus de joints, plus courts.
• Un apport qui se solidifie avec de la ferrite : le métal fondu réchauffé par la passe suivante tolère alors la liquation.
• Un bridage modéré, une séquence de passes réfléchie.

Les inox martensitiques, à 12-13 % de chrome et un peu de carbone, prennent la trempe à l'air : quelle que soit la vitesse de refroidissement, leur zone affectée, et leur métal fondu s'il est de même nature, deviennent de la martensite, dure et peu ductile. C'est le premier pied du tabouret.

Le deuxième pied, c'est l'hydrogène : il vient de l'humidité des enrobages et des flux, des graisses, de la peinture, de la calamine humide, de l'air. Dissous dans le bain, il reste piégé dans la martensite, puis migre lentement vers les zones les plus tendues. Le troisième pied, ce sont les contraintes : retrait, dilatations, changement de volume de la transformation martensitique, bridage.

Quand les trois sont réunis, une fissure apparaît… plus tard : sous environ 200 °C, parfois plusieurs jours après le soudage, le temps que l'hydrogène diffuse. Fine, souvent dans la zone affectée, parfois sous le cordon où on ne la voit pas, ou transversale dans le métal fondu.

Les remèdes scient un pied : moins d'hydrogène (pièces propres, électrodes étuvées, apports bas hydrogène), moins de contraintes (bridage limité, séquence adaptée), et surtout le préchauffage vers 200 °C, maintenu pendant le soudage et prolongé par un postchauffage au-dessus de 200 °C, qui laisse à l'hydrogène le temps de partir.

Quand et combien de martensite

La martensite commence à se former à la température Ms (martensite start) et se termine vers Mf (martensite finish). Une formule empirique classique, due à Andrews, donne Ms (°C) à partir des teneurs en % massique :

Sous Ms, la fraction transformée suit la loi de Koistinen et Marburger, f = 1 − exp[−0,011·(Ms − T)] : pour le 410, 74 % à 200 °C, 91 % à 100 °C, 96 % à 20 °C. La dureté de la martensite dépend surtout du carbone ; une formule empirique donne HV ≈ 884·C·(1 − 0,3·C²) + 294, soit environ 470 HV à 0,20 % C, 380 HV à 0,10 % C et 320 HV à 0,03 % C. Plus elle est dure, moins elle tolère d'hydrogène.

Le temps de départ de l'hydrogène

L'hydrogène s'échappe par diffusion. Pour une pièce d'épaisseur e, l'ordre de grandeur du temps de dégazage est

D'où les deux règles : un postchauffage de quelques heures à 200-300 °C évacue l'essentiel de l'hydrogène ; à l'ambiante, il faut des jours, et la fissure a le temps d'apparaître. C'est aussi pourquoi, sur les aciers sensibles, on attend un délai avant le contrôle final.

La suite du cycle : refroidir, puis revenir

Après le postchauffage, on refroidit la pièce sous environ 100 °C pour transformer l'austénite restante en martensite, puis on fait un traitement thermique après soudage (revenu, souvent vers 650-750 °C pendant une à quatre heures) qui adoucit la martensite et lui rend de la ténacité. Revenir sans avoir refroidi laisserait de l'austénite qui deviendrait une martensite fraîche, non revenue, au refroidissement final.

Les martensitiques à bas carbone et au nickel, comme le 13-4, sont bien plus tolérants : martensite moins dure, un peu d'austénite résiduelle, préchauffage plus modéré. Quand le traitement après soudage est impossible, on soude parfois avec un apport austénitique (23 12 L, par exemple) : l'austénite dissout l'hydrogène et reste ductile, au prix d'un cordon moins résistant que le métal de base.

Regarde la mousse d'un verre de bière : en quelques minutes, les petites bulles disparaissent au profit des grosses. Chaque paroi coûte de l'énergie ; en réduisant la surface totale des parois, la mousse s'en débarrasse. Les grains d'un métal font pareil : leurs joints sont des parois qui coûtent de l'énergie, et dès que la température est assez haute pour que les atomes bougent, les gros grains mangent les petits. C'est la coalescence, ou grossissement de grain.

Les inox ferritiques y sont très sensibles : leur structure cubique centrée laisse les atomes diffuser vite, et surtout ils ne changent pas de phase en chauffant. Un acier au carbone se régénère en repassant par l'austénite : ses grains repartent à zéro. Un ferritique, non : une fois grossis, ses grains le restent, aucun traitement thermique ne les affine.

Près de la ligne de fusion, la zone affectée d'un ferritique peut ainsi passer de 25 µm à plusieurs centaines de micromètres. Conséquences : une fragilité accrue (température de transition ductile-fragile qui remonte, impuretés concentrées sur des joints moins nombreux) et un adoucissement.

Les remèdes : limiter l'énergie de soudage, la température et le temps de séjour, et donc ne pas préchauffer, au contraire des martensitiques. Et choisir des nuances stabilisées au titane ou au niobium, dont les fines particules épinglent les joints.

La cinétique de croissance

La force motrice est l'énergie des joints, proportionnelle à leur surface, donc à 1/d. La taille de grain moyenne d croît selon une loi parabolique, activée thermiquement :

Dans la manipulation (Q_a = 250 kJ/mol, d₀ = 25 µm), à 0,30 kJ/mm et 1 mm de la ligne de fusion, le pic atteint 1 236 °C et le grain passe à 80 µm. Avec un préchauffage de 200 °C, le pic monte à 1 292 °C, le refroidissement s'allonge, et le grain atteint 131 µm.

L'ancrage de Zener

Des particules fines et stables (TiN, Ti(C,N), NbC) épinglent les joints : pour avancer, un joint doit s'en arracher. La croissance s'arrête vers une taille limite, donnée par la relation de Zener :

Ce que coûtent les gros grains

La limite d'élasticité suit la loi de Hall-Petch, R_e = R₀ + k_HP/√d. Avec R₀ = 200 MPa et k_HP = 0,6 MPa·√m (ordres de grandeur d'un ferritique), R_e passe de 320 MPa à 25 µm à 245 MPa à 177 µm. À cet adoucissement s'ajoute, après un séjour à haute température, la disparition des dislocations de l'écrouissage (la restauration). La température de transition ductile-fragile remonte quand le grain grossit, d'environ 11,5 °C par unité de d^−1/2 (d en mm) dans les aciers ferritiques : +45 °C de 25 à 177 µm. Un 430, déjà proche de la transition à l'ambiante, devient cassant.

Les ferritiques non stabilisés comme le 430 cumulent un autre défaut : leur carbone et leur azote font apparaître un peu d'austénite à haute température, qui devient de la martensite aux joints en refroidissant. Les nuances stabilisées et à bas interstitiels (439, 444) sont faites pour le soudage.

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Les compositions sont en % massique. Les exercices 1 et 2 se vérifient dans la manipulation 1, l'exercice 4 dans la manipulation 3, l'exercice 5 dans la manipulation 4, l'exercice 6 dans la manipulation 6, et le défi se rejoue dans la manipulation 7.