Matériaux II travaux pratiques

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1 Matériaux II travaux pratiques Détermination des contraintes résiduelles dans un assemblage soudé GC4 printemps 2015 C. Dénéréaz,

2 Partie théorique Définition Un état de contrainte existant dans un échantillon de matériau sans application d actions extérieures est appelé état de contrainte interne ou résiduelle. Ainsi tout système de contrainte résiduelle est auto-équilibré et les résultantes des efforts intérieurs sont nulles. Introduction La fabrication d éléments métallique, tels que les poutres, structures, ou autres pièces, s effectue généralement en combinant plusieurs procédés, coulée, laminage, découpe, soudage, grenaillage, etc. Quel que soit le procédé de fabrication, celui-ci aura une influence sur l état de contrainte interne de l élément en question. Nous pouvons séparer en 3 catégories les origines des contraintes résiduelles : - Mécanique (laminage à froid, usinage, grenaillage, ) - Thermique (coulée, étirage, laminage à chaud, ) - Thermomécanique (oxycoupage, soudage, ). Il est important de considérer ces contraintes résiduelles car elles : s additionnent aux contraintes de service ; peuvent entrainer des comportements inattendus ou des ruptures ; ne sont pas apparentes et difficiles à quantifier. Dans le cas d une sollicitation simple, la contrainte résiduelle agit comme une contrainte supplémentaire. Fig. 1 Principe de superposition des contraintes sur une poutre en flexion Les contraintes résiduelles peuvent avoir des effets négatifs (fissuration, ruptures inattendues, ) mais peuvent également avoir des effets positifs quand elles sont maitrisées : - Il est possible d augmenter la durée de vie en fatigue de pièces mécaniques en introduisant de fortes contraintes de compression à la surface, par exemple par grenaillage. - Dans le cas du verre trempé, un traitement thermique ou chimique permet d introduire des contraintes de traction au cœur et de compression à la surface du verre, ce qui permet d augmenter ses propriétés mécaniques en termes de résistance aux chocs. C. Dénéréaz,

3 Méthodes d évaluation Pour la détermination des contraintes résiduelles, il existe des méthodes non-destructives ou destructives. La plupart des technique non-destructives sont limités aux mesures proches de la surface et sont souvent compliquées et onéreuse. La géométrie et les dimensions des éléments mécaniques limitent également la possibilité de mesures par méthodes non-destructives. Méthodes non destructives : - Diffraction de rayonnement (RX, synchrotron, neutron) - Propagation d ondes ultrasonores - Propagation d ondes magnétiques Le principe des méthodes non-destructives se base sur les relations entre les paramètres physiques ou cristallographiques du matériau pour en déterminer les contraintes résiduelles. Les méthodes par rayon-x et diffraction de neutrons mesurent les déformations de plans atomiques spécifiques pour déterminer l état de contrainte. La méthode par rayon-x est valable pour des résolutions inférieures au mm et s intéresse aux contraintes résiduelles en surface et jusqu à 1mm de profondeur si elle est combinée avec la méthode destructrice d enlèvement par couche. La méthode par diffraction de neutrons mesure les contraintes résiduelles au sein d un volume avec une pénétration maximale des ondes jusqu à une épaisseur d environ 50mm pour des résolutions situées autour du millimètre. Les méthodes ultrasoniques reposent sur le principe de la variation de la vitesse des ondes ultrasoniques qui est liée à l état de contrainte de la matière. Ce principe est valable jusqu à une pénétration de 10mm dans la matière pour des résolutions situées au-dessus d un millimètre. Les méthodes de mesures magnétiques se basent sur la magnétisation et les déformations élastiques des matériaux ferromagnétiques. Cette méthode est applicable pour des pénétrations maximales de l ordre de 10mm avec des résolutions situées entre 1 et 10mm. Méthodes destructives : - Méthode du perçage - Méthode du trépan - Méthode de la flèche - Méthode du contour - Méthode de sectionnement Le principe des méthodes destructives est de détruire l état d équilibre des contraintes résiduelles par un procédé mécanique pour en mesurer leur intensité et distribution. Les contraintes résiduelles déterminées par des procédés mécaniques sont partiellement ou complètement libérées lorsque la matière est enlevée. Cette relaxation du matériau crée une déformation qui peut être mesurée et utilisée pour en calculer les contraintes. Enlèvement de matière Modification de l état de contrainte Déformation de la pièce Mesure des déformations Calcul des contraintes C. Dénéréaz,

4 Méthode étudiée dans ce travail pratique Pour déterminer les contraintes résiduelles dans un assemblage soudé, nous allons utiliser une méthode destructive, la méthode de sectionnement. Celle-ci est fréquemment utilisée pour la détermination des contraintes résiduelles dans les éléments de construction en acier et permet de les mettre facilement en évidence et avec une bonne précision. Fig. 2 Distribution de contraintes résiduelles déterminées sur un profilé par découpes successives de la section en petits barreaux et mesure des longueurs et courbures avant et après Afin de libérer les contraintes résiduelles, la méthode de sectionnement propose de découper un échantillon en plusieurs tranches (Fig. 3). De façon à pouvoir quantifier le relâchement des contraintes, il est nécessaire de préparer l échantillon en perçant des trous de part et d autre de chaque tranche qui sera découpée. Une première mesure L i des entre-axes de ces trous est faite avant la découpe. Une fois toutes les tranches découpées, les entre-axes doivent être remesurés L f afin de déterminer la différence entre les deux valeurs. Fig. 3 Principales étapes de la méthode de sectionnement C. Dénéréaz,

5 La différence entre les distances mesurées avant et après découpe nous donne la contraction ou l allongement de chaque tranche en fonction de son état de contrainte avant découpe : La déformation peut être calculée comme suit : En faisant l hypothèse que les déformations sont purement élastiques linéaires, nous pouvons appliquer la loi de Hooke pour calculer les contraintes résiduelles : Où E est le module d élasticité (ou module de Young) de l acier et vaut environ 210GPa (210'000 N/mm 2 ). Fig. 4 Distribution des contraintes résiduelles d un assemblage soudé de deux plaques Comme dit dans la définition du terme contrainte résiduelle, le système est auto-équilibré et les résultantes des efforts intérieurs sont nulles. Si nous prenons l image ci-dessus (Fig. 4) comme exemple, cela revient à dire que l intégrale des contraintes sur l axe Y vaut 0. Remarque : La méthode de sectionnement tient également compte de l éventuelle courbure des tranches une fois découpées, en corrigeant la mesure de l entre-axe à l aide de la flèche mesurée. Pour ce travail pratique nous allons estimer que la courbure de nos tranches est négligeable. C. Dénéréaz,

6 Partie expérimentale Buts - Comprendre le phénomène d apparition des contraintes résiduelles. - Approcher les différentes méthodes de détermination des contraintes résiduelles. - Savoir calculer des contraintes résiduelles par la méthode de sectionnement. Instruments à disposition - Instrument de mesure d entre-axe avec étalon (déformètre) - Lecteur de température et thermocouple Echantillons - Plaque en acier, soudée-percée-découpée pour mesure des L f. Acier Composition chimique [% poids] Limite d élasticité [N/mm 2 ] 235 Module de Young [N/mm 2 ] Coefficient de dilatation thermique α [K -1 ] 12x10-6 Etat S235JR 0.17%C, 1.40%Mn, 0.035%P, 0.035%S, 0.012%N, 0.55%Cu Laminé à chaud puis soudé Tab. 1 Matière fournie pour le TP Travail à faire - Mesurer la température des tranches découpées. - Mesurer l étalon en invar, cette référence permet de contrôler l état de calibration du déformètre et de corriger les mesures si nécessaire. - Nettoyer les trous de mesure à l aide de l air comprimé et les pointes du déformètre avec un papier. - Mesurer les valeurs d entre-axes pour chaque tranche en s assurant que le déformètre est bien positionné lors des mesures. - Calculer les Δ entre les mesures avant et après découpe. - Corriger si besoin les valeurs des Δ avec la différence de température (attention au sens de la correction). = - Calculer les contraintes résiduelles relâchées lors de la découpe à l aide de la loi de Hooke. - Tracer un graphe des contraintes résiduelles en fonction de la position par rapport à la soudure. Bibliographie R. Thiebaud, Résistance au déversement des poutres métalliques de pont, Thèse n 6348, EPFL, 2014 F. Lefebvre, Séminaire GT7 Commission Fatique SF2M, Cetim, 2014 A. Nussbaumer, Cours de structure en métal, EPFL 2014 A. Castrataro, Mesure et prédiction des contraintes résiduelles dans une turbine hydraulique de type Francis, Mémoire, Université du Québec, 2006 C. Dénéréaz,

7 Annexe Mesures effectuées avant découpe des tranches Température de mesure : 21.5 C Valeur mesurée sur étalon : Distance de mesure : 250mm Tranche n Position depuis la soudure [mm] Valeur mesurée sur le déformètre [mm] C. Dénéréaz,

8 Dessin de fabrication de l échantillon C. Dénéréaz,

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