ID2M||Ingenierie des Matériaux et Métallurgie

Présentation de l'équipe

Les recherches qui sont menées au sein de l'équipe Ingénierie des Matériaux et Métallurgie (ID2M) visent l'élaboration et la caractérisation des matériaux aux niveaux chimique, structural, mécanique et thermique et leur analyse comportementale en situation réelle, à différentes échelles (atomiques, nanoscopiques, microscopiques, mésoscopiques, macroscopiques) en relation étroite avec les applications.

L'équipe est actuellement constituée de 10 chercheurs et enseignants chercheurs ainsi que de 12 non permanents (Doctorants, Post Doctorant et ATER).

Les travaux de recherche de notre équipe portent sur la conception et l'élaboration des matériaux et l'étude de leurs propriétés d'un point de vue académique en vue d'applications industrielles. Dans ces travaux, il s'agit de trouver les conditions permettant d'améliorer les propriétés des matériaux en jouant sur les procédés d'élaboration et les microstructures induites. Ces recherches doivent s'appuyer sur une connaissance fondamentale des évolutions des matériaux, sur des méthodes expérimentales fines et la mise au point de modèles et de simulations numériques.

Thèmes de recherche

  • Matériaux et Environnement

    Cette thématique s'intéresse à la fois à la gestion des ressources pour confectionner les matériaux utilisés dans le Génie Civil ainsi qu'à leur impact environnemental et répond, en phase avec les demandes industrielles et sociétales, à la problématique du développement durable. L'activité originale proposée dans ce projet, pluridisciplinaire par le développement des aspects physico-chimiques en complément des aspects mécaniques, est riche de potentialités pour améliorer notre compréhension des relations structures-propriétés d'usage.

    Collaborations :

    • Académiques : IFSTTAR, Lemta (Université de Lorraine), ISTerre (Université de Grenoble), GeM (Université de Nantes), IRC (ESTP Cachan), Armines (Mines ParisTech), Université de Cassino (Italie)
    • Industrielles : Lafarge, SNCF, Lhoist

    • Physico-chimie des matériaux de construction

      physico1La première partie des recherches dans cet axe vise à comprendre les interactions de liants hydrauliques (chaux et ciments) avec les matériaux naturels (sols) et les minéraux naturels (argiles) dans des applications qui visent à valoriser des sols naturels lors de travaux de terrassement ou d'inclure des additifs naturels dans les ciments.

      Il s'agit de déconvoluer les mécanismes physico-chimiques qui se déroulent à l'échelle atomistique (RMN du solide, XAS, MET) et qui conduisent à la modification des propriétés macroscopiques en passant par l'échelle particulaire (étude de la microstructure, DRX, MEB). Celles-ci sont menées en lien étroit avec une caractérisation géotechnique de manière à faire le lien entre les mécanismes initiés au niveau des sites d'échanges des particules phylliteuses (argiles, micas) et les phénomènes mécaniques macroscopiques du sol.

      Pour les recherches menées sur les ciments, il s'agit d'évaluer comment l'utilisation de matériaux naturels (zéolites et pouzzolanes) pourrait réduire la part de clinker et contribuer ainsi à la réduction des émissions de CO2. L'utilisation de la RMN du solide et des spectroscopies vibrationnelles Infra-Rouge et Raman permet de suivre en détail l'hydratation des ciments puis de décrire comment les additifs modifient les performances mécaniques des matériaux.

      Le développement de nouveaux liants de type géopolymères, à partir de la réaction d'une source alumino-silicatée (argile ou métakaolin) avec une solution siliceuse et alcaline (NaOH ou KOH) et l'adaptation des ces nouveaux liants aux matériaux et à leur application (stabilisation de sols en terrassement ou stabilisation à terre de sédiments de dragage) est une action complémentaire en cours de développement.

      Contact : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

    • Impact environnemental des matériaux et infrastructures

      Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

      La mise en place des matériaux de construction et leur utilisation sont responsables de la dispersion de polluants métalliques (Zn, Cu, Ni, platinoïdes, ...) dans les sols environnants.

      L'évaluation de leur impact environnemental passe par la connaissance de la répartition de ces éléments et de leur mobilité. Pour cela, nous utilisons entre autres des techniques d'analyse locale comme la microscopie électronique en transmission pour détecter ces éléments présents en très faible concentration, déterminer leur distribution, spéciation et la nature des phases porteuses.

      Impact1

      Contact : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

  • Matériaux pour Applications Thermiques et Mécaniques

  • Métallurgie combinatoire

    Conception d’alliages, optimisation multi-objectif d’alliages, ingénierie des microstructures


    Responsable :

    Franck TANCRET
    Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
    +33 (0)2 40 68 31 97


    Contributeurs :

    Edern MENOU
    Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
    +33 (0)2 40 68 31 75

    Emmanuel BERTRAND
    Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
    +33 (0)2 40 68 31 24


    Concevoir de nouveaux alliages : pourquoi et pour quoi ?

    Moyens de transport : aéronautique, naval, ferroviaire, automobile

    01  02 

    Exemples :

    • Alliages d’aluminium allégés pour fuselage et pièces de structure aéronautiques
    • Alliages de titane pour pièces de structure et parties « froides » des moteurs d’avions
    • Aciers à haute résistance pour trains d’atterrissage et pièces de structure automobiles
    • Superalliages à base de nickel pour parties chaudes des moteurs
    • Aciers pour absorption d’énergie au crash (automobile)

     

    Production et transformation d’énergie : centrales électriques classiques ou nucléaires, industries gazière et pétrolière, génie chimique

    03  04 

    Exemples :

    • Aciers réfractaires et alliages de nickel pour centrales électriques
    • Alliages Fe-Ni-Cr résistants à l’oxydation et/ou au « metal dusting » pour le génie chimique
    • Alliages résistants à la corrosion et/ou à la fragilisation par l’hydrogène pour les industries gazière et pétrolière

     


    De nouveaux alliages : comment ?

    La « méthode traditionnelle » par essais-erreurs

    • Fabriquer un nouvel alliage et le tester
    • Il n’est pas adapté ? Modifier sa composition, le fabriquer et le tester
    •  etc...

    > Très long et très cher,
    > Permet d’obtenir de bons alliages, mais pas optimisés (i.e. pas les meilleurs possibles)

    Notre méthode : la conception d’alliage par ordinateur

    • Prédire les propriétés (potentielles) de n’importe quel alliage en fonction de sa composition (cf. ci-dessous)
    • Optimiser la composition pour concevoir des alliages aux propriétés « sur mesure » (cf. ci-dessous)
    • métallurgie combinatoire assistée par ordinateur

    > Plus rapide,
    > Moins cher,
    > Les meilleurs propriétés possibles pour une application donnée,
    > Un impact positif sur l’industrie, et donc sur la société (emploi) et l’économie

     

    Notre approche : La métallurgie combinatoire assistée par ordinateur

    Deux aspects essentiels :

    1. Prédire les caractéristiques des alliages en fonction de leur composition
    (collaboration avec l’Université de Cambridge)

    • Métallurgie physique : renforcement par solution solide, recristallisation dynamique, oxydation…
    • Thermodynamique prédictive et diffusion (méthode CALPHAD, logiciels Thermo-Calc et Dictra) : stabilité microstructurale, phases durcissantes, résistance à l’oxydation, résistance à la fragilisation par l’hydrogène, formabilité, soudabilité…
    • Fouille de données (« data mining » par réseaux neuronaux et processus gaussiens), régression et interpolation de caractéristiques à partir de données sur des alliages existants : propriétés thermomécaniques (traction, fluage…), caractéristiques microstructurales (paramètres de maille et stabilité de certaines phases…)

    2. Optimiser la composition des alliages pour obtenir les propriétés désirées
    (collaboration avec le Laboratoire d’Informatique de Nantes Atlantique, LINA)

    • Optimisation simultanée de plusieurs caractéristiques
      = optimisation multi-objectif par algorithmes génétiques
      Exemple pour les superalliages :
      • Maximiser les propriétés mécaniques
      • Minimiser la densité
      • Minimiser le coût
      • Maximiser la soudabilité
      • Assurer la forgeabilité
      • Garantir la résistance à l’oxydation
      • Éviter la formation de phases « TCP »

    • Aide à la décision multi-critère pour la sélection de matériaux parmi les alliages optimisés

    Catégories de matériaux :

    • Les superalliages à base de nickel
    • Les alliages Fe-Ni-Cr
    • Les « alliages à forte entropie » (HEA)

    Mais la méthode est applicable à d’autres catégories de matériaux : alliages de titane, d’aluminium ou de cobalt, aciers, fontes, etc.

     

    Exemples :

    Prédiction des propriétés mécaniques de superalliages par fouille de données :

    F. Tancret, H.K.D.H. Bhadeshia & D.J.C. MacKay
    Comparison of neural networks with Gaussian processes to model the yield strength of nickel-base superalloys”
    ISIJ International, 39(10) (1999) 1020-1026

    Conception d’un superalliage s’appuyant sur la fouille de données et la thermodynamique prédictive :

    F. Tancret, H.K.D.H. Bhadeshia & D.J.C. MacKay
    “Design of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications: Part 1 – Mechanical properties modelling”
    Materials Science and Technology, 19(3) (2003) 283-290

    F. Tancret & H.K.D.H. Bhadeshia
    “Design of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications: Part 2 – Phase diagram and segregation simulation”
    Materials Science and Technology, 19(3) (2003) 291-295

    F. Tancret, T. Sourmail, M.A. Yescas, R.W. Evans, C. McAleese, L. Singh, T. Smeeton & H.K.D.H. Bhadeshia
    “Design of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications: Part 3 – Experimental results”
    Materials Science and Technology, 19(3) (2003) 296-302

    F. Tancret & M. Bellini
    “Properties, processability and weldability of a novel affordable creep-resistant nickel base superalloy”
    Materials Science and Technology, 24(4) (2008) 479-487

    Conception de superalliages par algorithme génétique mono-objectif s’appuyant sur la thermodynamique prédictive :

    F. Tancret
    “Computational thermodynamics and genetic algorithms to design affordable gamma’-strengthened nickel-iron based superalloys”
    Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 20 (2012) 045012 (6 pp)

    Conception de superalliages par algorithme génétique mono-objectif s’appuyant sur la fouille de données et la thermodynamique prédictive :

    F. Tancret
    “Computational thermodynamics, Gaussian processes and genetic algorithms: combined tools to design new alloys”
    Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 21 (2013) 045013 (9 pp)

    Conception de superalliages par algorithme génétique multi-objectif s’appuyant sur la fouille de données et la thermodynamique prédictive :

    E. Menou, G. Ramstein, E. Bertrand, F. Tancret
    “Multi-objective constrained design of nickel-base superalloys using data mining- and thermodynamics-driven genetic algorithms”
    Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 24 (2016) 055001 (25pp)

    Prédiction de la recristallisation dynamique des superalliages en fonction de leur composition :

    F. Tancret, E. Galindo-Nava, P.E.J. Rivera Díaz-del-Castillo
    “Dynamic recrystallisation model in precipitation-hardened superalloys as a tool for the joint design of alloys and forming processes”
    Materials & Design, 103 (2016) 293-299


    05Exemple (thèse d’Edern Menou)

    Conception multi-objectif de nouveaux superalliages et comparaison avec leur concurrent commercial.
    Le graphe ci-contre présente :

    • La limite d’élasticité à 750°C (YS)
    • La contrainte de rupture à 750°C (UTS)
    • La contrainte de rupture par fluage pour une durée de vie de 1000 h à 750°C (CRS)
    • Le coût relatif par rapport à l’alliage commercial concurrent

    Par exemple, l’alliage C est à la fois moins cher que l’alliage commercial et plus résistant sur les trois propriétés thermomécaniques. Il est par ailleurs exempt de phases TCP et résistant à l’oxydation.

  • Métallurgie du soudage

    • Activation du soudage

      Soudage A-TIG et A-LASER

      Depuis un certain nombre d’années nous développons au sein de notre équipe des recherches sur l’effet de flux activants sur la forme des cordons de soudures mais aussi sur l’augmentation de productivité sur des procédés connus comme étant peu productifs comme le soudage TIG. En effet, l’ajout de flux activant avant l’opération de soudage permet par exemple pour une soudure TIG sur acier inoxydable d’augmenter l’épaisseur maximale soudable de 3 mm à pratiquement 10 mm. Nous avons montré qu’il y avait 3 phénomènes qui entraient en jeux lors du soudage activé : l’inversion des courants de convection dans le métal liquide (Figure 1), l’augmentation de la température de l’arc électrique ainsi qu’une constriction de ce dernier. Afin de découpler les phénomènes de mécanique des fluides et ceux liés à l’arc électrique (électromagnétisme, forces de Lorentz, constriction de l’arc et élévation de sa température), nous avons développé des études sur l’effet des flux activants en soudage Laser (Figure 2).

      01Figure 1 : effet des éléments tensio-actifs

      02

      a                                                                     b

      03

                           c                                       d

      Figure 2 : effet des flux activant sur la forme du cordon de soudage en soudage TIG (b) et en soudage Laser (d). (a) et (c) représentent les cordons de soudure pour les mêmes énergies de soudage mais sans flux activant.


      Dernièrement, nous avons regardé l’influence de l’utilisation de flux activants sur les orientations cristallographiques de différents cordons de soudure : TIg, A-TIG, Laser et A-Laser. Afin de bien différentier les différentes zones du cordon de soudure (zone fondue et métal de base), nous avons réalisé ces mesures par diffraction des électrons rétrodiffusés (Figure 3 et Figure 4).

      04
      a

      05

      b

      06

      c

      07

      d

      Figure 3 : cartographies d’orientation des grains obtenues en EBSD pour un cordon de soudure TIG (a), A-TIG (b), Laser (c) et A-Laser (d).

      08
      a
      09
      b
      10
      c
      11
      d
      12
      e

      Figure 4 : orientation cristallographique (figures de pôles) pour le métal de base (a), un cordon de soudure TIG (b), un cordon de soudure A-TIG (c), un cordon de soudure Laser (d) et un cordon de soudure A-Laser (e).

      Collaborations

      Etudes réalisées en partenariat avec des industriels (DCNS Research, SERIMAX Groupe Valourec, ...), des laboratoires (LPCES-ICMMO, Institut de Recherche Dupuy de Lomes-ex LIMATB) et des institutionnels (IRT Jules Verne).

    • Caractérisation des procédés de soudage

      Influence des paramètres de soudage sur les propriétés d’emploi des assemblages

      Le soudage est un procédé de mise en forme des matériaux relativement complexe. En effet, c’est un procédé dit multiphysique. Il fait appel à des connaissances en physique (électricité, électromagnétisme, plasmas, ...), en mécanique des fluides (convection dans les bains fondus), en chimie (influence des gaz de protection, des flux activants, de la nuance des métaux de base et des métaux d’apport, ...), en métallurgie et en mécanique (déformation et contraintes résiduelles).

      Nous avons mis au point un banc de soudage instrumenté qui nous permet de synchroniser un certain nombre de caractérisations des procédés de soudage (Figure 1). Ce banc permet de synchroniser :

      • Les paramètres électriques de soudage : intensité et tension de soudage (oscilloscope PicoScope) ;
      • L’observation du bain de fusion, de l’arc électrique, du détachement des gouttes de métal d’apport (caméra très grande vitesse KEYENCE) ;
      • L’enregistrement des champs thermiques (caméra Infra Rouge Multispectrale FLIR Orion).

      001

      Figure 1 : banc de soudage instrumenté

      Les données recueillies par les différents systèmes de caractérisation, nous permettent de mettre en évidence l’influence des procédés de soudage et des paramètres de soudage sur le comportement de l’arc électrique de soudage (Figure 2a), sur le dépôt du métal d’apport et les mouvements dans le bain de fusion (Figure 2b). Cela nous permet aussi de voir l’influence des procédés de soudage sur les champs thermiques dans les assemblages soudés (Figure 3). Enfin, il nous est possible d’étudier l’influence des paramètres de soudage, de la thermique résultante sur les propriétés d’emploi (principalement des propriétés mécaniques) en relation avec les microstructures obtenues (Figure 4). Au sein de notre équipe, nous travaillons principalement sur des procédés de soudage à l’arc (TIG, MIG, MAG) et des procédés de soudage par résistance. Dans le cadre de collaboration (DCNS Research, ACB, …), nous abordons d’autres procédés de soudage comme le soudage par friction rotative ou linéaire, le soudage par friction malaxage, le soudage Laser et le soudage Laser Hybride.

      Enfin, les données expérimentales très variées que nous recueillons nous permettent de valider des simulations numériques du soudage (SNS).

      002
      a b
      Figure 2 : synchronisation des paramètres électriques de l’imagerie grande vitesse
      003 004
        c

      Figure 3 : influence des paramètres de soudage et des procédés de soudage sur les champs thermiques dans la pièce à assembler : a) thermographie IR du procédé MIG CMT® Pulsé, b) thermographie IR du procédé MIG CMT® et c) gradient de température en fonction des procédés de soudage.

      005

      Figure 4 : relation caractérisation thermique – propriétés mécaniques – microstructures

      Collaborations

      Etudes réalisées en partenariat avec des industriels (SNECMA groupe SAFRAN, DCNS Research, ACB Nantes, …), des laboratoires (GeM, LPCES-ICMMO, Institut de Recherche Dupuy de Lomes-ex LIMATB) et des institutionnels (IRT Jules Verne, ADEME).

    • Relation microstructure – propriétés d’emploi

      Soudage Laser Hybride

      Le soudage laser hybride est un procédé de soudage qui permet d’allier les performances de chacun des procédés afin de minimiser leurs désavantages respectifs. La Figure 1 indique la différence entre du laser hybride MAG classique et le laser hybride multicathodes MAG.

      01 02
      a b

      Figure 1 : schématisation des procédés de soudage laser hybride MAG (a) et laser hybride bi-cathodes MAG (b)

      L’impact d’une opération de soudage est résumé sur la Figure 2. On y voit les différentes zones macroscopiques : Métal de Base (MB), Zone Affectée par la Température (ZAT) et Zone Fondue (ZF). Une observation microscopique des différentes zones permet de déterminer les phases métallurgiques présentes. Pour cet acier, dans la zone qui a attient les plus hautes températures (ZDT), on observe de la martensite, phase dure mais fragile qui généralement néfaste à un bon emploi de l’assemblage soudé.

       

      03
       

      Figure 2 : évolution de la microstructure dans la zone affectée par la température (ZAT) d’un acier à haute limité d’élasticité soudé à l’aide d’un procédé MAG

      On retrouve cette zone de forte dureté au voisinage de la zone fondue. Cette dureté importante est due à la présence de la martensite. Quelques soit le procédé de soudage utilisé (MAG, Laser, Laser Hybride MAG), on retrouve toujours cette dureté sous cordon supérieure à 350Hv (Figure 3).

      04

      Figure 3 : relation microstructure propriétés mécaniques (ici microdureté) en fonction des procédés de soudage employés : (a) soudage MAG, (b) soudage laser, (c) soudage laser hybride MAG

      Nous avons aussi étudié l’influence des paramètres de soudage (puissance laser, vitesse de fil MAG, distance entre les deux procédés, …) sur l’apparition de défaut. Nous avons ainsi déterminé les conditions d’apparition d’un défaut apparaissant du coté envers du cordon que nous avons nommé : dropping (Figure 4). Grace à la visualisation du bain de fusion en envers nous avons pu proposer un scénario d’apparition de ce défaut (Figure 5).

      05

      Figure 4 : Dropping, défaut apparaissant en fonction des paramètres de soudage en envers du cordon de soudure

       

      06

      Figure 5 : observation de l’envers du cordon de soudure en caméra rapide et schématisation du processus d’apparition du dropping

      Enfin nous avons pu proposer des plages de soudabilité en laser hybride MAG exemptes de défauts du type manque de fusion, dropping ou expulsion (Figure 6) en fonction des paramètres de soudage épaisseur de la tôle, puissance laser, vitesse de soudage.

      07

      Figure 6 : fenêtre de soudabilité d’un acier à haute limite d’élasticité en soudage laser hybride MAG

      Comme il a été indiqué précédemment, le soudage laser hybride monocathode MAG conduit sur ce type d’aciers à des cordons exempts de défaut mais dont la présence de martensite dans la zone affectée par la température ce qui peut nuire à l’utilisation des assemblages soudés. Afin de supprimer cette martensite néfaste, nous avons réalisé des cordons de soudage en laser hybride multicathodes MAG avec différents types de courant (lisse, pulsé, CMT®). La Figure 7 présente les macrographies et les cartographies de microduretés des essais de soudage en laser hybride multicathodes. Non seulement on retrouve des cordons de soudures sans défaut, on ne retrouve pas les zones de duretés sous cordons supérieures à 350Hv.

      08
      Figure 7 : relation microstructure propriétés mécaniques (microdureté) en soudage laser hybride multicathodes MAG

      L’absence de martensite a été confirmée par des observations microscopiques (Figure 8). De plus l’utilisation de procédé laser hybride multicathodes MAG a permis d’augmenter la productivité en doublant les vitesses de soudage : passage de 1,5 m/min en monocathode à 3 m/min en multicathodes.

      09

      Figure 8 : évolution de la microstructure en zone fondue et zone affectée thermiquement d’une soudure laser hybride multicathodes MAG

       
      Soudage homogène d’alliages d’aluminium a durcissement structural

      Les alliages d’aluminium à durcissement structural (série d’alliages 2000, 6000 et 7000) posent généralement des problèmes lors de leur assemblage par soudage lorsque l’on utilise des procédés qui font passer le métal par l’état liquide. Un assemblage de ces matériaux par soudage conduit dans la majorité des cas, surtout sur des fortes épaisseurs, à l’apparition de fissures dans le cordon de soudure. Afin de palier à ce problème, il est d’usage d’utiliser des métaux d’apport de nuances différents aux métaux de base. Les métaux d’apport sont choisis parmi des nuances des séries 4000 ou 5000. Or ce choix conduit à une perte de propriétés mécaniques au sein du cordon de soudure car ces nuances ne sont pas à durcissement structural.
      Nous avons mis au point une procédure de soudage à l’arc avec métal d’apport homogène (MIG CMT®) qui conduit à des cordons de soudures sans défaut du type fissuration à chaud (Figure 9).

       

      10

      Figure 9 : macrographie d’une soudure homogène MIG sur alliage 6061

      De ce fait, il possible de réaliser des traitements thermiques post soudage qui redonnent à l’assemblage des propriétés mécaniques identiques au métal de base (Figure 10b, Figure 11b, Figure 12). Dans la configuration classique du soudage hétérogène avec métal d’apport de la série 5000, il n’est pas possible de retrouver des propriétés mécaniques dans la zone fondue (Figure 10a, Figure 11a, Figure 12).

       

      11 12
      a b

      Figure 10 : évolution de la dureté de soudure hétérogène (a) et d’une soudure homogène (b) en fonction des traitements thermiques postsoudage

      13 14
      a b

      Figure 11 : évolution des propriétés en traction de soudure hétérogène (a) et d’une soudure homogène (b) en fonction des traitements thermiques postsoudage – comparaison avec le métal de base

      15

      Figure 12 : évolution des caractéristiques mécaniques de soudure hétérogène et d’une soudure homogène en fonction des traitements thermiques postsoudage – comparaison avec le métal de base


      Les propriétés mécaniques plus importantes dans la zone fondue sont principalement dues à une remise en solution totale de tous les précipités (Figure 13), y compris ceux issus de l’élaboration de l’alliage qui conduit à une sur-précipitation au cours des traitements thermiques post-soudage.

      16 17 18

      Figure 13 : observation en microscopie électronique en transmission de la zone fondue

      Soudage par friction rotative à entrainement direct

      Le soudage par friction est un soudage en phase solide. Il permet d’assembler des pièces sans passer par l’état liquide du matériau ce qui permet d’éviter un certain nombre de défauts comme la fissuration à chaud ou la présence de porosités dans le cordon de soudage. Les résultats obtenus lors de nos travaux ont permis d’implanter dans des machines de soudage des aides à la programmation des paramètres.

      Soudage d'un acier
      Le soudage par fiction rotative à entrainement direct permet un parfait contrôle de l’opération de soudage pour des pièces de révolution.
      Dans un premier temps, nous avons réalisé des assemblages en aciers sur des ronds, des tubes épais et fins. Nous avons étudié l’influence des paramètres de soudage (vitesse de rotation, pression, consommation matière, ...) sur la thermique du procédé de soudage (Figure 14) afin d’évaluer l’effet de la thermique sur la microstructure et donc au final les propriétés d’emploi des assemblages.

      19 20

      Figure 14 : champs thermiques mesurés par thermographie infra rouge lors d’une opération de soudage par friction rotative

      21 22

      Figure 15 : microstructures et cartographie de dureté de différents assemblages soudés

      Soudage d'un alliage de Titane

      Nous avons abordé l’assemblage de tube en alliage de titane (TA6V). Le comportement de l’alliage est très différent d’un acier. Nous avons obtenu des assemblages exempts de défauts (Figure 16), donc les caractéristiques mécaniques entre le métal de base et la le cordon sont peut différentes.

      23 24

      Figure 16 : macrographie d’un assemblage soudé par friction rotative de tube en TA6V

      Soudage d'un alliage de Nickel

      En raison de leurs propriétés mécaniques relativement élevées même à haute température, l’assemblage par friction d’alliages de nickel est relativement complexe (ici de l’INCONEL 718). Les assemblages sont moyennement satisfaisants et de ce fait les fenêtres de soudabilité sont relativement étroites. De plus, l’assemblage implique un abattement des propriétés mécaniques au niveau du joint soudé (Figure 17).

      25 26
      a b

      Figure 17 : assemblage de tubes fin en INCO 718, macrographie de l’assemblage (a), influence des paramètres de soudage sur la morphologie du cordon, la taille des différentes zones (b) et sur les propriétés mécaniques (microduretés)

      Soudage par friction malaxage (FSW) d’un acier à haute limite d’élasticité

      Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé relativement récent principalement appliqué à l’assemblage des alliages légers (alliages d’aluminium). De récentes avancées en matière d’outils de malaxage permettent d’envisager l’assemblage de pièces en acier voir de pièces en acier à haute limite d’élasticité. L’assemblage présenté ci-dessous (Figure 18 et Figure 19) est réalisé entre deux pièces en S690QL (acier trempé revenu). La microdureté (Figure 18) ainsi que la microstructure obtenue dans la cordon montre la présence de martensite (structure dure et fragile généralement non voulue) dans le cordon. En travaillant sur les paramètres de soudage de manière à obtenir une soudure « plus froide » (c’est-à-dire sans atteindre la température d’auténitisation au sein de la zone affectée par la température), nous avons obtenu des cordons de soudures sans martensite mais au détriment de la vitesse d’usure de l’outil de malaxage.

      27

      Figure 18 : macrographie et cartographie de microduretés d’un assemblage par FSW d’un acier à haute limité d’élasticité

      28

      Figure 19 : microstructures engendrées par l’opération de friction malaxage

      Collaborations

      Etudes réalisées en partenariat avec des industriels (SNECMA groupe SAFRAN, DCNS Research, ACB Nantes, …), des laboratoires (GeM, LPCES-ICMMO, Institut de Recherche Dupuy de Lomes-ex LIMATB) et des institutionnels (IRT Jules Verne, ADEME).

    • Endommagement au cours du soudage

      Au cours des opérations de soudage, il peut se produire des endommagements dans les matériaux qui peuvent rendre les pièces non utilisables. Nous avons une expertise concernant l’endommagement des matériaux métalliques au cours de leur mise en forme particulièrement dans le cas de la mise en forme par soudage. Nos études visent à comprendre les phénomènes inhérents à l’apparition de ces défauts et de proposés des solutions à nos partenaires industrielles. Ces solutions peuvent être soit d’ordre métallurgique soit des actions sur le procédé de soudage.

      L’exemple détaillé ci-dessous est une compréhension de l’apparition de fissures lors du soudage d’aciers à haute limite d’élasticité revêtus de zinc lors du soudage par résistance. La solution proposée fut une solution métallurgique.

      Soudage par résistance d'acier HLE

      Le procédé de soudage par résistance par point est un procédé très employé principalement dans le milieu automobile, mais aussi dans l’électroménager ou l’aéronautique. C’est un procédé relativement simple (Figure 1) mais dont la rapidité d’exécution (quelques dixièmes de seconde) et localisation du point soudé (entre les deux électrodes et plus exactement entre les deux tôles à assembler) ne permettent pas des observations très aisées.

      La Figure 2 la localisation ainsi que la taille des fissures qu’il est possible de trouver lors de soudage par résistance par point de tôles à très haute limite d’élasticité revétues de zinc.

      001

      Figure 1 : schéma de présentation du procédé de soudage par résistance par point

      id2m 01 id2m 02 id2m 03 id2m 04

      Figure 2 : endommagement des tôles suite à l’opération de soudage par résistances

      Nous avons relié les paramètres du procédé de soudage (Figure 3) à l’apparition des fissures. En effet ces dernières apparaissent dans les zones les plus contraintes du point soudé (fond de l’électrode, bord de l’indentation), pour des températures les plus élevées en surface donc les intensités les plus fortes et en présence de zinc à l’état liquide (entre la température de fusion et de vaporisation du zinc). La probabilité d’apparition d’une fissure est très grande lorsque le métal en contact avec le zinc liquide est de structure austénitique et fortement contraint (Figure 4).

      05 06
      07 08

      Figure 3 : relations entre paramètre de soudage, température de surface, indentation et apparition des fissures

      capt

      Figure 4 : localisation des fissures en fonction des températures atteintes et plus particulièrement les températures d’austénitisation des aciers (AC1 et AC3)

      Des essais de traction à haute température (essais sur machine thermo-mécaniques Gleeble) ont montré que quelque soit l’acier à haute limite d’élasticité, il y avait une perte de ductilité (Figure 5) dès que le métal revêtu était en mis en température au dessus de AC1 jusqu’à la température d’évaporation du zinc. Sur les matériaux non revêtus, ce trou de ductilité est inexistant.

      id2m 11

      Figure 5 : évolution de la ductilité des aciers revêtus en fonction de la température d’essais de traction

      Nous avons observé le cheminement du zinc dans les joints de grains austéno-austénitiques ou ferrito-austénitiques (Figure 6). Nous avons ainsi pu déterminer un modèle d’apparition et de propagation des fissures lors de l’opération de soudage.

      17 18 19
      20 0010  

      Figure 6 : visualisation du mouillage des joints de grains austénitique par le zinc

      Suite à cette étude, nous avons pu proposer à l’industriel non seulement une solution « procédé » (non prioritaire) ainsi qu’une solution matériaux en proposant de nouvelles nuances d’aciers moins sensible à cette fissuration par les métaux liquide.

      Collaborations

      Etudes réalisées en partenariat avec des industriels (ONERA, ARCELOR MITTAL, …), des laboratoires (MATTEIS-INSA Lyon).

Downloadhttp://bigtheme.net/joomla Joomla Templates

Publications ID2M