Traite des phénomènes de rupture d'arrachement lamellaire. Après une caractérisation de ces ruptures, sont examinés les facteurs influents (retrait de soudage et inclusions),le processus de propagation et les mesures de prévention. Revue CM-1-1975.

Sont présentés dans cet article les deux principaux facteurs déterminants dans une rupture par arrachement lamellaire : les effets du retrait et la présence d'inclusions non métalliques.

3 - Facteurs de l'arrachement lamellaire

Les ruptures d'arrachement lamellaire se produisent lorsque les efforts de retrait de soudage affectent des zones du métal de base affaiblies par des inclusions non métalliques.

Les facteurs déterminants de ce défaut sont donc ceux qui d'une part, accroissent l'intensité des efforts de retrait et d'autre part, favorisent l'accumulation défavorable des inclusions. Les premiers dépendent des modalités de conception et d'exécution des ouvrages, les seconds des méthodes d'élaboration et des procédés de fabrication des produits sidérurgiques.

3,1 - Intensité des efforts de retrait

Fig 4

On sait l'importance dans les cordons de soudage des efforts de retrait et des déformations qu'ils provoquent : pour l'assemblage âme - semelle d'une poutre en I par cordons d'angle et pour des épaisseurs de 5 à 10mm, on compte en général pour des pièces non bridées sur une déformation angulaire de deux fois 2 à 4° répartie sur une largeur assez grande (fig 4, schéma de droite).

Par contre, pour des pièces plus épaisses, par exemple une semelle de 20mm, les déformations angulaires ne sont plus que de l'ordre du degré, l'écart étant évidemment compensé par un accroissement de contraintes élastiques et des déformations permanentes dans le cordons de soudage et les parties avoisinantes (fig 4, schéma de gauche). 

Les facteurs d'accroissement des efforts de retrait sont donc :

• La raideur des pièces, elles mêmes fonction de leur épaisseur et de leur bridage,
• Les limites élastiques du métal de base et du métal  d'apport puisque la relaxation par adaptation plastique intervient seulement lorsque cette limite est atteinte.

Ces  deux éléments dépendent des choix faits à la conception et en fabrication, en ce qui concerne :

• Le tracé des assemblages,
• L'ordre d'exécution des cordons de soudage dont dépend le bridage au moment de la réalisation,
• La séquence de soudage de chaque cordon dont dépendent la répartition et l'intensité des efforts de retrait,
• La résistance du métal d'apport.

3,2 - Inclusions non métalliques

On sait que les aciers contiennent toujours, en dépit du soin apporté à leur élaboration, des constituants non miscibles au fer qui précipitent , au hasard de la solidification, et contribuent aux ségrégations dites mineure et majeure. Ces constituants, au nombre desquels il faut compter les sulfures (MnS, FeS, ...) et les oxydes, donnent lieu à des inclusions dont la nature, le nombre, la forme et la distribution, de désoxydation et de coulée, de laminage et notamment de sa température et des éventuels traitements thermiques ultérieurs.

Il n'est ni possible, ni utile, dans le cadre de cet article   de reprendre tous les éléments connus relatifs à ces phénomènes et il suffira de rappeler que :

1. Dans les aciers effervescents, la ségrégation des composés du soufre est importante ; cet élément se rassemble dans l'axe du lingot, c'est à dire dans l'axe des produits laminés. Dans ces conditions, la teneur en soufre de la zone périphérique des produits est fréquemment la moitié de la teneur moyenne.
2. Dans les aciers calmés, la ségrégation des composés de soufre est comparativement plus faible, si bien que la teneur en cet élément est en tout point produit beaucoup plus proche de la moyenne.
3. Lorsque l'acier contient à la fois des oxydes et des sulfures, cas des aciers effervescents, ces éléments précipitent ensemble et donnent lieu à des inclusions sphériques relativement grosses ; en l'absence d'oxyde, cas des aciers calmés, les sulfures précipitent sous forme allongée et fine au joint des grains.
4. Les sulfures de manganèse et de fer, qui constituent l'essentiel des composés du soufre sont très déformables à la température de laminage ; cette opération leur confère une forme aplatie.

En conséquence, et d'une manière évidemment simplifiée, on peut dire que dans les aciers calmés et les composés du soufre donnent lieu, y compris dans les zones périphériques des produits, à des bandes discontinues de nombreuses petites inclusions allongées par le laminage et réparties dans des plans différents, à l'image d'un banc de poissons.

Dans les aciers effervescents, au contraire, ces inclusions, surtout rassemblées dans l'axe des produits, se présentent en gros amas moins nocifs parce que moins déformables et non susceptibles de se rejoindre au laminage pour dessiner des plans de moindre résistance.

Fig 5 - D'après Pokorny Album de métallographie

La figure 6 représente l'aspect habituel des sulfures de Mn très malléables tels qu'ils apparaissent sur la micrographie au grossissement 100 d'un acier de construction.

Fig 6 - D'après Pokorny : Album de métallographie

La figure 6 représente, au grossissement 1000 un même acier sur lequel on aperçoit, en gris (1) un précipité de sulfure Mn longiline, dont l'extrémité arrondie émerge dans une microretassure en noir (2) sur un fond blanc de ferrite avec îlots granités de perlite (3).

Des composés non sulfureux, notamment les silicates et les aluminates, peuvent également se présenter  sous forme d'inclusions allongées.

4 - Processus de la rupture par arrachement lamellaire

Sous l'effet des efforts de retrait qui agissent sur la zone dont la résistance transversale est affaiblie par le présence des alignements d'inclusions, on constate successivement (fig 7) .

• L'arrachement ou le décollement du précipité qui constitue les inclusions,
• La formation de cavités par écartement des parois qui limitent les inclusions,
• La rupture ductile par cisaillement des ponts métalliques qui relient les inclusions entre elles.

Par ce processus, la fissure peut se propager de proche en proche sur de très grandes longueurs.