Types de traitement thermique post-soudage (PWHT)

Le traitement thermique après soudage (PWHT) est souvent exigé par les normes et spécifications de soudage pour certains matériaux, tels que les aciers au carbone. Le PWHT permet de réduire les contraintes résiduelles tout en améliorant la ténacité et la ductilité des composants métalliques soudés.

Le traitement thermique post-fabrication (PWHT) à des températures plus élevées permet non seulement d'atténuer et de redistribuer les contraintes résiduelles, mais peut également déclencher des processus de revenu, de précipitation ou de vieillissement qui produisent des effets de revenu, de précipitation ou de vieillissement – bien que ces modifications métallurgiques puissent potentiellement dégrader les propriétés mécaniques ; pour éviter toute dégradation des propriétés mécaniques, il est conseillé de demander conseil quant aux durées et températures optimales à respecter lors de la réalisation des traitements de PWHT.

Trempe

Le revenu permet d'éliminer les contraintes internes générées lors de la trempe, ce qui améliore la ductilité et réduit le risque de rupture catastrophique. Le revenu renforce également la résilience, permettant ainsi aux matériaux de mieux résister aux chocs, aux contraintes ainsi qu'aux charges cycliques.

Le recuit est le processus consistant à chauffer progressivement les matériaux afin d'éviter leur fissuration, puis à les maintenir à une température donnée pendant une durée prolongée, généralement d'une heure par pouce d'épaisseur. Des températures et des durées différentes donnent lieu à des propriétés mécaniques différentes ; il est préférable de consulter un métallurgiste qualifié pour déterminer les durées et les températures idéales à utiliser au cours de ce processus.

Pour obtenir des résultats optimaux, une gestion précise de la température est indispensable ; un temps de traitement trop long ou une surchauffe peuvent entraîner une déformation ou une perte de résistance, laissant des contraintes résiduelles qui dépassent les limites de conception, ce qui conduit à des défaillances de la soudure. L'acier trempé est essentiel pour garantir la durabilité, la fiabilité et la qualité, qu'il soit utilisé pour fabriquer des épingles de sûreté ou un stade de 80 000 places ; ses indices visuels remarquables permettent de comprendre instantanément sa transformation : les teintes jaune clair indiquent la souplesse, tandis que les bleus profonds sont le signe d'une résistance et d'une rigidité exceptionnelles.

Normalisation

Les traitements thermiques post-soudage appliqués aux pièces soudées affinent la structure granulaire, réduisent les niveaux de contrainte à l'intérieur de celles-ci et améliorent leur ténacité, ce qui se traduit par une distorsion moindre lors de l'usinage de finition et permet de gagner du temps et de l'argent en production.

La normalisation est un procédé consistant à chauffer un matériau à des températures supérieures à son point critique supérieur (température Ac3 pour les aciers ferritiques-perlitiques), à le maintenir à cette température pendant un temps proportionnel à l'épaisseur de la section, puis à le refroidir lentement à l'air libre. Ce procédé permet d’obtenir une microstructure composée de martensite, de bainite et de perlite, garantissant une résistance supérieure tout en conservant une bonne ductilité par rapport à un recuit complet.

La normalisation est un processus essentiel qui sert à préparer les matériaux en vue d’opérations ultérieures telles que le formage, la fonderie ou le soudage. Elle joue également un rôle crucial dans les procédés de cémentation, car elle permet de minimiser les variations dimensionnelles au cours des cycles de cémentation et de garantir une microstructure plus homogène. De plus, les aciers de cémentation trempés et revenus présentent généralement une ténacité accrue après normalisation.

Vieillissement/Précipitations

Le durcissement par précipitation est une méthode efficace pour augmenter la résistance de certaines familles d'alliages. Ce procédé consiste à isoler des composés spécifiques qui lient les matériaux entre eux et empêchent tout mouvement au sein de leur structure cristalline, ce qui augmente la résistance tout en contribuant à prévenir la formation de fissures.

Tout comme pour le recuit de durcissement, le renforcement par précipitation nécessite de trouver un équilibre délicat entre les forces thermodynamiques à l’origine de la nucléation et les contraintes liées à la diffusion. À mesure que la température augmente, les particules de soluté commencent à former des zones exemptes de précipitation (PFZ). Ces régions servent de sites de nucléation hétérogènes pour la formation de précipités, ce qui peut modifier considérablement les propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction et la ductilité.

La taille et la forme des précipités déterminent la dureté du matériau. Une zone PFZ comportant des précipités b’ grossiers répartis le long des joints de grains est idéale pour renforcer le matériau et améliorer sa ductilité ; cependant, le vieillissement sous contrainte entraîne souvent une répartition plus uniforme de précipités plus fins, de forme aciculaire, à mesure que l’on approche du stade de vieillissement maximal.

Libération d'hydrogène

Dans cette étude, des éprouvettes cylindriques de traction ont été usinées à partir de sections d'assemblages soudés, tant à l'état « tel que soudé » (AW) qu'à l'état « renormalisé et recuit » (PWHT-2), en vue d'essais cycliques à température ambiante dans des conditions exemptes d'hydrogène et chargées en hydrogène par voie électrolytique. Les données mécaniques obtenues ont ensuite été mises en corrélation avec les observations microstructurales ainsi qu’avec les résultats fractographiques.

Le traitement par chauffage post-soudage (PWHT) a considérablement réduit la sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène des assemblages soudés par rapport aux conditions « à l'état brut de soudage » (AW), en raison des effets d'adoucissement induits par le PWHT sur le métal d'apport, ce qui a entraîné une accumulation de déformation plus intense au niveau de la zone de transition entre le métal d'apport et le métal de base (GBF) le long de la zone de transition entre le métal d'apport et le métal de base (HAGB) lors d'une mise en charge cyclique.

Ce phénomène était manifeste à mesure que la concentration en hydrogène augmentait, comme en témoignaient la diminution des courbes de déformation sous charge “ Rm ” et “ Rp0,2 ”, ainsi que celle de l'allongement maximal à la rupture (“ ELmax ”). De plus, à des teneurs élevées en hydrogène, la ductilité a considérablement diminué – en particulier pour les échantillons PWHT-WM renormalisés et recuits, chez lesquels une réduction inattendue s’est produite à 4 ml/100 g de Fe.