étude comparative de l`influence du taux de

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ÉTUDE COMPARATIVE DE L'INFLUENCE DU TAUX DE
DÉFORMATION ET DE LA TEMPÉRATUERE DU RECUIT SUR LA
MICROSTRUCTURES ET LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE DEUX
ACIERS À HAUTE LIMITE D'ÉLASTICITÉ (HLE) DE TYPE API X70
DJERAF Sofiane 1, DJEGHLAL Elamine 2 et BADJI Riad 3
1: LSGM, Département Métallurgie, ENP, El Harrach Alger, [email protected]
2: LSGM, Département Métallurgie, ENP, El Harrach Alger, [email protected]
3: DMM, CSC, route de Dély-Ibrahim BP 64 Chéraga Alger, [email protected]
Résumé :
Cette étude a été consacrée à la comparaison des caractéristiques mécanique et microstructurale de deux
aciers à haute limite d'élasticité grade API X70, utilisé en Pipeline pour le transport du gaz à grand
diamètre, ce qui permet de faire un meilleur choix des propriétés. Pour cela on a procédé à une
caractérisation microstructurale et mécaniques, ensuite nous avons subis des éprouvettes de traction
déformés à différents taux, des traitements de recuit à différentes températures, à fin d'étudier l'influence
du taux de déformation et de la température de recuit sur leurs microstructure et sur leurs propriétés
mécaniques. Les résultats obtenus montrent que la microstructure et les propriétés mécaniques des deux
aciers sont différentes, et que celles-ci évoluent avec le taux de déformation et la température de recuit.
Mots clés : acier HLE, acier microallié, microstructure, déformation à froid, propriété mécanique, écrouissage,
recuit, recristallisation.
1
INOTRODUCTION
Pour mieux optimiser le choix des aciers en fonction de leur utilisation, les sidérurgistes ont mis au point
de nouvelles nuances dites « à haute limite d’élasticité HLE », qui présentent des performances
mécaniques accrues tout en conservant de bonnes caractéristiques de formabilité et de soudabilité. Les
tôles produites en aciers HLE offrent la possibilité d’alléger les ensembles en réduisant les sections des
pièces, ce qui est synonyme de produits moins chers, donc plus compétitifs. L’amélioration des propriétés
des aciers à haute limite élasticité (HLE) est fortement liée aux très petites quantités de carbures solides
ou de carbonitrures formés à partir des éléments microalliés tels que : Nb, V, et Ti, ajoutés pour renforcer
la précipitation, ainsi qu’au traitement thermomécanique qui contrôle la transformation des phases et
conduisant à l’affinement des grains [1]. Notre présent travail porte sur un de ces types d’acier HLE de
grade API X70, nous disposons de deux tôles de différentes compositions chimiques. Nous étudions
l’évolution de la microstructure, et des propriétés mécaniques au cours de l’écrouissage et du traitement
de recuit. En réalisant des expériences systématiques telles que : les essais de traction et le traitement de
3ème Conférence Internationale sur
le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,
http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php
151
recuit, pour déterminer l’influence des paramètres les plus importants tels que le taux de déformation, et
la température de traitement de recuit.
2
MATERIAU ET METHODE EXPERIMENTALE
Au cours de cette étude, deux tubes industriels en acier à haute limite d’élasticité de grade API 5L X70
(selon l’American Petroleum Insitut) utilisés pour la canalisation du pétrole et gaz ont été étudiés. La
composition chimique des deux aciers est donnée dans le tableau 1. La caractérisation mécanique et
l’étude de comportement plastique des aciers, se fait en réalisant des essais de traction pour les différent
taux de déformation (5%, 10%, 20%, 25%, et 30%) et jusqu'à la rupture sur des éprouvettes plates de
sections rectangulaires, prélevées dans le sens traverse des tubes (perpendiculaire au sens de laminage).
Ensuite on effectue des traitements de recuit sur des échantillons découpés à partir des éprouvettes de
traction déformés, en procédant à un chauffage de ces échantillons aux températures 680°C, 720°C, 750°,
C 790°C et 820°C, puis un maintien de temps de 30 minutes, suivi d’un refroidissement à l’air libre.
L'analyse microstructurale et fractographique est réalisée par l'examen métallographique à l'aide de la
microscopie optique et électronique (MEB), celle des phases à l'aide de diffraction des rayons X, et les
caractéristiques mécaniques obtenues à partir de l'essai de traction, sont complétés par l'essai de dureté
Vickers en utilisant une charge de 40 kg.
Tableau 1 – Composition chimique des deux aciers API X70.
Elément
C
Mn
Si
P
S
Cu
Al
Ti
Nb
Ni
Cr
Mo
V
Acier 1
0,09
1,59
0,31
0,006
0,005
0,012
0,035
0,005
0,055
0,021
0,036
0,005
0,064
Acier 2
0,057
1,63
0,21
0,002
0,008
0,014
0,025
0,015
0,068
0,024
0,024
0,003
0,001
3
RESULTAT ET INTERPRETATION
3.5 Analyse des éléments de la composition chimique
Les deux aciers étudiés contiennent une faible teneur en carbone, et largement inférieure au maximum
spécifié par l'American Petroleum Institue (API), qui est de 0,26%. Ainsi que le carbone équivalent CE
mesuré pour les deux aciers, qui sont de 0,38 pour l'acier 1 et de 0,34 pour l'acier 2. Ces valeurs sont audessous de la valeur maximale exigée par la norme pour les aciers à souder et qui est de 0,43, ce qui
confère une bonne soudabilité surtout pour l’acier 2 qui présente la valeur la plus faible. Le calcul du
carbone équivalent est donné dans API 5L par la formule empirique [2] :
CE  C 
Mn Cr  Mo  V  Cu  Ni 


6
5
15
(1)
152
Par contre, la présence du manganèse en quantité relativement importante compense la faible teneur en
carbone et favorise la résistance à la rupture fragile en préservant une bonne soudabilité. Un indice de
qualité est le rapport Mn/C, qui est de 17,667 pour l'acier 1 et de 28,596 pour l'acier 2. Ce dernier présente
un indice de qualité plus grand, on peur estimer que l'acier 2 a un effet plus favorable à la résistance à la
rupture fragile [3]. On note aussi la présence d’éléments microalliés en faibles quantités tels que le V, le
Nb et le Ti. La combinaison de ces éléments provoque une forte augmentation (pouvant atteindre 100 à
150 N/mm2) de la limite d'élasticité et une augmentation des caractéristiques qui peut allée jusqu'à 40%,
pour une structure ferritique, comme c'est le cas de la microstructure nos matériaux [3].
3.3 Caractérisation mécanique
Les courbes de traction des deux aciers sont tracées dans la figure 1. La courbe conventionnelle
correspondant à l'acier 1 possède un crochet de traction suivi d’un palier de charge. Cette allure est un cas
typique des aciers HLE ferritique contenant des impuretés interstitielles. Pour le cas de l'acier 2, l’allure
ne présente pas de bande de Piobert Lüders, la transition élasto-plastique se fait de manière progressive.
D'après la courbe rationnelle, Les deux aciers présentent un domaine élastique et plastique très proche
jusqu'à 12% de déformation. Dans ce cas les deux matériaux se déforment réversiblement et
irréversiblement de la même façon, mais au delà de cette valeur dans le domaine plastique homogène, les
deux courbes commencent à se scinder, et la pente de la courbe correspondant à l'acier 1 est supérieure à
celle de l'acier 2. Cela veut dire que l’acier 1 s’écrouie plus vite et se consolide plus que l’acier 2.
remarquons dans le domaine de striction, que la largueur de la zone de striction de l’acier 2 indiquée par
εs2 est plus large que celle de l’acier 1 désignée par εs1 (ε s2 >ε s1), contrairement au domaine plastique.
Cela implique qu’il s’allonge plus que ce dernier, avant de se rompre. Ces résultats sont confirmés par les
valeurs des caractéristiques mécaniques déduites de la courbe conventionnelle (voir tableau 2) et les
mesures du dureté, ou on constate que l’acier 1 est plus rigide, plus résistant et plus ductile par rapport à
l’acier 2. Mais ce dernier a une valeur de striction à la rupture Z supérieure à celle de l’acier 1. Il en
résulte que l'acier 2 s'allonge plus que l'acier 1 dans la zone de striction [4,5].
153
Figure 1 : Courbes de traction conventionnelle et rationnelle des deux aciers
Tableau 2 – Caractéristiques mécaniques des deux aciers déduites à partir de l'essai de traction.
Caractéristique
mécanique
Module
Young E
(GPa)
Limite
d'élasticité
Résistance à
la rupture
Allongement
à la rupture
Striction à la
rupture
Rp (MPa)
Rm (MPa)
A (%)
Z (%)
Dureté
Hv 0,4
Acier 1
244,5
565,5
657,9
35,55
67,41
228,3
Acier 2
209,1
512
585,9
27,51
82,11
217,5
3.3 Analyse fractographique de faciès de rupture
L’analyse de l’acier 1 révèle la présence des bandes de glissement appelées bandes de Piobert Lüders
(figure 2a), dues aux décrochages du mouvement des dislocations ancrées par le nuage de Cottrel (appelé
aussi: atmosphère du Cottrel), ce dernier est formé par les atomes interstitiels (tels que: le carbone, l'azote,
etc) logés le long des dislocations coins, dans les zones de contrainte de tension de ces dislocations. Par
contre, l’acier 2 présente le phénomène d’arrachement de la matière (figures 2b) [6]. L’observation au
MEB pour de forts grossissements des surfaces de rupture révèle que celles-ci consistent en de
nombreuses "cupules" sphériques pour le cas de l’acier 2, qui constituent la signature d’une rupture
ductile issue d’une défaillance de traction uniaxe, et en forme parabolique pour le cas de l’acier 1. Celleci est la résultante d’une rupture ductile par cisaillement. Cette forme favorise de plus, la formation d’une
fissure elliptique par fusionnement des ces cupules, qui s’amplifie davantage dans une direction parallèle
154
à son axe principal, entraînant la rupture par déformation de cisaillement selon un angle environ 45°C par
rapport à l’axe de traction, angle pour lequel la cission est maximale [6].
(a) Acier 1
(b) Acier 2
Bande de glissement
Arrachement
de la matière
Cupules sphériques
Cupules
paraboliques
Figure 2: Fractographie au MEB des éprouvettes de traction des deux aciers.
3.5 Analyse de la microstructure
Elle montre que l’acier 1 présente une structure à ferrite polygonale, par contre l’acier 2 a une
microstructure biphasée constituée d’un mélange de ferrite polygonale et de ferrite aciculaire (figure 3).
(a) acier 1
(b) acier 2
155
Grain polygonal
Ferrite aciculaire
Grain allongé
37,12µm
Ferrite polygonale
43,72 µm
Germe recristallisé
25,15 µm
20%. 750°C
25,15 µm
20%. 750°C
25,15 µm
25,15 µm
20%. 820°C
20%. 820°C
Figure 3: Evolution de la microstructure des deux aciers après écrouissage suivi d'un recuit.
156
La forme des grains des deux aciers est relativement irrégulière et en général convexe, correspondant à la
morphologie habituelle des grains dans un polycristal déformé, elle présente une forte proportion de
grains allongés dans la direction de laminage.
Après traitement de recuit des éprouvettes écrouis, on constate que la vitesse de recristallisation augmente
avec l’augmentation de la température et de l’allongement, et favorisée par les taux d’écrouissage élevés,
elle est supérieure pour l’acier 1, où on observe sa recristallisation presque totale, après recuit à 820°C
d'un échantillon écroui à 20 % (figure 3). La diffraction des rayons X, nous montre, le maintien de
l'orientation des grains, après déformation, suivi de recuit. Cette correspondance pourrait être due, soit à
des relations d’orientation entre les germes de recristallisation et la matrice, soit à la croissance sélective
de certains germes bien orientés, où la croissance de ces derniers est favorisée par les précipités.
3.5 Influence du taux déformation et de la température de recuit sur les propriétés mécaniques
La dureté diminue de la même façon dans les deux aciers (figure 4), avec l’augmentation de la
température, pour les différents taux d’allongements inférieurs à 25%, où elle chute à des valeurs
minimales à partir d’une certaine température. Cette chute est retardée vers des températures supérieures
en augmentant le taux d’allongement. Les meilleures valeurs de la dureté après traitement, obtenues à la
température de recuit de 680°C, pour le taux d’allongement de 19,83 % de l’acier 1 et de 17,16 % pour
l’acier 2, sont de 257,27 Hv0,4 et de 246,33 Hv0,4, respectivement (voir figure 4).
Figure 4 : Variations de la dureté en fonction de la température pour un taux d’allongement de 20
%, et en fonction du taux d’allongement à la température 680°C.
157
Conclusion
L’analyse des résultats nous a permis de faire une étude comparative des deux aciers. On constate que:
- Les caractéristiques mécaniques de l’acier 1 sont supérieures à celles de l’acier 2, par contre, ce dernier
présente une meilleure soudabilité et résistance à la rupture fragile, et un allongement dans le domaine de
striction plus élevée.
- L'acier 1 présente une rupture ductile par cisaillement, marquée par les bandes de glissement, par contre
l'acier 2 présente plutôt une rupture ductile issue d’une défaillance de traction uniaxe, signée par un
arrachement de la matière.
- La vitesse de recristallisation augmente avec l’augmentation de la température et de l’allongement, elle
est supérieure pour l’acier 1, et favorisée par les taux d’écrouissage élevés.
- Les meilleures valeurs de la dureté, après traitement de recuit, obtenues à la température de recuit de
680°C, pour le taux d’allongement de 19,83 % de l’acier 1et de 17,16 % pour l’acier 2, sont de 257,27
Hv0,4 et de 246,33 Hv0,4, respectivement.
Références
[1] Anne-Sophie Bilat "Estimation du risque de rupture fragile de soudure de pipelines en aciers à haut
grade: caractérisation et modélisation", Thèse de doctorat, pp 22-25, école Nationale Supérieure des
Mines de Paris, 2007, Paris.
[2] Mustapha Noureddine "Evolution de la microstructure et des propriétés mécaniques de l'acier HSLA
X70 lors des réparations par soudage", Thèse Magister, pp 65, école Nationale Polytechnique, 2009,
Alger.
[3] Marc Grumbach"Acier d'usage général", Technique de l'ingénieur, M 305, pp 6-10.
[4] Dominique François "Loi de comportement des métaux: élastoplasticité, viscoplasticité", Technique
de l'ingénieur, M 4 152, pp 3-8.
[5] Georges Saada "L'état métallique: déformation plastique", Technique de l'ingénieur, M 45, pp 4-5.
[6] Ali Mkaddem et Alain Potiron " Étude expérimentale du pliage de tôles: application aux aciers HLE",
Technique de l'ingénieur, BM 7 514, pp 6-7.
158

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