Soutenance de thèse de Nicolas JOUSSET

Evolution de la microstructure avec les paramètres de soudage et conséquences sur le comportement mécanique du métal fondu de joints soudés multipasses en acier à haute limite d'élasticité

Résumé de la thèse en français

Les aciers à haute limite d'élasticité sont très utilisés comme matériau de pièces de structure pour leur bonne combinaison entre résistance en traction et tenue au choc. Les composants en acier à haute limite d'élasticité peuvent être assemblés par soudage à l'électrode enrobée ; le métal fondu du joint soudé doit posséder des caractéristiques mécaniques aussi performantes que celles du métal de base. Afin d'optimiser les caractéristiques mécaniques des joints soudés, deux paramètres principaux sont impactants : la composition chimique du métal d'apport et les paramètres utilisés lors du procédé de soudage. Les travaux de thèse visent à mieux comprendre la genèse de la microstructure et ses conséquences sur le comportement mécanique du métal déposé, dans des joints soudés multipasses en acier à haute limite d'élasticité. Dans un premier temps, le lien entre l'historique thermique complexe des joints multipasses et les caractéristiques macrostructurales et microstructurales a été caractérisé en détail. Pour cela, des modèles thermiques du soudage (simulation numérique et modèle analytique de Rosenthal) ont permis d'estimer les cycles thermiques locaux issus des passes de soudage, qui réchauffent, voire ré-austénitisent les passes précédentes. La comparaison de ces cycles locaux avec les macrostructures de joints a mis en évidence une typologie d'historiques thermiques et de zones correspondantes dans les joints. Des campagnes d'essais dilatométriques et de traitements thermiques sur machine Gleeble ont permis d'évaluer l'influence des cycles thermiques locaux sur la microstructure. Des cycles simplifiés ont montré l'influence de la température de pic et de la vitesse de refroidissement. Les résultats ont été confirmés pour des formes de cycle plus proches des cycles réels, simulant différentes énergies de soudage et températures de préchauffage, pour différentes compositions chimiques du produit d'apport. Un effet mémoire des grains austénitiques parents, même après austénitisation complète, a été démontré. L'austénite résiduelle, présente à l'état brut de dépôt, est à l'origine de cet effet mémoire. Ce dernier permet, entre autres, de comprendre l'alternance des zones colonnaires et équiaxes visibles sur une macrographie ainsi que de mettre en évidence l'historique thermique particulier de certains zones spécifiques des joints. L'application de ces résultats à des assemblages soudés a révélé l'effet important de l'énergie de soudage et de la composition chimique du produit d'apport sur le comportement en traction et le comportement en rupture. Comme la microstructure est à l'origine de ces variations de caractéristiques mécaniques, plusieurs microstructures modèles ont été sélectionnées afin d'isoler, autant que possible, la contribution des différents constituants aux propriétés mécaniques. Des cycles thermiques à paliers isothermes et à refroidissement continu ont été appliqués afin de former ces microstructures modèles. Leur comportement en traction et en résilience ont fourni des pistes d'amélioration des propriétés à rupture des assemblages soudés réels. Cette étude apporte une meilleure compréhension de ces microstructures complexes et de leur impact sur le comportement mécanique des joints multipasses. En plus de mieux cerner les nombreux effets des paramètres de soudage sur l'historique thermique et les macrostructures, elle fournit également des outils d'aide à l'expertise utiles industriellement.

Résumé de la thèse en anglais

High strength steels are widely used for structural parts because of their good combination of tensile strength and impact toughness. Components made of high strength steel can be joined by coated electrode welding; the weld metal must have the same mechanical properties as the base metal. Optimisation of the mechanical properties of the welded joints mainly relies on two parameters: the chemical composition of the filler metal and the welding parameters. This research work aims at better understanding of the genesis of the microstructure and of its consequences on the mechanical behaviour of the deposited metal, in multipass welded joints made of high strength steel. In a first step, the link between the complex thermal history of multipass welds and the macro- and microstructural characteristics was characterised in detail. For this purpose, thermal models of welding (numerical simulation and Rosenthal analytical model) were used to estimate the local thermal cycles resulting from the welding passes, which reheat or even re-austenitise the previous ones. The comparison of these local cycles with the macrostructures of the joints revealed a typology of thermal histories and of corresponding regions in the macrographs. Dilatometric tests and heat treatments on a Gleeble machine were used to evaluate the influence of local thermal cycles on the microstructure. Simplified cycles showed the influence of peak temperature and cooling rate. The results were confirmed for heat cycle closer to real ones, simulating different heat input and preheating temperatures, for different chemical compositions of the filler material. A memory effect of the parent austenite grains, even after complete austenitisation, was demonstrated. Retained austenite, present in the as-welded microstructure, is at the origin of this memory effect. The latter allows, among other things, to understand the alternation of columnar and equiaxed zones visible on a macrograph as well as to highlight the particular thermal history of certain specific zones of the joints. The application of these results to welded joints revealed the significant effect of the heat input and of the chemical composition of the filler material on the tensile and fracture behaviour. As the microstructure is the source of these variations in mechanical properties, several model microstructures were selected in order to isolate, as far as possible, the contribution of the different constituents to the mechanical properties. Isothermal and continuous cooling thermal cycles were applied to create these model microstructures. Their tensile and impact behaviour provided insights into the improvement of the fracture properties of real welded joints.

Titre anglais : Microstructural evolution with welding parameters and consequences on the mechanical behaviour of the weld metal of multipass high-strength steel welds
Date de soutenance : mercredi 2 février 2022 à 10h00
Adresse de soutenance : MINES Paristech, 60 Bd Saint-Michel, 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES

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