Essai de résilience Charpy d'une soudure : principe et interprétation

L'essai de résilience Charpy d'une soudure mesure l'énergie absorbée par une éprouvette entaillée lorsqu'elle est rompue sous l'effet d'un choc. Sur un assemblage soudé, l'entaille peut être positionnée dans le métal fondu ou dans une zone déterminée à proximité de la soudure afin d'évaluer localement son comportement au choc et à la rupture.

L'essai est réalisé avec un pendule Charpy. L'éprouvette, conditionnée à la température prévue, est placée sur deux appuis puis frappée par un mouton-pendule du côté opposé à l'entaille. La différence d'énergie du pendule avant et après la rupture permet de déterminer l'énergie absorbée par l'éprouvette.

Le Charpy fait partie des principaux essais destructifs en soudage. Son intérêt devient particulièrement important lorsque la ténacité à une température donnée constitue une exigence du matériau, de la fabrication ou des conditions de service.

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1. Qu'est-ce qu'un essai Charpy sur une soudure ?

L'essai Charpy est un essai mécanique destructif par choc. Une éprouvette comportant une entaille normalisée est rompue en une seule sollicitation rapide par un pendule. L'énergie absorbée au cours de la rupture constitue le résultat principal de l'essai.

Dans le cas d'un assemblage soudé, la particularité réside dans le choix de la zone examinée. L'éprouvette et son entaille doivent être prélevées et orientées de manière à solliciter le métal fondu, la zone affectée thermiquement ou une autre position définie par le programme d'essai.

Le résultat ne représente donc pas indistinctement toute la soudure. Il correspond à une éprouvette précise, prélevée à une position donnée et testée à une température déterminée.

2. Quel est l'objectif de l'essai de résilience Charpy ?

L'essai vise à mesurer la capacité d'une éprouvette à absorber de l'énergie lors d'une rupture rapide. Cette information est particulièrement utile lorsqu'il faut apprécier le comportement d'un matériau ou d'une zone soudée face à un choc ou à une rupture fragile.

Un matériau peut présenter une résistance à la traction élevée tout en ayant un comportement moins favorable sous choc, notamment lorsque la température diminue. Le Charpy apporte donc une information différente de celle fournie par un essai statique.

Dans les constructions où la ténacité est importante, la valeur obtenue peut être comparée à une exigence minimale définie par une norme de produit, un code de construction, une spécification ou un cahier des charges.

3. Quel est le principe du pendule Charpy ?

L'éprouvette est disposée horizontalement sur deux appuis. Son entaille est orientée conformément à la méthode d'essai et le pendule vient frapper la face opposée. Le mouton-pendule est libéré depuis une hauteur connue et rompt l'éprouvette en traversant sa position.

Après la rupture, le pendule poursuit son mouvement mais remonte moins haut qu'il ne serait remonté sans éprouvette. La perte d'énergie correspond principalement à l'énergie absorbée pendant la rupture, après prise en compte du fonctionnement de la machine selon la méthode applicable.

Le résultat est exprimé en joules (J). Il ne s'agit pas d'une force maximale ni d'une contrainte comme en traction, mais d'une énergie absorbée pendant l'événement de rupture.

4. Comment est préparée l'éprouvette Charpy ?

L'éprouvette est prélevée dans le coupon ou l'assemblage à la position prévue par le programme d'essai. Sa géométrie, ses dimensions, l'orientation de son axe et la forme de son entaille doivent respecter le référentiel utilisé.

La méthode Charpy prévoit des éprouvettes normalisées avec entaille, notamment de type V ou U selon la spécification appliquée. Lorsque l'épaisseur disponible ne permet pas l'utilisation d'une éprouvette de pleine section, des éprouvettes de dimensions réduites peuvent être prévues dans les conditions définies par le référentiel.

Le prélèvement et la préparation des éprouvettes sont particulièrement critiques pour le Charpy : une erreur de position de quelques millimètres peut déplacer l'entaille vers une zone métallurgique différente de celle que l'on souhaitait examiner.

5. Où positionner l'entaille dans un joint soudé ?

La position de l'entaille est l'un des paramètres les plus importants de l'essai sur soudure. Elle peut être placée dans le métal fondu, sur la ligne de fusion ou à une distance définie de celle-ci afin d'examiner une zone particulière de l'assemblage.

Pour atteindre réellement la zone recherchée, le laboratoire doit connaître la géométrie du joint et la position de la soudure dans l'éprouvette. Une préparation macrographique ou un repérage approprié peut être nécessaire lorsque la frontière entre les différentes zones n'est pas suffisamment évidente.

ISO 9016 utilise un système de désignation permettant de décrire la position de l'éprouvette et l'orientation de l'entaille dans les assemblages soudés bout à bout. Cette désignation facilite la traçabilité et évite qu'un résultat soit interprété sans connaître la zone effectivement testée.

6. Pourquoi la température d'essai est-elle importante ?

La température peut fortement influencer le comportement au choc de certains matériaux métalliques. Pour plusieurs aciers, une diminution de température peut s'accompagner d'une baisse de l'énergie absorbée et d'une évolution vers un comportement plus fragile.

L'éprouvette doit donc être conditionnée à la température d'essai prescrite, puis transférée et rompue dans les conditions prévues par la méthode. Une valeur obtenue à température ambiante ne peut pas être comparée sans précaution à une exigence définie, par exemple, à une température négative.

Dans un rapport Charpy, la température fait ainsi partie des informations indispensables. Une valeur exprimée uniquement en joules, sans indication de température et de position de prélèvement, est insuffisante pour interpréter correctement le comportement de la soudure.

7. Que signifie l'énergie absorbée en joules ?

Le résultat Charpy correspond à l'énergie absorbée par l'éprouvette pendant la rupture. Cette énergie est exprimée en joules. Plus la valeur est élevée, plus l'éprouvette a absorbé d'énergie dans les conditions précises de l'essai.

Il faut toutefois éviter de transformer cette valeur en classement universel. Deux résultats ne sont comparables que si les conditions pertinentes sont cohérentes : type et dimensions de l'éprouvette, géométrie de l'entaille, température, orientation et zone de prélèvement.

Une exigence de 27 J, 40 J ou toute autre valeur ne constitue donc pas une règle générale du soudage. Les seuils d'acceptation dépendent du matériau, du produit, de la norme de construction, de la température de référence et des exigences du projet.

8. Quelles zones de la soudure peut-on examiner ?

Un assemblage soudé n'est pas métallurgiquement homogène. Le cycle thermique crée plusieurs zones dont le comportement au choc peut être différent. C'est précisément pour cette raison que la position de l'entaille doit être définie avec soin.

La position exacte demandée dépend du référentiel applicable. Une même qualification peut prévoir plusieurs séries d'éprouvettes afin de comparer le métal fondu et différentes positions dans la zone affectée thermiquement.

9. Quels facteurs influencent le résultat Charpy ?

La température est l'un des facteurs majeurs, mais elle n'est pas la seule. La composition chimique, la microstructure, la taille de grain, le traitement thermique, le procédé de soudage et le cycle thermique subi par l'assemblage peuvent influencer la ténacité.

La géométrie de l'éprouvette et de l'entaille doit également être maîtrisée. L'entaille crée volontairement une concentration de contraintes afin de favoriser l'amorçage de la rupture à un endroit défini. Une entaille mal usinée ou mal positionnée rend le résultat difficilement comparable à une éprouvette conforme.

Sur un assemblage soudé, l'hétérogénéité métallurgique ajoute une difficulté supplémentaire. Deux entailles très proches géométriquement peuvent solliciter des microstructures différentes si elles ne sont pas positionnées de façon suffisamment précise.

10. Quelles informations figurent dans le rapport d'essai ?

Le rapport doit permettre d'identifier clairement ce qui a été testé et dans quelles conditions. Il comprend notamment l'identification de l'éprouvette, sa position dans l'assemblage, l'orientation et la localisation de l'entaille, ainsi que la température de l'essai.

L'énergie absorbée mesurée en joules est consignée pour chaque éprouvette. Lorsque plusieurs éprouvettes constituent une série, les résultats individuels doivent rester disponibles même lorsqu'une moyenne est également utilisée par le référentiel d'acceptation.

Selon la méthode et les exigences du projet, d'autres observations peuvent être demandées. La traçabilité doit permettre de relier chaque résultat au coupon, au matériau et à la zone effectivement prélevée.

11. Dans quels cas utilise-t-on l'essai Charpy en soudage ?

L'essai Charpy est utilisé lorsque le comportement au choc ou la ténacité constitue une caractéristique importante de l'assemblage. C'est notamment le cas de certaines structures exposées à de basses températures, de constructions fortement sollicitées ou de fabrications pour lesquelles un référentiel impose une valeur minimale d'énergie absorbée.

Il peut être demandé lors de la qualification d'un mode opératoire de soudage, lors de la caractérisation d'un matériau ou dans le cadre d'études particulières. Sa présence n'est toutefois pas systématique dans toutes les qualifications ni dans toutes les fabrications.

Le besoin d'essai, la température, les zones à prélever et les critères d'acceptation doivent donc être définis par les documents applicables au projet plutôt que par une règle générale.

12. Que prévoient ISO 9016 et ISO 148-1 ?

ISO 9016:2022 est spécifique aux essais de flexion par choc appliqués aux assemblages soudés. Elle définit notamment la méthode utilisée pour décrire la position des éprouvettes, l'orientation de l'entaille et les informations complémentaires nécessaires au rapport d'essai.

Cette norme est utilisée en complément de la série ISO 148. ISO 148-1 définit la méthode générale de l'essai de flexion par choc Charpy sur les matériaux métalliques, notamment le principe de l'essai, les éprouvettes et les conditions de réalisation.

Les normes d'essai décrivent comment produire un résultat fiable et reproductible. Les critères d'acceptation applicables à une soudure peuvent, eux, provenir d'autres normes, codes ou spécifications.

13. Quelle différence avec traction, dureté et pliage ?

Le Charpy ne mesure pas la même propriété qu'un essai de traction. La traction applique une charge relativement progressive et permet notamment de déterminer une résistance mécanique maximale, tandis que le Charpy provoque une rupture rapide par impact et mesure l'énergie absorbée.

La dureté correspond à la résistance locale du matériau à la pénétration d'un indenteur selon une méthode définie. Elle peut mettre en évidence des variations entre le métal de base, la ZAT et le métal fondu, mais elle ne fournit pas directement une énergie de rupture par choc.

Le pliage impose quant à lui une forte déformation à l'éprouvette afin d'évaluer sa ductilité et de faire apparaître certaines imperfections sur la surface mise en extension. Ces essais sont donc complémentaires et ne peuvent pas être remplacés les uns par les autres.

14. Quelles sont les limites et précautions de l'essai Charpy ?

Le Charpy donne une valeur comparative obtenue dans des conditions normalisées, mais il ne reproduit pas à lui seul le comportement complet d'une structure réelle. La géométrie de la pièce, l'état de contrainte, les défauts, l'épaisseur et la vitesse réelle de chargement en service peuvent être différents.

La représentativité dépend fortement du prélèvement. Une entaille placée hors de la zone recherchée peut conduire à tester une microstructure différente de celle prévue. La température et le délai entre conditionnement et rupture doivent également être maîtrisés conformément à la méthode.

Enfin, une valeur élevée ou faible ne doit jamais être interprétée isolément. Il faut connaître la température, la géométrie de l'éprouvette, l'emplacement de l'entaille, le matériau et le critère d'acceptation applicable avant de conclure.

FAQ : essai de résilience Charpy d'une soudure

Voici les réponses aux questions fréquentes concernant les essais Charpy réalisés sur des assemblages soudés.

Que mesure exactement un essai Charpy ?

Il mesure l'énergie absorbée par une éprouvette entaillée lorsqu'elle est rompue par le choc d'un pendule. Le résultat est exprimé en joules.

Pourquoi l'éprouvette Charpy possède-t-elle une entaille ?

L'entaille crée une concentration de contraintes et impose une zone privilégiée d'amorçage de la rupture. Sa géométrie, son orientation et son emplacement doivent être contrôlés pour obtenir un résultat comparable.

Pourquoi réalise-t-on des essais Charpy à basse température ?

Parce que le comportement au choc de certains matériaux, notamment certains aciers, peut se dégrader lorsque la température diminue. Une spécification peut donc imposer une énergie minimale à une température donnée.

Où place-t-on l'entaille sur une soudure ?

Elle peut être placée dans le métal fondu, au voisinage de la ligne de fusion ou dans une position définie de la zone affectée thermiquement. L'emplacement exact dépend du programme d'essai et du référentiel applicable.

Quelle est l'unité d'un résultat Charpy ?

Le résultat principal est une énergie absorbée exprimée en joules (J). Il ne doit pas être confondu avec une résistance à la traction exprimée en MPa.

Une valeur de 27 J est-elle toujours suffisante ?

Non. Aucun seuil unique ne convient à toutes les soudures. La valeur minimale dépend du matériau, de la température d'essai, du type d'éprouvette et des critères imposés par le référentiel ou le projet.

Quelle norme concerne le Charpy sur les soudures ?

ISO 9016:2022 traite de la position des éprouvettes, de l'orientation de l'entaille et de l'examen pour les essais de flexion par choc sur assemblages soudés. Elle est utilisée en complément de la série ISO 148.

Le Charpy remplace-t-il un essai de traction ?

Non. Le Charpy mesure une énergie absorbée lors d'une rupture rapide par choc, tandis que la traction mesure notamment une résistance mécanique sous chargement progressif. Les deux essais répondent à des objectifs différents.

Ressources sur l'essai Charpy des soudures

La réalisation et l'interprétation d'un essai de flexion par choc doivent suivre les documents applicables au projet. Pour les assemblages soudés, la norme spécifique à la localisation de l'éprouvette et de l'entaille s'utilise en complément de la méthode générale Charpy.

• ISO 9016:2022 : essais destructifs des soudures sur matériaux métalliques — essai de flexion par choc — position de l'éprouvette, orientation de l'entaille et examen.
• ISO 148-1:2016 : matériaux métalliques — essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy — méthode d'essai.

ISO 148-1:2016 reste l'édition internationale publiée au moment de la rédaction de cette fiche. Une révision est en cours ; pour un essai contractuel ou réglementé, il convient donc de vérifier l'édition explicitement exigée par les documents du projet.