L’écrouissage peut-il influencer le soudage d’un métal ?

L’écrouissage apparaît lorsqu’un métal est déformé plastiquement

Lorsqu’un métal est soumis à un effort inférieur à sa limite d’élasticité, il retrouve généralement sa forme initiale après suppression de la charge. Si la déformation dépasse cette limite, une partie de la modification devient permanente : le matériau a subi une déformation plastique.

À l’échelle de sa structure cristalline, cette déformation s’accompagne notamment d’une multiplication et d’une interaction des dislocations. Leur déplacement devient progressivement plus difficile à mesure que la déformation augmente. Le métal oppose alors davantage de résistance à une nouvelle déformation plastique.

Ce phénomène est appelé écrouissage. Il est particulièrement important lors des opérations réalisées à froid, c’est-à-dire à une température suffisamment basse pour que le matériau conserve une grande partie de l’état créé par la déformation.

L’écrouissage augmente généralement la résistance et la dureté du métal

L’une des conséquences les plus visibles de l’écrouissage est l’augmentation de la résistance mécanique du matériau. Il faut exercer un effort plus important pour poursuivre sa déformation, et sa dureté peut également augmenter.

Cette augmentation de résistance s’accompagne généralement d’une diminution de la ductilité disponible. Autrement dit, le métal devenu plus résistant possède moins de capacité à subir une nouvelle déformation plastique avant rupture.

Le niveau de modification dépend du matériau et du taux de déformation appliqué. Une légère opération de mise en forme ne produit pas nécessairement un effet important, tandis qu’un étirage, un laminage à froid ou un formage sévère peut donner un état fortement écroui.

De nombreuses opérations de fabrication peuvent écrouir localement une pièce

L’écrouissage n’est pas réservé aux produits métallurgiques spécialement fabriqués pour obtenir une résistance élevée. Il peut apparaître au cours d’opérations ordinaires de fabrication comme le pliage, le cintrage, l’emboutissage, le roulage, l’étirage ou certaines opérations de redressage.

Dans un pli réalisé à froid, la déformation n’est par exemple pas uniforme dans toute la pièce. Les zones proches de la surface extérieure et intérieure du pli subissent des déformations plus importantes que les parties éloignées de cette zone.

Une fabrication peut ainsi contenir simultanément du matériau peu déformé et des régions davantage écrouies. Cette situation explique pourquoi l’historique de mise en forme doit parfois être connu lorsque la soudure est placée à proximité d’une zone fortement travaillée.

Une pièce écrouie ne possède plus exactement les propriétés de son état initial

Une désignation de nuance renseigne sur la nature du matériau, mais elle ne décrit pas toujours à elle seule son état mécanique au moment où il arrive dans l’atelier. Un produit peut être fourni à l’état recuit, laminé à froid, étiré ou avec un niveau déterminé d’écrouissage.

Deux pièces de même composition chimique peuvent donc présenter des résistances, des duretés et des allongements différents si leur historique de fabrication n’est pas le même. Cette distinction devient importante lorsqu’une conception utilise précisément la résistance obtenue par travail à froid.

Avant de souder un produit dont les caractéristiques mécaniques sont élevées, il est par conséquent utile de vérifier si ces caractéristiques proviennent essentiellement de la composition du matériau, d’un traitement thermique ou d’un état écroui obtenu par fabrication.

Les aciers inoxydables austénitiques peuvent fortement s’écrouir

Les aciers inoxydables austénitiques constituent un exemple classique de matériaux dont la résistance peut être sensiblement augmentée par travail à froid. Contrairement à certains aciers pouvant être durcis par un traitement thermique de trempe, les inox austénitiques courants sont notamment renforcés par déformation plastique.

Un produit inox laminé à froid, étiré ou fortement formé peut donc présenter des caractéristiques mécaniques nettement supérieures à celles d’un matériau dans un état plus doux. L’intensité de l’écrouissage dépend de la nuance et de la quantité de déformation imposée.

La documentation technique de TWI sur le soudage des aciers inoxydables austénitiques rappelle ainsi que ces matériaux peuvent être durcis et voir leur résistance augmenter grâce au travail à froid.

L’écrouissage peut également modifier le comportement magnétique de certains inox

Certains aciers inoxydables austénitiques normalement très peu magnétiques peuvent présenter un magnétisme plus marqué après une déformation plastique importante. Le travail à froid peut favoriser une transformation partielle de l’austénite en martensite de déformation pour certaines nuances suffisamment métastables.

Cette particularité explique pourquoi un aimant peut parfois être attiré par une zone fortement travaillée d’une pièce en inox alors qu’une autre zone de la même pièce réagit beaucoup moins.

Le phénomène ne se produit pas avec la même intensité pour tous les inox austénitiques et ne permet évidemment pas d’identifier précisément une nuance. Il constitue cependant un bon exemple des modifications que la mise en forme peut produire avant même que l’opération de soudage commence.

Le soudage peut localement réduire les propriétés obtenues par écrouissage

L’écrouissage est un état créé par la déformation du matériau. Lorsqu’une partie de ce matériau est ensuite chauffée suffisamment, des phénomènes de restauration et, selon le métal et les températures atteintes, de recristallisation peuvent réduire les effets du travail à froid.

Dans une pièce dont la résistance élevée provient en grande partie de l’écrouissage, l’état mécanique n’est donc pas nécessairement conservé uniformément à proximité d’une soudure. Une région initialement très résistante peut présenter localement des propriétés plus faibles après l’opération.

Outokumpu indique par exemple que certains inox austénitiques métastables utilisés à l’état laminé à froid pour obtenir une résistance élevée subissent naturellement un effet d’adoucissement dans la zone soudée. Cette modification doit alors être prise en compte dès la conception de l’assemblage.

Les alliages d’aluminium écrouis peuvent également perdre localement de la résistance

Le principe ne concerne pas uniquement les aciers. Plusieurs alliages d’aluminium non traitables thermiquement peuvent obtenir une part importante de leur résistance grâce à l’écrouissage. Leur état de livraison est alors couramment identifié par des désignations correspondant à différents niveaux de travail à froid et de stabilisation.

L’échauffement provoqué lors du soudage peut entraîner une restauration de la structure écrouie et éventuellement une recristallisation, ce qui réduit localement la résistance obtenue par déformation. La résistance mécanique d’un assemblage ne doit donc pas être évaluée uniquement à partir des valeurs du métal de base éloigné de la soudure.

Ce comportement illustre pourquoi il est essentiel de connaître non seulement la famille de l’alliage, mais également son état métallurgique exact avant de réaliser une construction soudée.

L’écrouissage ne signifie pas automatiquement qu’un métal est difficile à souder

La présence d’un état écroui ne permet pas à elle seule de conclure qu’une pièce peut ou ne peut pas être soudée. De nombreux produits formés ou laminés à froid sont régulièrement assemblés par soudage dans l’industrie.

La question principale est plutôt de savoir quelles propriétés le matériau possédait avant soudage, lesquelles sont nécessaires au fonctionnement de la pièce et dans quelle mesure l’opération d’assemblage peut les modifier localement.

La nuance, l’épaisseur, le niveau d’écrouissage, le procédé de fabrication et les exigences mécaniques doivent donc être considérés ensemble. Les phénomènes métallurgiques directement liés au cycle de soudage sont traités séparément dans notre dossier consacré aux facteurs qui influencent la soudabilité.

Les zones fortement écrouies demandent une attention particulière avant une nouvelle mise en forme

Une pièce déjà fortement déformée possède moins de réserve de ductilité qu’un matériau dans un état plus doux. Lui imposer ensuite un nouveau pliage, un redressage important ou une déformation supplémentaire peut augmenter le risque de fissuration dans les zones les plus sollicitées.

Cette situation doit être distinguée du soudage lui-même. Le problème provient ici de l’enchaînement des opérations de fabrication : une première mise en forme a modifié les propriétés du matériau avant qu’une seconde opération ne soit réalisée.

Pour les fabrications comportant plusieurs étapes de pliage, de cintrage et de soudage, l’ordre des opérations peut donc avoir une réelle importance. C’est précisément la raison pour laquelle le formage à froid fera l’objet de la question suivante de cette rubrique.

Comment prendre en compte l’écrouissage avant de souder une pièce ?

La première précaution consiste à identifier le matériau et son état de livraison. Sur une tôle ou un produit neuf, la documentation du fabricant peut préciser si le matériau est recuit, laminé à froid, écroui, étiré ou livré dans un autre état particulier.

Il faut ensuite examiner l’historique de fabrication de la pièce. Une zone fortement pliée, cintrée ou emboutie n’a pas nécessairement les mêmes propriétés que les parties restées pratiquement intactes. Lors d’une réparation ancienne, cet historique peut être difficile à reconstituer et une prudence supplémentaire est alors nécessaire.

Enfin, lorsque les caractéristiques mécaniques de l’ensemble sont critiques, la conception et la procédure de fabrication doivent tenir compte de la possibilité d’une modification locale des propriétés obtenues par écrouissage. Le bon raisonnement consiste donc à considérer l’état réel du matériau au moment du soudage, et non uniquement sa désignation chimique.