Analyse métallurgique, dilution et prédiction microstructurale (Diagrammes de Schaeffler et DeLong)

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1. Introduction

Le soudage hétérogène entre un acier au carbone et un acier inoxydable austénitique (types 304L / 316L) constitue un cas métallurgique critique en raison des phénomènes de dilution et de transformation de phase.

Lors de l’opération de soudage à l’arc avec métal d’apport, la composition du métal fondu résulte d’un mélange typique de :

• ≈ 70 à 80 % métal d’apport
• ≈ 20 à 30 % métal de base

Cette proportion dépend fortement :

• du procédé (GTAW, GMAW, SAW, etc.)
• de la géométrie du joint
• des paramètres thermiques (intensité, énergie linéique, vitesse)

👉 Cette dilution modifie profondément la composition chimique finale du bain et donc sa microstructure après solidification.

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2. Risque métallurgique majeur : formation de martensite

Toute dilution d’un inox austénitique (304L / 316L) par un acier au carbone entraîne :

• une diminution du taux d’éléments austénitogènes (Ni, C, N)
• une augmentation relative des éléments ferritogènes

➡️ Ceci favorise la transformation :$$\gamma \rightarrow \alpha’ \text{ (martensite)}$$γ→α′ (martensite)

Conséquences :

• augmentation de la dureté (> 350 HV typiquement)
• fragilisation
• baisse de ductilité
• risque de fissuration (notamment à froid)

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3. Stratégie métallurgique : utilisation d’un métal d’apport surallié

Pour compenser la dilution, on utilise un métal d’apport fortement allié, typiquement :

• ER309L

Rôle :

• augmenter le nickel équivalent
• maintenir une solidification austénitique
• éviter la formation de martensite

👉 Condition critique :
la dilution ne doit pas dépasser un seuil critique (~30–35%)

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4. Diagramme de Schaeffler : principe et formulation

Le diagramme de Schaeffler permet de prédire la microstructure du métal fondu à partir des équivalents chimiques.

4.1 Équivalents chimiques

Nickel équivalent :

$$Ni_{eq} = \%Ni + 30 \times \%C + 0.5 \times \%Mn$$Nieq​=%Ni+30×%C+0.5×%Mn

Chrome équivalent :

$$Cr_{eq} = \%Cr + \%Mo + 1.5 \times \%Si + 0.5 \times \%Nb$$Creq​=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Nb

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5. Exemple de calcul

Acier inoxydable 304L :

• Cr = 18.2 %
• Ni = 10.1 %
• Mn = 1.2 %
• Si = 0.4 %
• C = 0.02 %

$$Ni_{eq} = 10.1 + (30 \times 0.02) + (0.5 \times 1.2) = 11.3$$Nieq​=10.1+(30×0.02)+(0.5×1.2)=11.3 $$Cr_{eq} = 18.2 + (1.5 \times 0.4) = 18.8$$Creq​=18.2+(1.5×0.4)=18.8

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Métal d’apport 309L :

• $Ni_{eq} \approx 14.35$Nieq​≈14.35
• $Cr_{eq} \approx 24.9$Creq​≈24.9

👉 Position clairement dans le domaine austénitique + ferrite δ

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6. Limites du diagramme de Schaeffler

Le diagramme ne prend pas en compte l’azote (N), pourtant :

• très puissant austénitogène
• essentiel dans les inox modernes (duplex, superduplex)

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7. Diagramme de DeLong et Ferrite Number (FN)

Le diagramme de DeLong corrige cette limitation en introduisant :$$Ni_{eq} = \%Ni + 30C + 0.5Mn + 30N$$Nieq​=%Ni+30C+0.5Mn+30N

Ferrite Number (FN)

• mesure magnétique de la ferrite δ
• standard industriel (AWS A4.2 / ISO 8249)

👉 Objectif typique :

• FN = 3 à 10 pour éviter fissuration à chaud et corrosion

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8. Cas pratique : soudage acier carbone + 304L

8.1 Avec métal d’apport 304L

• dilution → déplacement vers zone martensitique
• risque élevé de structure fragile

8.2 Avec métal d’apport 309L

• déplacement vers domaine austénite + ferrite
• structure stable et ductile

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9. Méthode graphique pour assemblages dissemblables

Procédure rigoureuse :

1. tracer les deux métaux de base
2. relier par une droite
3. définir point B (mélange sans apport)
4. tracer ligne vers métal d’apport
5. positionner point A selon dilution réelle

👉 Point A = microstructure finale du métal fondu

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10. Détection expérimentale de la martensite

Méthodes :

• mesure de dureté (HV)
  • martensite → dureté élevée
• essai de pliage (side bend test – ASME IX)
  • rupture → présence de phases fragiles

👉 Important :
La martensite dans ce cas n’entraîne généralement pas de fissuration hydrogène, car :

• l’austénite dissout efficacement l’hydrogène

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11. Maîtrise de la dilution

Causes principales de dilution élevée :

• intensité élevée (SAW, GMAW fort courant)
• vitesse de soudage élevée
• tôles fines (GTAW)
• préparation de joint (chanfrein droit)

Solutions industrielles :

• beurrage préalable (buttering)
• réduction de l’énergie linéique
• choix du procédé
• géométrie optimisée du joint

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12. Conclusion

Le soudage des aciers au carbone vers les aciers inoxydables austénitiques constitue un cas emblématique de métallurgie appliquée au soudage, où :

• la dilution contrôle la microstructure
• la composition chimique effective gouverne les transformations de phase
• le choix du métal d’apport est déterminant

Les diagrammes de Schaeffler et DeLong restent des outils fondamentaux, bien que simplifiés, pour :

• la conception des DMOS / WPS
• la prévention des défauts métallurgiques
• l’optimisation des assemblages dissemblables

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Références

• American Welding Society – AWS D1.6
• The Welding Institute
• ASM Handbook – Welding, Brazing and Soldering
• Kou, Welding Metallurgy
• Lippold & Kotecki