Diagramme de Schaeffler et ses utilisations pratiques

Qu’est-ce que le diagramme de Schaeffler ?

Le diagramme de Schaeffler est un outil important pour prédire la constitution de votre dépôt de soudure inox. En fonction des éléments d’alliage qu’il contient, le diagramme de Schaeffler renseigne sur les différentes phases (structures) présentes.
La ferrite est importante pour éviter la fissuration à chaud pendant le refroidissement du soudage des aciers inoxydables austénitiques. Des « diagrammes de constitution » sont utilisés pour prédire les niveaux de ferrite à partir de la composition en comparant les effets des éléments stabilisateurs d’austénite et de ferrite. Le diagramme de Schaeffler est la méthode originale de prédiction des équilibres de phases dans les soudures en acier inoxydable austénitique.

L’équivalent chrome (tracé sur la ligne horizontale) est calculé à partir du pourcentage en poids d’éléments formateurs de ferrite (Cr, Si, Mo, Nb, W) et l’équivalent nickel (tracé sur la ligne verticale) est calculé à partir du pourcentage en poids de éléments formateurs d’austénite (C, Ni, Mn, Cu, N). La position dans le diagramme de Schaeffler définie par les équivalents Cr et Ni donne les proportions de martensite, d’austénite et de ferrite dans la microstructure résultante.

Figure 1. Microstructures tracées sur le diagramme de Schaeffler

Un diagramme de Schaeffler peut être utilisé pour représenter l’effet de la proportion de deux éléments (et donc la composition de l’alliage) sur la structure obtenue après refroidissement rapide de 1050 °C à température ambiante.
La figure ci-dessous montre que le chrome est un stabilisateur de ferrite et le nickel est un stabilisateur d’austénite. Ce diagramme montre les limites des phases austénitique, ferritique et martensitique par rapport à l’équivalent chrome et nickel, calculées en utilisant ces expressions :

• Équivalent Cr = (Cr)+2(Si)+1,5(Mo)+5(V)+5,5(Al)+1,75(Nb)+1,5(Ti)+0,75(W)
• Équivalent Ni = (Ni)+ (Co)+0,5(Mn)+0,3(Cu)+25(N)+30(C)

toutes les concentrations étant exprimées en pourcentages en poids.

Le diagramme de Schaeffler est un outil important pour prédire la constitution de soudures en acier austénitique Cr-Ni avec des teneurs en carbone jusqu’à 0,12 %. Cependant, il ne permet pas la détermination de la composition et du volume de la phase carbure. De plus, pour une teneur en carbone inférieure à 0,12 %, l’accord des prédictions avec le système réel est réduit du fait de la consommation de carbone par le processus de formation des carbures.
Le diagramme de Schaeffler est particulièrement adapté aux métaux de soudure afin de prédire la structure finale du dépôt. Le diagramme de Schaeffler ci-dessous montre les positions de divers consommables de soudage avec leur microstructure de dépôt de soudure respective.

Figure 2. Métallurgie des électrodes de soudage la plus courante sur le diagramme de Schaeffler

Un exemple pratique pour le diagramme de Schaeffler pour le soudage dissemblable

Comme nous l’avons appris, la position du matériau dans le diagramme de Schaeffler est déterminée à partir de ses équivalents chrome et nickel des matériaux de base, puis une droite est ensuite tracée entre les points obtenus par ces Creq & Nieq.

De même, la position du matériau de remplissage proposé est tracée en fonction de sa chimie. Lors du soudage de joints symétriques (par exemple rainure simple ou double V/U/J avec angles de biseau égaux, on peut considérer que les surfaces de fusion du matériau de base seront plus ou moins également fondues sur les deux niveaux. Maintenant, une ligne droite peut donc être dessiné entre la position du matériau de remplissage et le centre de la ligne entre les matériaux de base. En général, environ 20 à 40 % du matériau de remplissage seront « dilués » par le matériau de base fondu, avec pour résultat que la structure du le métal d’apport sera tel qu’indiqué par un point situé à environ 20 à 40 % de la distance le long de la ligne à partir de la position du matériau d’apport. Si cette structure convient, le matériau d’apport proposé peut être utilisé. S’il ne convient pas,répéter la procédure ci-dessus pour une charge ayant une composition différente.

Le diagramme de Schaeffler dans la figure ci-dessus représente un exemple de ce qui précède pour le cas d’une nuance d’acier faiblement allié C15 (EN 1.0401), (A), étant soudée à l’acier inoxydable AISI 304 (1.4301), (B), en utilisant ER309LMo (ER 23 12 2 L) fil d’apport (D). Cela donne une structure de métal soudé comme indiqué au point E, c’est-à-dire de l’austénite avec environ 10 % de ferrite.

Les compositions chimiques des trois matériaux ci-dessus dans la discussion sont données ci-dessous :

Composition chimique % de l’acier C15 (1.0401) : EN 10277-2-2008

CSiMnPS
0,12 – 0,18max 0.40,3 – 0,80,045 max.0,045 max.

             Composition chimique % de l’acier X5CrNi18-10 (1.4301) : EN 10088-2-2005

CSiMnNiPSCrN
0,07 max.max 1max 28 – 10,50,045 max.0,015 max.17,5 – 19,50,11 maximum

Composition chimique % du grade 309LMo ( 309LMo )

CSiMnNiPSCrMoCu
0,03 max.max 0,651 – 2,512 – 140,03 max.0,03 max.23 – 252 – 3max 0,75

Regardez notre vidéo You Tube pour un apprentissage interactif de l’animation sur le diagramme de Schaeffler et son importance.

Figure 3. Répartition des phases sur le diagramme de Schaeffler