Intégrale J
L'intégrale J mesure l'énergie libérée au sommet d'une fissure lorsqu'elle se propage. Elle s'applique aux matériaux tenaces avec une grande déformation plastique avant rupture. En soudage, on l'utilise pour évaluer le risque de rupture des soudures de manière réaliste.
Mécanisme physico-chimique
À la pointe de la fissure, la contrainte se concentre. Dans les matériaux tenaces, le matériau se déforme plastiquement avant que la fissure ne progresse. L'intégrale J est une intégrale de ligne autour de la pointe de la fissure. Elle calcule l'énergie potentielle libérée lors de l'extension de la fissure par unité de surface. Elle est indépendante du chemin d'intégration, tant que ce chemin est dans le matériau élasto-plastique. L'intégrale J capture à la fois l'énergie de déformation élastique et plastique. Elle étend le concept de taux de libération d'énergie de la mécanique de rupture linéaire élastique à un comportement non linéaire du matériau.
Pertinence métallurgique et risques lors du soudage
Les soudures présentent souvent des contraintes résiduelles et des changements de microstructure. L'apport de chaleur modifie la ténacité. Dans les matériaux tenaces (par exemple, acier de construction), la zone plastique à la pointe de la fissure est grande. La mécanique de rupture linéaire élastique sous-estime le risque de rupture. L'intégrale J fournit des valeurs plus précises de ténacité à la rupture. Une valeur critique JIc marque le début de la croissance instable de la fissure. Si la charge est si élevée que l'intégrale J dépasse JIc, la soudure cède sans avertissement. Dans la zone de soudure, la ténacité à la rupture peut chuter nettement en raison de changements de microstructure (par exemple, formation de gros grains, martensite). Alors JIc est bas et la soudure casse plus tôt.
Pratique d'atelier et consignes
L'intégrale J ne se mesure pas directement dans l'atelier. On la détermine en laboratoire sur des éprouvettes normalisées (par exemple, selon ASTM E1820). Pour le praticien, l'important est que le matériau présente une ténacité à la rupture JIc suffisante. Les valeurs typiques pour l'acier de construction se situent, selon la nuance et la température, aux alentours de 50–200 kJ/m². Pour les assemblages soudés, on examine la zone affectée thermiquement et le métal fondu séparément. Si l'on choisit des paramètres de soudage avec un apport de chaleur trop élevé, le grain grossit et JIc diminue. Un apport de chaleur trop faible peut provoquer de la martensite et détériorer également la ténacité. Par conséquent : respecter les consignes de soudage, maintenir la préchauffe et la température entre passes. Si une soudure doit supporter des charges élevées, le client exige souvent une preuve de ténacité à la rupture via JIc. Dans ce cas, il faut prélever des éprouvettes de la soudure et les faire tester.