"résilience" des aciers

EPREUVE DE TIPE-PARTIE D TITRE : TITANIC : Une autopsie métallurgique
Temps de préparation : 2h15
Temps de présentation devant le jury : 10 minutes
Entretien avec le jury : 10 minutes GUIDE POUR LE CANDIDAT :
Le dossier ci-joint comporte :
Document principal d'après un article Savoir l'Acier : TITANIC : Une
autopsie métallurgique
Document complémentaire 1 d'après les cahiers techniques de l'OTUA
Document complémentaire pédagogique sur l'essai de résilience
Document complémentaire Naufrage du Vraquier Flare Total : 12 pages. Travail suggéré au candidat Soit :
. A partir de l'article sur le naufrage du Titanic préciser les causes
du naufrage
. Préciser l'intérêt de l'essai de résilience en vous appuyant sur des
exemples
. CONSEILS GENERAUX POUR LA PREPARATION DE L'EPREUVE :
-Lisez le dossier en entier dans un temps raisonnable
-Réservez du temps pour préparer l'exposé devant le jury
|Olivier C. A. BISANTI|TITANIC |
| |Une autopsie métallurgique |
|16 octobre 2001 | |
|savoir l'Acier | |
|[pic] |
|Le Titanic à Southampton le 5 avril |
|1912 (coll. E. SAUDER) > |
Le naufrage du Titanic le 14 avril 1912 a été ressenti en Occident comme la
matérialisation cauchemardesque du mythe d'Icare. L'audacieux gigantisme du
navire pour l'époque, son naufrage au cours de son voyage inaugural, la
disparition du navire par une nuit de calme plat du seul fait de sa
collision avec un iceberg par ailleurs annoncé, le nombre des morts, firent
de ce naufrage le premier symbole de la faillibilité de la civilisation
issue de la révolution industrielle. Après la découverte de l'épave en 1985
par l'expédition BALLARD, d'autres descentes sur les restes du navire
permirent de remonter divers échantillons de la coque. Dans ce premier
article, nous verrons que leur examen jette un jour passionnant sur le
mécanisme du naufrage et sur la sidérurgie de l'époque.
L'évolution de l'architecture navale rendue possible par les progrès de la
métallurgie alimente aussi, avec certains évènements récents, des
conjectures sur la sécurité des navires contemporains. |(1) "Une nuit à retenir",|
|titre du livre de Walter |
|LORD consacré à la |
|tragédie du TITANIC, |
|expression anglaise |
|devenue courante pour |
|désigner le naufrage |
A night to remember(1) L'évènement a déjà été suffisamment relaté (et romancé) pour nous
permettre, en ce qui nous concerne, d'en rester au faisceau factuel
intéressant directement la métallurgie. |(2) Il est prévu pour |
|maintenir le navire à |
|flot avec les quatre |
|premiers compartiments|
|inondés. La brèche en |
|concerne six... |
La nuit du 13 au 14 avril 1912, le Titanic heurte à pleine vitesse un
iceberg ; le choc n'est pas frontal mais consiste plutôt en un frottement
appuyé du flanc immergé de la coque (la carène) tribord avec la glace. Nous
verrons plus loin que ce fait a son importance. Le navire, extrêmement bien
cloisonné (les bâtiments contemporains sont la plupart du temps moins
compartimentés que le Titanic) présente une voie d'eau qui, pour n'être pas
démesurée (sa surface calculée est d'un peu plus d'un mètre carré !),
affecte la coque sur plus de 75 mètres de longueur, ce qui empêche ledit
cloisonnement de sauver le navire(2).
La coque se remplit progressivement par le premier tiers avant, et prend,
en deux heures environ, une pente qui soulève la poupe hors de l'eau, et se
brise. L'avant, rempli d'eau, sombre immédiatement, suivi quelques minutes
plus tard par la partie arrière. Au matin, plus de 1.500 personnes auront
péri noyées ou par hypothermie.
L'autopsie
|(3) L'essai CHARPY |
|mesure la résilience, |
|ie la quantité |
|d'énergie nécessaire |
|pour briser un |
|échantillon métallique|
|à une température |
|déterminée. |
Du fait de son enfoncement dans la vase abyssale, la découverte de l'épave
sous près de quatre mille mètres d'eau, en septembre 1985, par Robert
BALLARD et son équipe du Woods Hole Institute, ne permit pas d'observer la
"blessure" que la collision avait infligée au navire. Cette découverte fut
suivie par plusieurs expéditions dont certaines remontèrent en surface des
fragments de coque. Ces fragments ont été soumis aux examens métallurgiques
classiques, tant morphologiques (micrographies, fractographies) que
mécaniques (principalement essais CHARPY(3)) et chimiques (détermination de
la composition de l'acier).
Par la suite, la zone de fracture fut enfin visualisée, par échographie, à
travers 15 mètres de vase, montrant non pas une rupture erratique comme en
aurait provoqué une déchirure ou une rupture des tôles, mais six entailles
bien délimitées, linéaires et étroites, semblant suivre l'alignement des
rives des tôles de bordé.
|[pic] |
|Figure 1 - composition de l'acier du Titanic |
En 1910, les navires sont en effet construits en tôles fortes (30
millimètres environ) assemblées par rivetage à chaud. Une fois positionnée
de manière à assurer le recouvrement des rives prescrit par le plan (ou le
recouvrement entre la rive de la tôle et une membrure), une nouvelle tôle
est assemblée à la coque par un premier rivet. Le trou est percé à travers
les deux pièces à assembler superposées, à froid, avec un bélier mû à la
vapeur. Puis on enfile dans ce trou le rivet forgé, réchauffé à 1100ø
environ. La tige du rivet est engagée dans le trou jusqu'à la tête, puis on
frappe l'extrémité de la tige à l'intérieur, jusqu'à obtenir la deuxième
tête qui, plaquée contre la surface interne de la coque (tôle ou membrure),
l'y tiendra fixée. La contraction liée au retour à la température ambiante
assurera le serrage des tôles donnant l'étanchéité. La vérification de la
qualité de l'assemblage se fait de manière quelque peu empirique : on tape
la tête de rivet avec un marteau ; si on entend un bruit clair, le rivet
est décrété bon ; si le son est sourd et indistinct, l'assemblage est à
recommencer, l'ablation du rivet malade se faisant par perçage. 3 millions
de rivets ont ainsi été posés pour assembler les 2.000 tôles de la coque du
Titanic. La chimie de ces tôles a été analysée. Elle correspond à une analyse
moderne de type AISI 1018 (classification américaine), c'est-à-dire à un
acier doux à 0,2% de carbone. Par rapport à l'acier contemporain, on note
cependant :
-une teneur assez élevée en soufre, de l'ordre de 0,065% à 0,70% contre un
maximum actuel de 0,05%
- une teneur faible en manganèse,
- une teneur faible en azote,
- une teneur assez faible en oxygène. |[pic] |
|Figure 2 -Métallographies de l'acier du Titanic |
Le manque de manganèse (rapport Mn/S de 8 contre plus de 12 pour les aciers
actuels AISI 1018) a laissé libre une grande partie du soufre (qui
provenait d'un apport initial par le coke dans la fonte), qui a migré aux
joints de grains, affaiblissant la cohésion du métal. En quantité
suffisante, le manganèse aurait par ailleurs durci l'acier par solution
solide et abaissé de plusieurs dizaines de degrés la température de
transition ductile-fragile (4) qui s'est révélée très élevée sur les
échantillons examinés : entre 30øC et 70øC ! En conséquence, les tôles se
situaient profondément dans le domaine fragile lors de la collision.
|(4) transition |
|ductile-fragile : |
|température du passage du|
|mode de rupture de |
|l'acier d'une rupture |
|ductile à une rupture |
|fragile. La rupture |
|ductile se caractérise |
|par une déformation |
|plastique réduisant la |
|section de la pièce |
|aboutissant à la rupture.|
|La rupture fragile se |
|caractérise par la |
|cassure franche, montrant|
|un faciès caractéristique|
|sur la surface rompue |
La métallographie a montré que l'acier des tôles était constitué de perlite
(carbure de fer FeC3) en gros grains noyés dans une matrice de ferrite. Il
est démontré que la forme, la taille et la distribution des îlots de
perlite dans la matrice ferritique influencent la courbe des températures
de transition ductile/fragile.
Les échantillons ont montré une importante dispersion de caractéristiques,
tant chimiques que métallographiques, entre tôles du Titanic. Cette
dispersion traduit le manque de moyens de contrôle d'élaboration en
conditions industrielles de l'époque et le fait que les essais de rupture
par choc (essais Charpy) n'étaient alors pratiqués que pour les aciers à
usage militaire.
La perforation des trous de rivets par choc à froid (bélier à vapeur)
provoque classiquement une fissuration autour du trou ; les extrémités de
ces fissures sont autant de points de concentration de contraintes à partir
desquels peuvent s'initier des fractures de fatigue (ce qui n'est pas le
cas du Titanic qui a coulé à son premier voyage) ou des ruptures fragiles.
Ce procédé a d'ailleurs été interdit ultérieurement en construction
métallique, et remplacé par le perçage au foret.
Quant aux rivets d'assemblage, l'examen de deux exemplaires a révélé la
présence d'importantes inclusions de silicate de fer provenant du laitier
d'élaboration, et étalées en couches lors du forgeage du rivet. Non
seulement leur fraction volumique (9,3%) excédait trois fois la valeur
considérée comme maximale, mais encore leur distribution géométrique était
péjorative. Le martelage de la tête interne provoquait en effet une
angulation importante de leur trajet, produisant une concentration de
contraintes dans cette zone critique. De plus, lors de leur fixation, les
rivets cédaient très rapidement leur chaleur au métal contre lequel ils
étaient appuyés, aboutissant à un effet de trempe. En l'absence d'un
traitement thermique ultérieur de détensionnement, cet effet fragilisait
enc