Évaluation mécanique et microstructurale des connexions par goujons de cisaillement soudés en acier carbone conventionnel et en acier inoxydable

Pourquoi les parties cachées des ponts comptent

Tous les jours, des millions de personnes traversent des ponts routiers sans se douter que leur sécurité dépend de petites tiges métalliques appelées goujons de cisaillement. Ces goujons lient la dalle en béton aux poutres en acier en dessous, aidant la structure à se comporter comme une unité rigide unique. Alors que les gestionnaires d’infrastructures s’orientent vers de nouveaux aciers résistants à la corrosion pour réduire les coûts d’entretien, ils doivent s’assurer que ces connecteurs invisibles restent fiables. Cette étude pose une question simple mais cruciale : lorsque les ponts utilisent des aciers inoxydables modernes, faut‑il aussi remplacer les goujons — de l’acier carbone ordinaire vers l’inox — pour conserver à la fois la résistance et la durabilité des ouvrages ?

Des poutres rouillées aux aciers résistants à la corrosion

Les poutres traditionnelles des ponts sont fabriquées en acier carbone, qui est robuste mais vulnérable à la corrosion, notamment dans les régions exposées au sel de déneigement, aux embruns marins ou à de longues périodes d’humidité. Les autorités ont essayé des aciers dit « à patine » qui forment une couche protectrice de rouille, mais dans les environnements riches en chlorures cette couche peut échouer, entraînant des réparations imprévues. Une option plus récente, connue sous le nom de Grade 50CR, est un acier inoxydable faiblement chromé conçu pour résister à la corrosion pendant des décennies avec peu d’entretien. De nombreux propriétaires de ponts souhaitent associer cet acier à des détails tout aussi durables, mais cela soulève une inquiétude : si un goujon en acier carbone ordinaire est soudé sur une poutre en acier inoxydable, les deux métaux dissemblables peuvent former de minuscules cellules électrochimiques en présence de sel et d’humidité, accélérant la corrosion du métal le moins noble. Une solution évidente consiste à remplacer les goujons par de l’inox, mais les normes offrent peu d’orientation sur le comportement réel de ces goujons inox lors de leur soudage dans des éléments de pont réels.

Tester la résistance des différents goujons

Les chercheurs ont construit et testé trois types d’assemblages goujon‑plaquette qui reflètent ce qui est utilisé sur les ponts. Un groupe utilisait l’association conventionnelle d’un goujon en acier carbone doux sur une plaquette en acier carbone. Un deuxième groupe a soudé le même goujon en carbone doux sur une plaquette Grade 50CR, créant une jonction volontairement « mismatch ». Le troisième groupe utilisait des goujons en acier inoxydable 316L sur des plaquettes Grade 50CR, représentant un système entièrement inoxydable et résistant à la corrosion. À l’aide de montages personnalisés dans une machine d’essai universelle, ils ont tiré chaque goujon en traction et poussé des goujons appariés en cisaillement, mesurant la charge supportée et la déformation ou le glissement avant rupture. Pour les trois configurations, les résistances globales en cisaillement et en traction étaient assez similaires, mais les goujons en inox se distinguaient par leur capacité à s’allonger beaucoup plus avant la fracture, montrant une plus grande ductilité et absorption d’énergie.

Observer les soudures à l’échelle microscopique

La seule résistance ne dit pas tout, aussi l’équipe a sectionné les joints soudés et les a examinés au microscope, puis a utilisé un test de dureté à petite échelle pour cartographier les changements de matériau autour de la soudure. Dans les joints acier‑sur‑acier et acier‑sur‑inox, ils ont trouvé des structures très dures et en forme d’aiguilles appelées martensite concentrées dans la zone affectée thermiquement autour de la soudure. Ces régions présentaient une dureté fortement élevée, dépassant parfois des niveaux que les ingénieurs considèrent comme des signaux d’alerte pour un comportement fragile. Dans la configuration mixte goujon carbone sur 50CR, la zone de soudure est devenue particulièrement dure, ce qui implique une fraction plus élevée de phases fragiles susceptibles de se fissurer en service exigeant. En revanche, les joints goujon inox sur plaquette inox ont également développé des zones dures, mais la dureté maximale était plus faible et répartie plus progressivement, suggérant une soudure plus indulgente. Fait important, l’équipe n’a pas détecté une phase problématique appelée sigma, qui peut dégrader la résistance à la corrosion dans certaines soudures inoxydables.

Ce que révèlent les ruptures sur les marges de sécurité

La plupart des éprouvettes ont cédé dans le goujon lui‑même par déchirure ductile classique, ce que préfèrent les concepteurs : cela signifie que la barre d’acier de base se déforme avant que la soudure ne casse brusquement. Cependant, quelques échantillons, en particulier dans le groupe inox‑sur‑inox, se sont fracturés dans ou près de la soudure. Les auteurs relient ces exceptions à des défauts locaux de soudure ou à des poches de microstructure extrêmement dure, soulignant que même dans un système globalement robuste, une mauvaise qualité de soudage peut déplacer la rupture du goujon vers l’assemblage. Leurs mesures montrent que la taille de la soudure, la surface de fusion et les pics locaux de dureté contribuent tous à déterminer si une connexion échoue progressivement et de manière visible ou de façon plus fragile. Cette constatation renforce les règles de soudage existantes qui insistent sur un apport thermique approprié, un bon positionnement des goujons et la propreté, et suggère que l’affinage des paramètres de soudage pour les systèmes inox pourrait réduire encore le risque de zones fragiles.

Pourquoi les goujons inox‑sur‑inox sont prometteurs

Pour les propriétaires de ponts, le principal enseignement est rassurant. L’utilisation de goujons en inox 316L sur des poutres Grade 50CR offre des performances en cisaillement et en traction qui égalent ou dépassent celles des goujons en acier carbone traditionnels, tout en évitant les problèmes de corrosion galvanique liés à l’association de métaux dissemblables. Bien que les soudures de tout matériau puissent développer des zones dures ou des défauts si elles ne sont pas correctement contrôlées, l’étude indique que les plaques Grade 50CR peuvent être soudées avec succès sans former de phases particulièrement dangereuses, et que les goujons inox peuvent tirer parti de leur grande ductilité pour fournir des connexions robustes et fiables. En termes simples, passer à des goujons inox‑sur‑inox semble être une voie pratique vers des ponts plus durables et nécessitant moins d’entretien — à condition que les procédures de soudage soient soigneusement qualifiées et surveillées.

Citation: Sajid, H.U., Slein, R. Mechanical and microstructural assessment of conventional carbon and stainless steel shear stud welded connections. Sci Rep 16, 7049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37051-7

Mots-clés: corrosion des ponts, goujons en acier inoxydable, ponts composites, microstructure de la soudure, Grade 50CR