Déformation plastique sévère des surfaces d’alliages à faible densité par grenaillage ultrasonique : gradients de microstructures, comportements en fatigue et en tribologie

Surfaces severe plastic deformation of low density alloys by ultrasonic shot-peening : microstructural gradients, fatigue and tribological behaviours

• Auteur / Autrice : Pierre Maurel
• Direction : Thierry Grosdidier, Philippe Bocher, Laurent Weiss
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec École de technologie supérieure (Montréal, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicole R. Demarquette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bocher, Laurent Weiss, Marion Risbet-Voitot, Thierry Gloriant, Marie-Christine Baietto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marion Risbet-Voitot, Thierry Gloriant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium -- Alliages

Titane -- Alliages

Tribologie (technologie)

Élasticité

Grenaillage de précontrainte

Mots clés libres

Grenaillage ultrasonique

SMAT

Déformation sévère de surface

Tribologie

Frottement bille-plan

Fatigue en flexion rotative

Titane

Aluminium

Température cryogénique

Ultrasonic Shot-Peening

SMAT

Surface Mechanical Attrition Treatment

Severe plastic deformation

Tribology

Ball-on-place friction

Rotative bending fatigue

Titanium

Aluminium

Cryogenic temperature

Résumé

L’impact du grenaillage ultrasonique sur des alliages de titane et d’aluminium est étudié à température ambiante et à température cryogénique. Ce procédé peut aussi s'appeler attrition mécanique ultrasonique de surface (SMAT). La résistance en fatigue ainsi que le comportement tribologique sont étudiés afin de mieux comprendre les avantages et inconvénients liés à ce procédé. Deux alliages de titanes ont été choisis : un titane pur complètement α et un titane β-métastable sous sa forme complètement β. Ce choix permet de corréler l’influence de la microstructure initiale sur le traitement de déformation plastique sévère et sur les propriétés finales. Le titane β-métastable est sensible à la transformation martensitique induite par déformation ce qui permet d’explorer la possibilité d’introduire de la martensite à la surface grenaillée pour lutter, par exemple, contre la propagation de fissures courte lors des essais de fatigue. Le grenaillage à température cryogénique dans ce cas permet d’améliorer le déclenchement de la transformation martensitique. En plus d'aider la transformation martensitique, la température cryogénique permet d’augmenter la limite élastique des alliages lors du traitement, ce qui a pour impact de réduire le flux de matière à la surface grenaillée, améliorant ainsi l’intégrité de surface et entrainant un impact sur les propriétés tribologiques et en fatigue. Deux alliages d’aluminium à durcissement par précipitation ont également été étudiés : le 2024 et le 7075. Cette étude sur les aluminiums a pour but de comparer l’impact du grenaillage ultrasonique quand il est employé avant ou après le revenu de précipitation. Les dislocations produites lors du grenaillage ultrasonique servant de sites de nucléation préférentiels, l’objectif est d’explorer la possibilité d’améliorer (en termes de dureté par exemple) le revenu de précipitation en affinant la taille des précipités et en augmentant leur densité. L’emploi de deux séries d’aluminium devrait permettre de comparer l’effet du traitement sur les deux compositions différentes. De plus, ces deux alliages présentent des différences notables en termes de sensibilité aux défauts, ce qui permet d’étudier l’impact de l’intégrité de surface après grenaillage ultrasonique sur les propriétés mécaniques. L’étude des comportements tribologiques et en fatigue permet de tirer des conclusions quant à l’efficacité de ces traitements face à des conditions d’utilisation standards.

The impact of ultrasonic shot peening on titanium and aluminium alloys is studied at room temperature and at cryogenic temperature. This process may also be called surface mechanical attrition treatment (SMAT). Fatigue strength and tribological behaviour are investigated in order to better understand the pros and cons of this process. Two titanium alloys were chosen: pure titanium in its fully α form and β-metastable titanium in its fully β form. This choice makes it possible to correlate the influence of the initial microstructure on the treatment of severe plastic deformation and on the final properties. The β-metastable titanium is sensitive to strain-induced martensitic transformation, which allows exploring the possibility of introducing martensite to the shot-peened surface to delay, for example, short crack propagation in fatigue testing. Shot peening at cryogenic temperature in this case improves the initiation of the martensitic transformation. In addition to facilitating martensitic transformation, cryogenic temperature shot peening increases the yield strength of alloys during processing, which has the effect of reducing the flow of material at the shot-peened surface. Thereby, it improves surface integrity and changes tribological and fatigue properties. Two precipitation hardenable aluminum alloys were also studied: 2024 and 7075. The purpose of this aluminium study is to compare the impact of ultrasonic shot blasting when used before or after precipitation aging. As the dislocations produced during ultrasonic shot-peening serve as preferential nucleation sites, the objective is to explore the possibility of improving (e.g. in terms of hardness) the precipitation aging by refining the size of the precipitates and increasing their density. The use of two series of aluminium should make it possible to compare the effect of the treatment on the two different alloying compositions. In addition, these two alloys show significant differences in terms of defect sensitivity, permitting to study the impact of surface integrity after ultrasonic shot-peening on mechanical properties. The study of tribological and fatigue behaviour allows to conclude about the effectiveness of these treatments under common conditions of use.