Optimisation des propriétés en fatigue par traitements de grenaillage ultrasonique à chaud

Fatigue properties optimization by heat-assisted surface mechanical attrition treatment

• Auteur / Autrice : Yann Austernaud
• Direction : Thierry Grosdidier, Philippe Bocher, Marc Novelli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 19/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec École de technologie supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT)

Mots clés

Mots clés libres

Grenaillage ultrasonique

Déformations à chaud

Fatigue cyclique

Cyclic fatigue

Heat-assisted deformation

Ultrasonic shot peening

Résumé

Dans un souci de performance, les pièces de services industrielles nécessitent d'avoir des propriétés toujours plus élevées pour un poids de plus en plus faible. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux procédés de déformation ont été misent au point, notamment les traitements de surface mécaniques. Ces derniers permettent de renforcer le comportement mécanique des pièces par écrouissage superficiel, modifiant ainsi les propriétés de surface et de sous-couche par la création de gradients (microstructure, phase, contraintes résiduelles …) tout en conservant les propriétés à cœur. Parmi eux figure le traitement de grenaillage ultrasonique (ou Surface Mechanical Attrition Treatment – SMAT), dérivé du grenaillage de précontrainte, consistant à déformer la surface d'un échantillon par impacts répétés de billes. La principale différence avec le grenaillage de précontrainte, projetant les billes de manière unidirectionnelle, est que les billes sont ici disposées à l'intérieur d'une chambre confinée leur conférant des trajectoires d'impacts aléatoires. Le chargement mécanique ainsi appliqué permet d'activer plus de plans de glissement au sein des grains déformés et d'affiner la microstructure de surface de manière plus efficace. Les modifications ainsi obtenues permettent alors de renforcer les propriétés mécaniques des pièces traitées, notamment lors de chargements cycliques en fatigue. La nouvelle approche proposée consiste à ajouter une variable de traitement additionnelle qui est la température à laquelle les déformations de surface sont générées. Des températures supérieures à la température ambiante seront utilisées permettant d'augmenter le taux de déformation généré en surface ainsi que l'épaisseur de la sous-couche affectée par une réduction de la limite d'écoulement du matériau. Le traitement de grenaillage ultrasonique sera donc réalisé sous des températures allant de 100 à 500 °C et des caractérisations microstructurales des gradients créés seront effectuées et systématiquement comparées aux résultats obtenus à température ambiante.

Nowadays, industrial service parts require to have superior properties for a constantly lower weight. In order to achieve these goals, several deformation processes have been developed like the mechanical surface treatments. These latter allow to enhance the overall mechanical behaviors by a superficial work hardening, modifying the surface and subsurface proprieties through the creation of gradients (microstructure, phase, residual stress ), while keeping the core properties. Among them figure the ultrasonic shot peening (or Surface Mechanical Attrition Treatment – SMAT), derived from the conventional pre-strain shot peening, based on the use of hard shots to deform the surface by repeated impacts. The main difference with the conventionnel pre-strain shot peening treatment is that, during the ultrasonic shot peeing, the shots are placed in a confined treatment chamber giving them random impact trajectories. The mechanical loading thus applied allows to activate more slip systems within the deformed grains leading to an efficient structural refinement and enhanced mechanical properties, especially under cyclic fatigue loadings. The new approach proposed here consist of using treatment temperature higher than the room temperature in order to increase the strain amount applied at the treated surface as well as the affected layer thickness by a reduction of the yield stress. The ultrasonic shot peening will be carried out under temperatures in the range of 100 to 500 °C and microstructural characterizations will be done to described the generated gradients which will be compared to the ones created under room temperature.