Caractérisation des contraintes résiduelles engendrées par l'expansion à froid de trous dans des alliages d'aluminium

L'écrouissage à froid (EEF) est un procédé qui consiste à déformer plastiquement un trou d'assemblage dans des alliages métalliques par le passage d'un mandrin surdimensionné. L'interférence majeure dans le trou a pour effet de générer des contraintes résiduelles autour de celui-ci. La portion tangentielle des contraintes sera bénéfique aux abords du trou puisqu'une zone fortement compressive est créée qui retardera l'apparition et la propagation de fissures de fatigue. À une distance plus grande du trou, une zone de contraintes en tension est générée. La résultante du procédé est une augmentation considérable de la vie en fatigue du trou qui a été démontrée par une utilisation par l'industrie depuis plusieurs décennies. La présente étude avait pour objectifs la caractérisation du champ de contraintes résiduelles induites par l'EEF et le développement d'une méthode de simulation pour celui-ci. La complexité des contraintes générées est décuplée par deux éléments principaux. D'abord, le passage progressif du mandrin dans le trou cause une interférence évolutive qui, au final, engendre un état de contrainte variable dans l'épaisseur de la plaque trouée. Ensuite, pour des raisons d'aisance d'application et de productivité de la méthode, l'interférence entre le trou et le mandrin est causé par une pièce d'interface, le manchon, qui consiste en une mince feuille d'acier formée en cylindre. Au degré d'interférence maximal, le manchon présente une discontinuité géométrique due à son déploiement dans le trou, ce qui cause une non-uniformité du chargement mécanique. Dans le but de concevoir un modèle tridimensionnel de simulation par éléments finis représentatif de la physique réelle du procédé, différentes mesures en laboratoire ont d'abord été effectuées. Le mandrin à simuler a été numérisé afin d'introduire sa forme exacte dans le modèle. Des mesures dimensionnelles ont aussi permis de caractériser le comportement du manchon pendant l'écrouissage et l'effet de son ouverture sur l'état final du trou. Ces mesures et observations ont permis de définir le comportement des diverses interfaces de contacts ainsi que les géométries dans le modèle d'EF. La caractérisation du champ de contraintes résiduelle et la validation du modèle de simulations de l'EEF ont été effectuées grâce à l'obtention d'une multitude de données expérimentales. D'abord, la diffraction de Rayons-X a permis d'acquérir des mesures de contraintes sur les deux faces de la pièce trouée.

Abstract

Cold Expansion (CX) is a process which consists in plastically deforming assembly holes in metallic alloys by drawing an oversize mandrel through them. The major interference caused by the mandrel generates residual constraints around the hole. The tangential part of those constraints is beneficial for the hole fatigue life since an highly compressive zone is created which will retard fatigue cracks propagation. However, farther from this compressive zone, balancing tensile stresses are generated. The resultant of the CX process is a considerable increase in the fatigue life of the hole which has been demonstrated by the industry over the last decades. The present study objectives were the characterization of the residual stress field induced by CX and the development of a simulation method for it. The complexity of the generated stresses is increased tenfold by two main elements. First, the progressive drawing of the mandrel through the hole causes a scalable interference which produces variable stress states in the thickness of the perforated plate. Second, for easier application and productivity, the interference between the hole and the mandrel is actually caused by an interference object, the sleeve, that is rolled to a cylindrical form from a thin steel sheet. At its critical interference position, a split is opened in the sleeve which causes a non-uniform mechanical loading applied to the walls of the hole. In order to conceive a physically realistic tridimensional finite element model, laboratory measurements were first performed. The mandrel was digitized to introduce its exact shape in the model. Dimensional measurements have also helped to characterize the sleeve mechanical behavior during the CX and the effect of its split on the final hole state. These measurements and observations allowed defining the behavior of various interfaces of contact and geometries in the FE model. Characterization of the residual stress field and the validation of the simulation model of CX were performed using a variety of experimental data generated as part of this study. First, X-ray diffraction yielded measurements of stress on both sides of the sample. Then, full field planar strains were measured using digital image correlation on both sides of samples.