Analytical Prediction of Shot Peening Effects on Nickel-Based Superalloy Inconel 718 Fatigue Life

Le grenaillage est un procédé de traitement de surface très utilisé dans l'industrie aérospatiale. Il consiste à projeter, à haute vitesse, des grenailles sur la surface d'une pièce métallique. Lors de l'impact, les grenailles déforment plastiquement une faible épaisseur de matière. Ce procédé crée des contraintes résiduelles en compression à la surface de la pièce ainsi qu'un durcissement au sein de la couche plastiquement déformée. Ces contraintes résiduelles compressives, alliées au durcissement, retardent l'amorçage et freinent la propagation des fissures à la surface de la pièce. La surface d'une pièce étant souvent l'endroit le plus critique pour la formation des fissures en fatigue, le grenaillage permet d'augmenter de façon significative la durée de vie des pièces mécaniquement sollicitées en repoussant sous la surface l'amorçage des fissures. Malgré ses nombreux avantages, le grenaillage n'est pas exempt d'effets négatifs sur la vie en fatigue. Les cratères créés à la surface lors de l'impact des grenailles sont des concentrateurs de contraintes qui favorisent l'amorçage et la propagation des fissures. De plus, en impactant l'arête d'une pièce, les grenailles peuvent déformer plastiquement cette dernière et créer des bavures. Ces bavures sont critiques pour l'amorçage et la propagation des fissures. Le grenaillage est donc un procédé qui doit être optimisé. Un grenaillage trop léger ne créera pas assez de contraintes résiduelles compressives et de durcissement en surface pour améliorer significativement la vie en fatigue tandis qu'un grenaillage exécuté de manière trop sévère réduira la vie en fatigue de la pièce par la création de concentrateurs de contraintes trop prononcés. Les paramètres de grenaillage optimaux sont déterminés par la méthode essai et erreur et le grenaillage n'est souvent pas pris en compte durant la phase de conception des pièces. Il est plutôt considéré comme un facteur de sécurité. L'objectif de cette thèse est de développer un outil analytique, adapté au superalliage de nickel Inconel 718, permettant de prédire la vie en fatigue ainsi que les mécanismes d'amorçage et de propagation des fissures en fonction des conditions de grenaillage et des chargements imposés sur la pièce. Ce modèle pourra permettre, dans le futur, de réduire le nombre d'essais destinés à optimiser les conditions de grenaillage et de prendre en compte ses effets bénéfiques sur la vie en fatigue lors de la conception des pièces. Afin de réaliser cet outil de prédiction analytique, la première étape a consisté à mener une campagne expérimentale d'envergure afin de caractériser, aux échelles macroscopique et microscopique, les évolutions des propriétés mécaniques de l'Inconel 718, avec et sans grenaillage, durant sa vie en fatigue.

Abstract

Shot peening is a surface treatment largely used in the aerospace industry. This cold working process consists in impinging particles, called shots, at high velocity onto a metallic part surface. The shots plastically deform the treated surface. The process induces surface compressive residual stresses and work hardening. Compressive residual stresses and cold work delay crack initiation and retard short crack propagation at the part surface. The surface is a critical location for crack initiation and shot peening increases service life by pushing crack initiation underneath the surface. Despite its positive effects on fatigue, shot peening also creates dimples that are stress concentration features which promote crack initiation and propagation. Moreover, when impacting edges, the shots induce plastic deformations in the form of burrs. These burrs, called rolled edges, are highly critical for crack initiation and short crack propagation. Shot peening is thus a process that must be optimized. Shot peening at a low intensity will not induce sufficiently compressive residual stresses and cold work to improve the fatigue life and shot peening at a too high intensity will be detrimental to fatigue life due to the formation of severe surface stress concentration features. Optimal shot peening parameters are usually determined by trial and error and shot peening is often not accounted for during the design stages of a component, but rather considered as a safety factor. This thesis aims at developing an analytical tool to predict fatigue life, and crack initiation and propagation mechanisms on shot peened nickel-based superalloy Inconel 718 by accounting for the shot peening and the loading conditions. Such a model could allow, in the future, to reduce the costs associated with the optimization of the shot peening conditions and to finally account for its beneficial effects on fatigue life during design stages. The first step consisted in performing an extensive experimental campaign to characterize, at a microscale and a macroscale, the evolution of peened and unpeened Inconel 718 mechanical properties under cyclic loading. The tests varied from the simplest quasi-static tensile test to the most complex techniques such as the measurement of the residual stresses redistribution, the rupture surfaces observations under a scanning electron microscope or the short cracks propagation monitoring. It was shown that the fatigue life can be increased by a factor of twenty in high cycle fatigue under optimal shot peening conditions. On the other hand, it was observed that shot peening is not beneficial, even detrimental, in low cycle fatigue.