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.