Effect of Shot Peening on the Axial Fatigue Life of 300M Steel

Le grenaillage est un procédé de déformation à froid couramment utilisé en fabrication aérospatiale. Ce procédé consiste à assujettir la surface d'une pièce métallique à un bombardement par billes projetées à grande vitesse. Il en résulte une déformation plastique de la surface accompagnée de contraintes résiduelles de compression et de matière écrouie dans la couche superficielle. Les contraintes résiduelles de compression et l'écrouissage s'opposent à amorçage et à la propagation des fissures. Ces effets sont donc favorables à la durée de vie en fatigue des pièces. Les effets désirables du grenaillage sont toutefois en compétition avec l'augmentation de la rugosité qui accompagne ce procédé, ce qui peut augmenter la concentration des contraintes et réduire la durée de vie en fatigue. Par conséquent, il est critique de régler les conditions opératoires du grenaillage afin de générer des contraintes résiduelles de compression suffisantes tout en conservant une rugosité de surface minimale. Les industries aérospatiales effectuent actuellement les opérations de grenaillage avec des réglages prédéfinis et sans faire appel aux mécanismes physiques sous-jacents. Cette étude approfondit la connaissance des effets des réglages du grenaillage sur la durée de vie en fatigue de l'acier 300M sur un axe science des matériaux. Cet alliage sert habituellement dans les trains d'atterrissage des aéronefs. Cette étude cerne les caractéristiques qui influencent la durée de vie en fatigue du matériau pour les conditions d'essai fournies. L'étude sert aussi à déterminer si ces opérations de grenaillage sont bénéfiques et à quantifier ce bénéfice. Les résultats pourront servir aux industries aérospatiales pour optimiser leurs opérations de grenaillage sans devoir programmer des séries d'essais coûteuses. Une série rigoureuse d'essais a été complétée afin de caractériser les propriétés globales micro structurelles (la taille des grains) et macro structurelles (propriétés mécaniques monotones et cycliques) du matériau. Les essais ont aussi évalué le comportement des fissures longues. Des essais de fatigue d'éprouvettes grenaillées et non-grenaillées ont été effectués par la suite. Deux amplitudes de contrainte ont servi aux essais de fatigue, soit 55% et 65% de la limite d'élasticité. La rugosité de surface, les contraintes résiduelles, et la relaxation des contraintes durant le chargement cyclique ont été quantifiés. La propagation des fissures courtes a aussi été étudiée. Les caractéristiques menant à l'amorçage des fissures ont été identifiées et décrites selon leurs tailles, leurs types, leurs compositions, et leurs fréquences d'occurrence. Les résultats représentent une contribution importante à la documentation disponible sur l'acier 300M grenaillé. Il a été observé que les conditions de grenaillage étudiées n'ont aucune influence significative sur la durée de vie en fatigue du matériau pour de basses amplitudes de contrainte. Toutefois, les contraintes résiduelles de compression ont pu empêcher l'amorçage des fissures en surface. La durée de vie en fatigue a été gérée principalement par la taille des inclusions non-métalliques du matériau, peu importe l'état de la surface. Une relation empirique en loi de puissance entre la durée de vie en fatigue et la taille des inclusions a été proposée. De plus, la taille de l'inclusion la plus grande présente dans un volume donné d'acier a été prévue par analyse statistique. Cette dernière prévision a été accomplie à l'aide du modèle d'extremum de Gumbel. Pour l'amplitude de contrainte la plus grande, la durée de vie en fatigue est gérée par deux types de discontinuités. Les discontinuités sont des discontinuités matérielles (des inclusions) et des discontinuités associées aux procédés (des traces de la rectification et du grenaillage). Pour comparer les durées de vie en fatigue des éprouvettes, il est nécessaire de prendre en compte la dispersion des durées de vie. La dispersion a été prise en compte à l'aide de l'estimateur statistique B-basis. Le B-basis est souvent utilisé dans le secteur aérospatial. Le B-basis a servi à estimer une limite inférieure pour la durée de vie en fatigue de chaque état de surface. Un modèle analytique a été produit pour prévoir la durée de vie en fatigue en fonction de concepts de la mécanique de la rupture : la propagation des fissures longues et le facteur d'intensité de contrainte. Pour chaque condition de grenaillage, le modèle prend en compte la taille réelle des discontinuités causant amorçage des fissures pour prévoir le pire cas statistique de durée de vie en fatigue. Le modèle permet aussi de prévoir la caractéristique précise causant amorçage des fissures. Il a été trouvé que les effets désirables des contraintes résiduelles de compression, en combinaison avec les effets néfastes de la rugosité, déterminent la discontinuité dominante causant la défaillance. La compétition entre les caractéristiques capables de causer amorçage de fissures a été clairement démontrée en comparant les facteurs d'intensité de contrainte associés aux discontinuités. Le modèle analytique et les limites statistiques obtenues par B-basis ont généré des prévisions similaires de durée de vie en fatigue limitée par amorçage de fissures causées par inclusions en surface ou sous la surface. Le B-basis a permis de choisir la condition S230-8A comme étant la condition optimale. Cependant, la valeur élevée du B-basis dans ce cas est associée à la faible dispersion des durées de vie. La faible dispersion s'explique par des rugosités de surface similaires et systématiques produites par la condition de grenaillage S230-8A. La valeur B-basis de la condition S230-8A est plus élevée selon le modèle analytique, ce qui démontre que les effets des contraintes résiduelles de compression sont importants au modèle dû aux effets souhaitables de ces contraintes. La condition S230-4A, quant à elle, a mené à des fissures amorcées par des inclusions subsurfaciques dans 75% des cas et a produit des durées de vie en fatigue comparables à celles de la condition S230-8A. Le 25% complémentaire correspond à des fissures s'étant amorcées près des discontinuités associées aux procédés en absence de discontinuités de grande taille. Les fissures de ce 25% ont mené à une durée de vie en fatigue minimale deux fois plus longue que celle de la condition S230-8A. Ceci mène à la conclusion que la condition S230-4A représente le meilleur compromis entre les effets souhaitables des contraintes résiduelles de compression (pour empêcher amorçage des fissures et retarder leur propagation) et la rugosité indésirable induite par le grenaillage. La conclusion est donc que les billes S230, plus grandes, projetées à une intensité faible de 4A, permettent un grenaillage optimal la durée de vie en fatigue de l'acier 300M pour de hautes amplitudes de contrainte. Le modèle analytique a été modifié pour inclure les effets des contraintes résiduelles de compression et de la microstructure, qui affectent la propagation des fissures courtes dans les éprouvettes grenaillées. Le modèle amélioré a permis la prévision des durées de vie en fatigue d'éprouvettes en sablier rectangulaires avec une justesse d'environ 15%. Ces éprouvettes sont celles avec lesquelles ont été effectuées les essais de propagation de fissures courtes. Le modèle analytique produit représente un outil fiable pour la sélection des meilleures conditions de grenaillage pour la performance en fatigue axiale pour une contrainte donnée. De plus, la large gamme de résultats expérimentaux générés dans la cadre de cette étude pourront servir de référence pour la validation de modèles futurs.

Abstract

Shot peening is a cold working process widely used in the aerospace industry, which consists in bombarding a metallic component's surface with high velocity shots. This plastically deforms the surface and induces compressive residual stresses and strain hardening in the material's surface layer. These compressive residual stresses and cold work inhibit crack initiation and delay short crack propagation, which is beneficial to fatigue life. Nevertheless, a possible detrimental effect of shot peening is the associated roughness which produces stress concentrations that can reduce fatigue life. Therefore, the proper choice of peening conditions yielding sufficiently high compressive residual stresses while maintaining minimum surface roughness is crucial. Currently, the aerospace industries use pre-set conditions for peening without proper knowledge of the underlying physical mechanisms. The present study aims to provide a better understanding of the effects of the different peening conditions on the fatigue life of 300M steel (typically used in aircraft landing gears) from a material science perspective. The study identifies the features that influence the fatigue life of the material under the given testing conditions and whether peening is indeed beneficial, and if so, to what extent. This would aid the aerospace industries to optimize the peening process in order to harness its benefits to the fullest, thereby eliminating the need for costly trial and errors. A rigorous experimental campaign was launched to firstly characterize the bulk material microstructural (grain size) and macrostructural properties (monotonic and cyclic mechanical properties) as well as long crack propagation behavior. This was followed by fatigue testing of unpeened and peened specimens at two stress amplitudes (55% and 65% of the yield strength). Surface roughness, residual stresses and their relaxation during cyclic loading were quantified. Short crack propagation behavior was also studied for these specimens. Features responsible for fatigue crack initiation were identified and characterized in terms of size, type, composition and occurrence frequency. The generated results add significantly to the scarce literature available for shot peened 300M steel. It was observed that the studied peening conditions had no significant influence on the fatigue life of the material at the lower stress amplitude. Nevertheless, the compressive residual stresses were able to prevent surface crack initiation. The fatigue life was mainly governed by the size of the material non-metallic inclusions irrespective of the surface condition. An empirical power law relationship was therefore proposed between the fatigue life and inclusion size. In addition, the largest inclusion present in a given volume of steel was statistically predicted using the Gumbel extreme value model. At the higher stress amplitude, the fatigue life was governed by two types of discontinuities, material discontinuities (inclusions) and process-related discontinuities (grinding marks and peening induced discontinuities). To compare the fatigue lives of the specimens, it is necessary to consider the fatigue life dispersion. This consideration is taken into account by B-basis, which is a statistical estimate commonly used in the aerospace sector. Hence, B-basis was used to calculate a statistical lower bound for the fatigue lives for each surface condition. An analytical fatigue life prediction model was developed based on fracture mechanics concepts of stress intensity factor and long crack propagation. The model took into account the actual crack initiating discontinuity sizes and successfully predicted the worst-case fatigue life scenarios, as well as the responsible crack initiation feature for each peening condition. The coupled beneficial effect of CRS and the detrimental effect of roughness was found to determine the dominant discontinuity causing failure. The competition between the crack initiating features was well demonstrated by comparing the stress intensity factors characterizing the discontinuities. The analytical model and the statistically obtained B-basis values yielded similar fatigue lives for crack initiation caused by surface and subsurface inclusions. Using B-basis, the best shot peening condition was found to be the one using S230 shot at an intensity of 8A. However, the high B-basis in this case was related to the low dispersion in fatigue lives resulting from similar and systematic roughness features produced by this peening condition. The B-basis value for the specimens peened using S230 shot at 8A intensity was higher than the analytical model prediction, showing that the effect of CRS needs to be considered in the model. This reflects the beneficial effect of peening induced CRS in delaying crack propagation. For the specimens peened with S230 shot at an intensity of 4A, 75% of the cracks initiated at subsurface inclusions and produced similar fatigue lives as those peened using S230 shot at 8A intensity. The remaining 25% cracks which initiated at the process induced surface discontinuities in absence of large inclusions, nevertheless, exhibited a minimum fatigue life about 2 times higher than that for the specimens peened using S230 shot at 8A intensity. This shows that the condition using S230 shot at an intensity of 4A represents the optimal trade-off between the beneficial effect of CRS in preventing crack initiation from surface inclusions and delaying crack propagation, and the detrimental effect of the peening induced surface roughness. Therefore, it was concluded that peening with larger S230 shot at a low peening intensity of 4A would yield the best fatigue life for the studied 300M steel subjected to higher stress amplitude conditions. The analytical model was further modified to incorporate the effect of the compressive residual stresses and microstructure that affect short crack propagation behavior in peened specimens. The improved model was able to predict with an accuracy of ~15%, the average fatigue life of rectangular hourglass specimens on which the short crack propagation tests were performed. The analytical model could thus offer a reliable tool to guide the choice of optimum peening conditions at the desired stress level based on their axial fatigue performance. In addition, the vast experimental data generated in this study would serve as valuable input for validating life prediction models developed in future.