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.