Methodology for Shot-Peening Induced Intragranular Residual Stress Prediction

Le grenaillage est un traitement mécanique des surfaces qui consiste à projeter des billes à très haute vitesse à la surface d'une pièce. Ce traitement est utilisé depuis plus d'une soixantaine d'année dans l'industrie pour améliorer la durée de vie en fatigue des matériaux par l'introduction de contraintes résiduelles de compression et de gradients de duretés en sous surface. Le procédé a longtemps été simplement considéré comme bénéfique sans réelle quantification des bénéfices apportés sur la durée de vie en fatigue et les évolutions de microstructures. En effet, modéliser le procédé a longtemps été un verrou car cela implique de simuler un grand nombre d'impacts, de reproduire avec précision la cinétique des billes et de prendre en compte un certain nombre de non-linéarités dues au contact et aux déformations plastiques. Cependant les avancées de ces dix dernières années ont permis le développement de modèles pouvant prédire avec précision le profil moyen de contraintes résiduelles en profondeur ainsi que les gradients d'écrouissage résultants. Peu d'études ont cependant tenté de prédire les contraintes résiduelles et l'écrouissage induits à l'échelle d'un grain. Les variations intragranulaires des contraintes ont pourtant une influence sur la durée de vie à grand nombre de cycle d'un matériau. Par ailleurs l'écrouissage local constitue une donnée cruciale pour certains modèles de prédiction de durée de vie en fatigue. Les verrous principaux à lever pour effectuer de telles prédictions sont l'identification précise de modèles de plasticité cristalline à l'échelle de la surface et dans les conditions du procédé, ainsi que le développement de méthodes expérimentales de validation des modèles développés. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie pour la prédiction des contraintes résiduelles et de l'écrouissage intragranulaire à l'aide de modèles de plasticité cristalline par éléments finis et de validations expérimentales. Des essais d'indentation sphérique sur des monocristaux de cuivre sont présentés afin d'estimer le champ de contrainte induit en sous surface expérimentalement et numériquement. Les résultats révèlent que l'anisotropie de la plasticité cristalline peut induire des contraintes résiduelles de tension en sous surface. La comparaison des champs numériques et expérimentaux confirme aussi la possibilité de comparer des champs de contraintes estimés par EBSD à haute résolution à ceux prédits par des modèles de plasticité cristalline de façon suffisament quantitative pour permettre la validation de modèle. Les évolutions microstructurales induites par le grenaillage d'un coin sont ensuite étudiées par des estimations EBSD de densités de dislocations géométriquement nécessaires à l'aide de nouvelles méthodes d'indexation alternatives. Les différences d'écrouissage relevées démontrent l'importance de modéliser le procédé à l'échelle du grain. Une méthodologie pour l'identification de loi de plasticité cristalline à haute vitesse basée sur des essais de microcompression est détaillée. Une attention particulière à été portée sur le caractère bien posé du problème d'identification, à l'aide d'indice d'identifiabilités. Un canon a grenailler capable de projeter des billes isolées avec une large gamme de vitesse et une haute précision a été développé pour valider le modèle. Un code a été implémenté pour estimer la trajectoire de la bille en trois dimensions avec une précision de 200 μm pour servir d'entré aux modèles éléments finis. La validation du modèle précédent est effectuée par comparaison du déplacement de la bille, de la topologie de l'empreinte d'impact et du champ de désorientation sous l'empreinte estimés expérimentalement et numériquement. Enfin la possibilité d'utiliser le déplacement de la bille et le champ de contraintes résiduelles induit par un impact est explorée par une étude d'identifiabilité détaillée. Ces travaux offrent de nouveaux outils et méthodologies pour l'identification de paramètres et la validation de modèles à l'échelle du grain et à haute vitesse.

Abstract

Shot peening is a mechanical surface treatment which consist in projecting several spherical particles onto a material's surface. The process have been widely used in the industry over more than sixty years to enhance material's fatigue properties by introduction of subsurface compressive stresses and hardening gradients. It has been long used as a 'nice to have' without any quantification of its benefits as its modeling involved a large number of impacts, complex shot kinematics and non linearities induced by contact and plastic deformations. Nonetheless, advances over the past twenty years provided models that successfully reproduced experimentally measured average residual stress profiles and hardening gradients. However, only few attempts to predict the residual stress and hardening variations at the grain scale have yet been reported. Intragranular stress variations could influence a structure high cycle fatigue behaviour and local hardening could be a crucial input for fatigue life predictions models. The main barriers to achieve such predictions are mainly the difficulty to identify accurate crystal plasticity models in the process conditions as well as defining relevant validation procedures to assess the ability of the models to predict residual stress variations. The objective of this thesis is to develop a methodology for shot peening induced intragranular residual stress and hardening prediction using crystal plasticity finite element simulations and experimental validations. Indentation on single crystal copper are first presented to assess the residual stress variations in a single grain under the indent both experimentally and numerically. The results reveal that crystal plasticity anisotropy could induce subsurface tensile residual stresses under a spherical contact. It also demonstrates that experimental residual stress fields estimated by high angular resolution electron backscattered diffraction could be quantitatively compared to finite element models. This finding makes it a relevant tool for constitutive behaviour validation. The microstructural evolutions induced by shot peening of a corner are investigated using electron backscatter diffraction geometrically necessary dislocation estimations with recently developed alternative indexation methods. The differences in hardening gradient close to the corner compared with a reference shot peened material evidences that accurately predict microstructural evolutions induced by the process at the grain scale is necessary to predict the induced hardening distribution. These works provides new evidences of the relevance of modeling the process at the crystal scale. A methodology for identification of crystal plasticity parameters at high strain rates using micropillar compression is then detailed. Particular attention is paid to the identification problem well-posedness using identifiability indicators provided by the literature. A shotpeening canon that can propel single shot over a wide velocity range with high aiming precision is developed. An in-house code that can estimate the shot trajectory within 200 μm is implemented to provide input for finite element analyses. The setup is used for validation of the previously identified model by comparison of the shot displacement impact dent topography and in-depth crystal misorientation field. Finally, the possibility to use the shot displacement curve and residual stress field under the dent produced by the setup is investigated through a detailed identifiability analyses. These works provide new tools and methodologies for crystal plasticity parameters identification and validation at the grain scale and at high strain rates.