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.