The Effect of High-Temperature Shot Peening on the Fatigue Life of 7010-T7452 Aluminum Alloy

L’alliage d’aluminium 7010, apprécié pour sa résistance et sa légèreté, fait face à des défis de fatigue dans les applications aérospatiales et automobiles. Les défaillances dues à la fatigue présentent des risques pour la sécurité et le rendement. Le grenaillage, un traitement mécanique utilisant des particules sphériques, induit une déformation de surface contrôlée, améliorant la résistance à la fatigue et prolongeant la durabilité. Le processus, lorsqu’il est ajusté pour la température, améliore encore les propriétés de surface. Ce grenaillage dynamique a attiré l’attention pour adapter les propriétés des matériaux à des applications spécifiques, ce qui en fait un point focal dans la recherche et l’industrie. Ce travail est consacré à l’étude de l’impact du grenaillage et du grenaillage à haute température sur les caractéristiques de fatigue de l’alliage d’aluminium AA7010-T7452. Un examen complet de l’intégrité de la surface, induite à la fois par le grenaillage et par le grenaillage à haute température, a été effectué afin d’acquérir une compréhension approfondie des réponses mécaniques et métallurgiques des matériaux soumis à des traitements thermiques de surface. L’enquête a comporté une série d’essais de fatigue exhaustifs effectués sur trois groupes d’échantillons distincts : ceux qui sont dans leur état de réception, ceux traités par grenaillage conventionnel et ceux traités par grenaillage à haute température. Des paramètres et des températures de grenaillage variés ont été utilisés. Les performances de fatigue résultantes ont été corrélées avec des facteurs clés tels que la rugosité de surface, la dureté de surface, les contraintes résiduelles de compression et les altérations microstructurales spécifiques à chaque condition de grenaillage. L’analyse documentaire a permis de déterminer que l’intensité Almen et les températures de RT à 300 °C sont des paramètres cruciaux pour le grenaillage à haute température. La première phase du projet s’est concentrée sur la validation d’une configuration HTSP nouvellement développée, assurant la reproductibilité dans des intensités Almen de 0,10 à 0,20 mmA. La deuxième phase a examiné les altérations de l’intégrité de la surface induites par le HTSP sur les échantillons AA7010-T7452. L’objectif était d’identifier les paramètres HTSP optimaux, en examinant la dureté, les contraintes résiduelles et les changements de microstructure par rapport au grenaillage conventionnel et aux états de réception. La troisième phase a évalué les effets du HTSP sur la durée de vie en fatigue par des essais de fatigue axiale, en comparant les résultats avec le grenaillage conventionnel et les échantillons reçus sous différentes contraintes. Les résultats ont été examinés pour avoir un aperçu des améliorations vi potentielles de la durée de vie de la fatigue. Les expériences ont révélé des augmentations significatives de la rugosité de surface à mesure que l’intensité Almen augmentait de 0,10 mmA à 0,20 mmA. À température ambiante, la rugosité a augmenté de 1,3 fois, tandis qu’à 100 °C, elle a augmenté de 80% environ. L’augmentation la plus importante a été observée à 150, 200, 250 et 300 °C. Cette augmentation a été attribuée à une intensité Almen plus élevée, ce qui a entraîné des indentations plus prononcées. De plus, la rugosité de surface a connu une augmentation considérable, allant de 1,4 à 2,3 fois, avec une hausse des températures de la température ambiante à 300 °C. Cette augmentation induite par la température a été liée à une diminution de la limite d’élasticité du matériau à des températures plus élevées, entraînant une augmentation de la déformation plastique induite par le grenaillage. Le grenaillage conventionnel a conduit à une augmentation notable de la dureté par rapport aux échantillons reçus dans toutes les intensités Almen. Le grenaillage à différentes températures a montré des effets variés sur la dureté. De plus, les mesures des contraintes résiduelles ont indiqué que, jusqu’à 100°C, les effets de durcissement étaient importants, mais au-delà de cette température, le ramollissement thermique dépassait le durcissement. Cette transition a entraîné une diminution de l’ampleur de la contrainte résiduelle de compression et une distribution étendue de la profondeur des contraintes résiduelles de compression. Le grenaillage à haute température à 100°C et 150°C a augmenté la profondeur des contraintes résiduelles de compression par rapport au grenaillage à température ambiante. De plus, la largeur totale à la moitié de la distribution maximale à une intensité de 0,20 mmA a montré une tendance à la baisse avec l’augmentation de la température, indiquant une distribution plus étroite des profils de contrainte après grenaillage à haute température à des températures plus élevées.

Abstract

The aluminum alloy 7010, valued for its lightweight and strength, faces fatigue challenges in aerospace and automotive applications. Fatigue failures pose risks to safety and performance. Shot peening, a mechanical treatment using spherical particles, induces controlled surface deformation, enhancing resistance to fatigue and extending durability. The process, when adjusted for temperature, further improves surface properties. This dynamic shot peening has gained attention for tailoring material properties to specific applications, making it a focal point in research and industry. This work is dedicated to investigating the impact of shot peening and high-temperature shot peening on the fatigue characteristics of AA7010-T7452 aluminum alloy. A comprehensive examination of the surface integrity, induced by both shot peening and high-temperature shot peening processes, was conducted to gain a profound understanding of the material mechanical and metallurgical responses when subjected to elevated-temperature surface treatments. The investigation encompassed a series of exhaustive fatigue tests performed on three distinct specimen groups: those in their as-received state, those treated with conventional shot peening, and those treated with high-temperature shot peening. Varied shot peening parameters and temperatures were employed. The resulting fatigue performance was correlated with key factors such as surface roughness, surface hardness, compressive residual stresses, and microstructural alterations specific to each shot peening condition. The literature review identified Almen intensity and temperatures from RT to 300°C as crucial parameters for high temperature shot peening. The first project phase focused on validating a newly developed high temperature shot peening (HTSP) setup, ensuring reproducibility within Almen intensities of 0.10 to 0.20 mmA. This included precise temperature monitoring. The second phase investigated surface integrity alterations induced by HTSP on AA7010-T7452 specimens. The goal was to identify optimal HTSP parameters, examining hardness, residual stress, and microstructure changes compared to conventional shot peening and as-received states. The third phase evaluated HTSP effects on fatigue life through axial fatigue tests, comparing results with conventional shot peening and as-received specimens under different stress loads. Results were scrutinized for insights into potential improvements in fatigue life. The experiments revealed significant increases in surface roughness as Almen intensity increased from 0.10 mmA to 0.20 mmA and temperature increased from RT to 300°C. This rise was attributed to higher Almen intensity, resulting in more pronounced media indentations. Additionally, surface roughness showed a considerable increase, ranging from 1.4 to 2.3 times, with rising temperatures from room temperature to 300°C. This temperature-induced rise was linked to diminished material yield strength at higher temperatures, leading to increased plastic strain induced by peening. Conventional shot peening led to a notable hardness increase compared to as-received specimens across all Almen intensities. Peening at different temperatures showed varied effects on hardness. Additionally, residual stress measurements indicated that, up to 100°C, hardening effects were prominent, but beyond this temperature, thermal softening surpassed hardening. This transition resulted in decreased compressive residual stress magnitude and an expanded depth distribution of compressive residual stresses. High-temperature shot peening at 100°C and 150°C increased the depth of compressive residual stresses compared to room-temperature shot peening. Moreover, the strain characterized by the full width at half maximum (FWHM) distribution at a 0.20 mmA Almen intensity showed a decreasing trend with increasing temperature, indicating a narrower distribution of stress patterns after HTSP at higher temperatures. Additionally, the surface microstructure analysis revealed that conventional shot peening resulted in flattened and deformed grains, indicating substantial cold working. In contrast, specimens treated at 150°C and 250°C exhibited surface damage characterized by folds, micro-cracks, and burrs. Intriguingly, high temperature shot peening introduced finer η′ precipitates compared to conventional shot peening, although the precise mechanism of η ′ formation during HTSP remains unresolved. These findings collectively offer valuable insights into the effects of shot peening and high temperature shot peening on surface characteristics, hardness, residual stress, and microstructure, contributing to a comprehensive understanding of material behavior under these treatments.