Finite Element Modelling of Shot Peening and Peen Forming Processes and Characterisation of Peened AA2024-T351 Aluminium Alloy

» : Le grenaillage est un traitement de surface couramment utilisé pour améliorer la durée de vie en fatigue de différentes pièces métalliques. Un grand nombre de petites particules dures sont projetées sur la surface du composant à haute vitesse. Chaque particule déforme plastiquement le matériau et les impacts répétés produisent un état de contraintes résiduelles compressives bénéfique à la surface. Le grenaillage modifie de plus les propriétés mécaniques locales de même que la microstructure du matériau. Le procédé augmente toutefois la rugosité et peut occasionner des dommages en surface. Son influence sur la vie en fatigue et la limite de fatigue dépend donc d'une combinaison de plusieurs effets. La mise en forme par grenaillage (MEFG) est une méthode de fabrication dérivée du grenaillage. Le champ de contraintes compressives généré par le grenaillage modifie l'équilibre mécanique de la pièce et est utilisée pour courber des composants minces. Ce procédé est utilisé depuis les années 1950 dans l'industrie aérospatiale pour mettre en forme de grands panneaux requérant des courbures légères, comme des panneaux de voilure et de fusées. La MEFG est une alternative économique aux techniques de mise en forme conventionnelles puisqu'elle ne nécessite pas un ensemble de matrices pour chaque forme à réaliser. De plus, différents contours peuvent être réalisés en modifiant simplement les traitements de grenaillage appliqués à différentes régions de la pièce. Cependant, cette flexibilité n'est peut-être pas employée à son plein potentiel puisque les applications actuelles sont généralement basées sur le savoir-faire empirique et une approche par essai-erreur. Cette thèse visait le développement et la validation d'outils de simulation par éléments finis (ÉF) pour le grenaillage et la mise en forme par grenaillage. L'objectif était d'arriver à des prédictions quantitatives pour ces deux procédés et de démontrer le potentiel de la modélisation ÉF tant pour des études fondamentales que pour des applications industrielles. Premièrement, un modèle amélioré d'impacts dynamiques prenant en considération la nature aléatoire du grenaillage a été proposé en étudiant avec soin ses dimensions, en introduisant la dispersion des tailles des particules et en réduisant significativement le temps de calcul. De plus, des essais mécaniques cycliques ont été réalisés afin de définir une loi de comportement appropriée pour l'alliage d'aluminium (AA) 2024-T3/T351 soumis au procédé de grenaillage. En combinant un modèle réaliste et une loi de comportement adaptée, de bonnes prédictions ont été obtenues en termes de contraintes résiduelles pour trois ensembles de paramètres de grenaillage.

Abstract

» : Shot peening is a surface treatment commonly used to improve the fatigue performance of various metallic parts. This process consists of projecting a large number or tiny particles at high velocity onto the surface of a component. Each impact plastically deforms the material and repeated impacts lead do a beneficial compressive residual stress state near the surface. In addition, shot peening alters both the local mechanical properties and microstructure. On the other hand, it also generates increased surface roughness and possible damage. Its influence on fatigue life (or strength) therefore arises from a combination of multiple effects. Peen forming is a manufacturing method derived from shot peening. The compressive stress field induced by peening alters the mechanical balance and is used to shape thin components. This process has been used in the aerospace industry since the 1950s to contour large panels with gentle curvatures such as wing skins and rocket panels. It is a cost-effective alternative to conventional forming techniques since it does not require a specific set of dies for each target shape. In addition, peen forming can achieve various target contours by simply altering the shot peening treatments applied on different regions on the parts. This versatility may however not be used to its full potential since current peen forming procedures are commonly developed through empirical knowledge and trial-and-error. The main purpose of this thesis was to develop and validate finite element (FE) simulation tools for shot peening and peen forming. The specific aim was to achieve quantitatively accurate predictions for both processes and demonstrate the potential of reliable FE modelling for scientific investigation and industrial applications. First, an improved dynamic impact model that takes into account the stochastic nature of shot peening was proposed by carefully studying its dimensions, introducing a dispersion of shot sizes and significantly reducing its computational cost. In addition, cyclic mechanical testing was conducted to define a suitable material constitutive theory for aluminium alloy (AA) 2024-T3/T351 subjected to shot peeinng. By combining a realistic shot peening model with an appropriate material law, fairly good residual stress predictions were achieved for three different sets of shot peening parameters. Second, an experimental and numerical characterization of AA2024-T351 shot peened with parameters representative of fatigue life improvement applications was conducted. Multiple techniques, such as micro-indentation, residual stress determination and electron backscatter diffraction, were combined to gain a better understanding of the influence of shot peening on the material. The potential uses of finite element simulation to complement experimental data were also studied.