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Contraintes résiduelles de compression par traitement de surface par impact

Frédéric Château et Yvan Bordiec, SONATS* | 1 octobre 2011 | Traitement et matériaux n° 0412

FIGURE 1 : Grenaillage d'une pièce
Le procédé de grenaillage activé par ultrason Stressonic® permet d'introduire des contraintes résiduelles de compression favorables à la tenue en fatigue des pièces mécaniques. Breveté par la société SONATS, ce traitement diffère du grenaillage habituel, entre autres de par la faible quantité de médias utilisée.

Stressonic® est un procédé de grenaillage activé par ultrason breveté par la société SONATS. Son principe est le suivant : une unité centrale délivre un signal électrique sinusoïdal de fréquence ultrasonore et à très haute tension. Un convertisseur piezo-électrique transforme ce signal en énergie mécanique dont l'amplitude est augmentée par des composants mécaniques incluant une sonotrode (l'ensemble de ces composants forment l'ensemble acoustique).

La vibration de la surface externe de la sonotrode à 20 kHz permet l'impulsion des billes qui sont projetées contre la surface à traiter. Ces billes sont enfermées dans une enceinte hermétique dont les parois épousent parfaitement la forme de la pièce à grenailler. Les billes se déplacent dans l'enceinte, telles des molécules de gaz : elles viennent acquérir de l'énergie cinétique sur la sonotrode, impacter la pièce à traiter, les parois de l'enceinte, et s'entrechoquer entre elles, et sont ainsi réactivées continuellement. Les pièces à traiter sont découplées de la chambre de traitement et ne sont pas traversées par les ondes ultrasonores. Typiquement, seulement quelques grammes de billes sont nécessaires pour un traitement.

Pour chaque nouvelle application, le client définit ses requis et ses informations en termes de valeurs de contraintes résiduelles de surface, de profondeur affectée, de rugosité, d'intensité Almen (N, A, C), des rayons des zones critiques, mais également des cadences de production. À partir de ces éléments, SONATS oriente son étude suivant deux axes de travail :

- La configuration de traitement : l'orientation optimale de l'ensemble acoustique par rapport à la pièce est déterminée en collaboration avec le bureau d'études afin de prendre en compte les encombrements des éléments proches de la zone à traiter, mais également le niveau de contraintes de compression à introduire dans le matériau. Cette étape permet aussi de concevoir l'enceinte de traitement, de choisir les matériaux qui la composent, et d'y intégrer des composants supplémentaires destinés à orienter favorablement le flux de billes vers les zones à impacter, en optimisant le temps de process.

- Les paramètres de traitement : cette étape permet de déterminer les paramètres du process qui permettront d'atteindre les intensités de grenaillage requises. Les paramètres sont la fréquence et l'amplitude de vibration, les dimensions et la forme de la sonotrode, la distance entre la sonotrode et la zone à traiter, le temps de traitement, la nuance, la dureté et la masse de billes utilisés. Les billes de petit diamètre seront utilisées pour obtenir des contraintes de surface élevées tandis que les billes de plus gros diamètre seront utilisées pour avoir une profondeur écrouie importante.

 

Les différentes combinaisons de traitement mises au point sont caractérisées par la prise en compte de mesures de rugosité de surface et de mesures de contraintes résiduelles introduites.

Les figures 1 et 2 présentent une solution de traitement de grenaillage qui a été spécialement développée dans le cadre d'une opération de réparation sur un élément aéronautique. L'outillage et les paramètres ont été définis lors de l'étape de qualification et la gamme de traitement a ensuite été appliquée sur la pièce sans être démontée et isolée du moteur par le service maintenance du client. Cette opération a permis de réduire le temps d'immobilisation de l'avion et de baisser les coûts liés au démontage-remontage, et aux tests associés, et de supprimer les frais d'expédition de la pièce chez un sous-traitant pour l'opération de grenaillage.

Sur la figure 1, on distingue en noir l'ensemble acoustique cartérisé, et en blanc l'enceinte de traitement de géométrie conforme à la zone à traiter. Sur la figure 2, on remarque les quelques grammes de billes utilisés présents dans la chambre.

 

FIGURE 2 : Exemple de la chambre de traitement

 

 

Les matériaux utilisés dans les différents secteurs industriels, tels que l'automobile, l'aéronautique ou les industries mécaniques, s'inscrivent aujourd'hui dans une démarche de maximisation de leurs performances. Ils sont soumis à des sollicitations toujours plus sévères, souvent proches de leurs limites techniques. Se posent alors plusieurs problématiques, notamment celle de la tenue mécanique.

La question de la maîtrise des contraintes résiduelles au sein du matériau trouve dès lors tout son intérêt, que ce soit en phase de conception, de fabrication ou de service. En effet, l'industriel cherche à développer des critères sur les niveaux de contraintes garantissant une bonne stabilité dimensionnelle en cours de fabrication et une bonne tenue en service, se traduisant par une augmentation de la durée de vie. La mesure de contraintes résiduelles dans les matériaux est alors nécessaire. Voyons comment le laboratoire SONATS effectue l'analyse et la caractérisation de ces contraintes résiduelles afin d'apporter son expertise sur les solutions d'amélioration des propriétés des matériaux.

La défaillance en fatigue des structures et composants mécaniques n'est pas seulement due aux sollicitations extérieures. Elle est également influencée par les contraintes résiduelles présentes dans la matière. Elles se définissent comme des contraintes multiaxiales statiques. Elles existent dans un système isolé soumis à aucune force ni moment extérieur. Celles-ci se trouvent en équilibre mécanique. Au sein d'une section, la répartition des contraintes résiduelles résulte de l'équilibre mécanique entre la zone occupée par la source des contraintes résiduelles, caractérisée par une fonction de distribution bien définie, et le reste de la section déformée élastiquement.

Les sources de contraintes peuvent provenir de déformations aux échelles macro-micro ou sub-microscopiques dues au caractère polycristallin et hétérogène des matériaux métalliques. En effet, un matériau cristallin est constitué de phases, qui elles-mêmes sont formées de grains. Chaque grain est un monocristal qui peut être considéré comme divisé en petits domaines séparés par un réseau de dislocations. Chaque domaine est constitué par un empilement régulier d'atomes, qui peut être défini par un ensemble de mailles cristallines identiques. Une telle division en fonction de l'échelle d'observation est représentée sur la figure 3, avec dans chaque cas les paramètres influençant la diffraction des rayons X.

 


FIGURE 3 : Représentation schématique de la microstructure d'un matériau métallique à différentes échelles.

 

Quelle que soit l'échelle à laquelle on considère le matériau, on peut mettre en évidence des contraintes ayant pour origine des déformations assurant la continuité du matériau, par exemple autour des défauts ponctuels, des dislocations, des joints de grains, des joints d'interphase, au niveau des grains, des phases et enfin de la pièce elle-même. Une classification de ces éléments en trois ordres liés à l'échelle à laquelle on considère le matériau a été proposée il y a quelques années, définition reprise et explicitée dans de nombreux articles (Klogs 1981, Hauk 1981, Hauk 1983) et illustrée sur la figure 4.

- Ordre 1 = contraintes macroscopiques homogènes.

- Ordre 2 = contraintes microscopiques homogènes.

- Ordre 3 = contraintes microscopiques hétérogènes.

Cette définition proposée pour les contraintes reste pour le moment théorique, car la séparation effective des différents ordres de contraintes n'est pas atteinte par aucune méthode de calcul ou de mesure. Cependant, elle a pour intérêt de montrer que toute hétérogénéité de toute déformation introduite à toute échelle de la structure entraîne l'existence de contraintes résiduelles.

 

FIGURE 4 : Définition schématique des différents ordres de contraintes pour un matériau monophasé (B. Sholtes.Karlruhe 1990. DGM Verlag 1991).


Importance des contraintes résiduelles

Les procédés de mise en forme à froid conduisent inéluctablement à l'introduction de contraintes résiduelles macroscopiques. Ces contraintes sont le résultat d'incompatibilités de déformation reliées à l'hétérogénéité de la déformation plastique.

Les contraintes résiduelles dans le cas de pièces mécaniques sont particulièrement importantes à plusieurs niveaux : elles influent sur leur tenue en fatigue, sur leur résistance à la corrosion sous contraintes, et elles influencent la déformation des pièces lors d'usinages ou de traitements thermiques ultérieurs. Il faut distinguer dans les procédés de mise en forme ceux qui conduisent à une plastification totale du matériau (laminage, filetage, extrusion, fluotournage...) et ceux qui n'agissent que partiellement, au niveau de l'épaisseur (skin-pass, grenaillage...) ou au niveau de la surface (pliage, repoussage...).

Dans certains cas, on peut estimer par un raisonnement simple le signe et la répartition des contraintes à la surface et dans le volume du matériau. Mais ce raisonnement peut être mis à défaut car les contraintes sont le plus souvent multiaxiales.

Le comportement en fatigue d'un composant métallique sous sollicitation cyclique dépend en particulier des contraintes internes résiduelles, de l'état de surface, ainsi que de la structure métallurgique. La maîtrise des contraintes résiduelles générées par les traitements thermiques, thermochimiques, l'usinage, le grenaillage, la rectification, le soudage... permet de :

- Maîtriser les procédés de fabrication.

- Optimiser la conception des pièces.

- Garantir la qualité des pièces.

- Assurer la maintenance préventive.

- Optimiser les traitements de surface.

 

Il est nécessaire de maîtriser les contraintes résiduelles afin d'éviter :

- L'amorçage du premier défaut (fissure) en surface.

- La propagation du défaut (fissure) en sous couche.

 

L'objectif est d'optimiser les processus de fabrication en maîtrisant les contraintes résiduelles, paramètre majeur pour la durée de vie et la fiabilité des pièces.


Caractérisation des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X

L'évaluation des contraintes résiduelles fait l'objet d'une demande croissante de la part des industries de la mécanique, encourageant ainsi le développement de différentes méthodes comme la diffraction des rayons X, le perçage incrémental et plus récemment la méthode ultrasonore et le bruit Barkhausen. De nombreuses études ont montré clairement qu'il n'existe pas de méthode universelle ou absolue qui donne une complète satisfaction dans le domaine du contrôle des composants mécaniques en service. Chaque méthode possède son domaine d'utilisation et de validité. Le choix de la méthode utilisée est guidé par le matériau, la géométrie de la pièce, l'état de surface, le coût ainsi que la précision du résultat recherché.

La diffraction des rayons X permet de mesurer de façon non destructive les distances inter-réticulaires au sein d'un cristal, par le biais de la loi de Bragg. Lorsque ces distances se projettent dans de multiples directions comparées à un état initial, nous obtenons en résultat des champs de déformations élastiques dans l'espace des orientations. Ces champs représentent la signature des mécanismes de déformations activés dans ce matériau. Le passage de déformations à contraintes doit alors se faire via le biais d'hypothèses sur la loi de comportement (module d'Young, coefficient de Poisson, champ d'anisotropie élastique, texture du matériau...) mais aussi sur la source de contraintes (mécaniques, thermiques, physiques...).

La diffraction des rayons X permet de mesurer à la fois les angles de Bragg des faisceaux diffractés ainsi que les intensités de ces faisceaux. La connaissance des angles de Bragg (ou pics de diffraction) permet l'analyse qualitative, l'analyse quantitative, la mesure des contraintes. La connaissance de l'intensité des pics de diffraction permet l'analyse quantitative ainsi que l'étude des textures suivant les équations de la figure 5.

« d » étant la distance inter-réticulaire des plans œhklæ sur lesquels est effectuée la mesure est reliée à la positiondu pic de diffraction.

FIGURE 5 : Diffraction des rayons X, différentiation de la loi de Bragg.

Expertise des contraintes résiduelles sur pièces fissurées

Près de la moitié des avaries survenues en service sur des pièces ou structures mécaniques sont des ruptures par fatigue. Le chargement cyclique des zones critiques où se concentrent les contraintes en est à l'origine. Dans ces zones, l'endommagement progressif du matériau se manifeste par l'apparition de microfissures, apparition plus ou moins rapide selon la nature du matériau et l'importance du chargement appliqué. Après cette période d'amorçage, l'une des fissures ou plusieurs d'entre elles vont se propager dans toute l'épaisseur de la pièce jusqu'à la rupture brutale. Les figures 6a et 6b illustrent des exemples de fissures de fatigue.

 

 




FIGURE 6A: Fissure de fatigue.




FIGURE 6B : Fissure de fatigue et contraintes résiduelles mesurées.


Caractérisations du grenaillage des contraintes résiduelles sur pièces grenaillées

Le grenaillage de précontrainte ultrason par procédé Stressonic introduit de fortes contraintes résiduelles de compression dans la couche superficielle, indépendamment de l'état de contrainte résiduelle du composant avant le grenaillage. Les contraintes résiduelles de traction induites à la surface par les procédés de mise en forme sont transformées en contraintes résiduelles de compression par le grenaillage de précontrainte ultrason (figure 7).

FIGURE 7 : Exemple de distribution des contraintes résiduelles en profondeur après affûtage et après grenaillage.


Axe de développement et perspectives à venir

L'analyse des contraintes résiduelles dans un échantillon est délicate car cela fait appel à de nombreuses étapes successives et minutieuses, afin de détecter des grandeurs particulièrement faibles (la résolution recherchée en déformation est de l'ordre de 10-4). Durant toutes ces étapes, des approximations sont faites, des incertitudes sont introduites... Ceci nous amène régulièrement à remettre en question les différentes grandeurs évaluées afin de garantir la qualité des résultats obtenus.

Certaines entités industrielles, notamment dans le domaine de l'automobile, travaillent depuis plusieurs années sur la simulation numérique du soudage avec deux objectifs :

- La réduction du nombre d'essais nécessaire à la mise au point d'une gamme de soudage. Cet objectif nécessite de s'intéresser avant tout aux distorsions engendrées par le procédé, avec une forte incidence des conditions de bridage des composants.

- La prise en compte du procédé en phase de conception des pièces. Il s'agit cette fois de déterminer précisément les contraintes résiduelles et les changements de caractéristiques matériaux liés aux opérations de soudage. Les phénomènes locaux doivent alors être modélisés avec grande précision.

 

Il existe depuis plus de dix ans une communauté française appelé le GFAC (Groupement français des analyses des contraintes) regroupant des industriels tels que SONATS et des universitaires comme les Écoles nationales des Arts et Métiers. Ce groupe se réunit régulièrement pour partager les bonnes pratiques, aborder les nouveautés scientifiques et travaille à l'amélioration des techniques d'analyse des contraintes résiduelles. De nouveaux axes d'études et de travail pour l'analyse et l'expertise des contraintes résiduelles sont régulièrement mis en place.

 

En conclusion, SONATS propose une gamme de solutions et d'expertises, depuis la caractérisation des états matière, leur optimisation par le choix et la qualification d'une gamme de traitement de surface par impact adaptée.

Consulter l'intégralité du dossier " Procédés innovants "

Consulter l'intégralité du dossier " Amélioration des propriétés de surfaces : les procédés émergents "

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FIGURE 2 : Exemple de la chambre de

FIGURE 3 : Représentation schématique de la microstructure d'un matériau métallique à différentes échelles.

FIGURE 4 : Définition schématique des différents ordres de contraintes pour un matériau monophasé (B. Sholtes.Karlruhe 1990. DGM Verlag 1991).

FIGURE 5 : Diffraction des rayons X, différentiation de la loi de Bragg.

FIGURE 6A : Fissure de fatigue.

FIGURE 6B : Fissure de fatigue et contraintes résiduelles mesurées.

FIGURE 6B : Fissure de fatigue et contraintes résiduelles mesurées.

FIGURE 7 : Exemple de distribution des contraintes résiduelles en profondeur après affûtage et après grenaillage.

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