Methodology for Shot-Peening Induced Intragranular Residual Stress Prediction

Résumé 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

Coupling multiphysics problems in transient regimes: application to liquid resin infusion process

Liquid resin infusion (LRI) process is widely considered in the aeronautics, due to its benefits (low void content and production of large parts), for high performance composite material forming. The main objective of the present work is to simulate nu- merically the LRI process, in a high performance computing framework, which consists in coupling fluid-solid mechanics. Hence, two fluid flow regimes are coupled with an ef- ficient ASGS stabilized monolithic finite element formulations: the resin flow in both a highly permeable distribution medium (Stokes) and low permeability fibrous orthotropic preforms (Darcy). Moreover, weak coupling algorithms are used along for coupling solid / fluid mechanics, solid / level-set problems and fluid / level-set problems; where the level-set method is used to capture the moving flow front and the Stokes-Darcy interface. To transfer the different physical variables between the above coupled problems, Message Passing Interface (MPI) library is chosen, to ensure the best data transfer performances

Nanomechanical testing for crystal plasticity constitutive framework identification at high strain rates

Shot-Peening (SP) is a surface mechanical treatment that consists in propelling hard particles, called shot, onto a ductile metallic surface at high velocity to induce subsurface residual compressive stresses. It is widely used in the industry to increase fatigue life and wear resistance of treated parts. Shot-peening induced macroscopic residual stresses (e.g. Type I) predictions using finite element analysis or analytical method is today already well assessed. However, recent works [1] revealed that spherical indentation in specific crystal orientations could induce subsurface intragranular tensile stresses. In the shot-peening context, such intra-granular (e.g. Type III) residual stresses could influence structure’s High Cycle Fatigue (HCF) behavior and macroscopic residual stresses stability over the load cycles It would also favor early stage plasticity and crack initiation. Shot-peening simulations at the crystal scale would therefore provide essential quantitative inputs for treated parts fatigue life prediction. Such simulations require to select relevant constitutive frameworks representing the crystal behavior at high strain rate (up to 106 s-1) and accounting for repeated impact induced cyclic effects. Also, identification of such behavior will require mechanical tests at the crystal scale under process-representative test conditions. In the present work, a new methodology for crystal plasticity inverse identification for large strain rate ranges is developed. It relies on high-strain rate micropillar compression tests performed with a recently developed nano-indenter test apparatus [2], at strain rates up to 102 s-1. Micropercussion induced residual imprints are also experimentally generated to provide material behavior inputs at higher strain rates. Both tests are combined for inverse identification of two different crystal plasticity constitutive frameworks for copper. Unicity and stability of the given coefficients are studied using cost function plots and an identifiability indicator developed by Renner et al. [3]. Further works will focus on high strain rates Berkovich indentation tests to complete the developed methodology. Experimental data will also be generated at higher strain rates and for repeated impacts, using a currently developed impact shot gun that will propel shots at shot-peening velocity with a spatial accuracy of . [1] S. Breumier, A. Villani, C. Maurice et M. &. K. G. Lévesque, «Effect of crystal orientation on indentation-induced residual stress field: simulation and experimental validation,» Materials & Design, vol. 169, 2019. [2] G. Guillonneau, M. Mieszala, J. Wehrs, J. Schwiedrzik, S. Grop, D. Frey, L. Philippe, J.-M. Breguet, J. Michler et J. Wheeler, «Nanomechanical testing at high strain rates: New instrumentation for nanoindentation and microcompression,» Materials & Design, vol. 148, pp. 39-48, 2018. [3] E. Renner, Y. Gaillard, F. Richard, F. Amiot et P. Delobelle, «Sensitivity of the residual topography to single crystal plasticity parameters in Berkovich nanoindentation on FCC nickel,» International Journal of Plasticity, vol. 77, pp. 118 - 140, 2016

A new method to measure shear surface mechanical properties

Please click Additional Files below to see the full abstract

Méthodologie pour la prédiction des contraintes résiduelles intra-granulaires induites par grenaillage

Shot-peening induced residual stresses at the grain scale influence material's high cycle fatigue life. However their estimation requires an accurate identification of crystal plasticity models at the surface scale under the process conditions, as well relevent experimental procedure for model validation. The goal of this thesis is to develop a methodology for intragranular residual stress and hardening prediction using crystal plasticity finite element simulations and experimental validation. Spherical indentation tests on single crystal copper specimens reveal that crystal plasticity anisotropy could induce tensile stresses under the surface. The good correspondance between experimentally estimated and numerically predicted residual stresses reveals the possibility to use high angular resolution EBSD for model validation. Microstructural evolutions induced by shot peening of a sharp corner are investigated to reveal the importance to model the process at the grain scale. A methodology for crystal plasticity constitutive parameters identification at high strain rate using micropillar compression tests is detailed. A shot peening canon that can propel shot at high velocity was developed. Crystal plasticity models are validated using the shot displacement, the impact imprint topography and the crystal misorientation field under the dent. Finally an identifiability analysis of two viscoplastic parameters using the residual stress field induced by an impact as well as the shot displacement is presented.Les contraintes et l'écrouissage induits à l'échelle d'un grain par grenaillage ont une influence sur la durée de vie à grand nombre de cycle des matériaux mais nécessitent l'identification précise de modèles de plasticité cristalline à l'échelle de la surface et dans les conditions du procédé, ainsi que l’établissement de méthodes expérimentales de validation des modèles développés, pour être estimées. 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 révèlent que l'anisotropie de la plasticité cristalline peut induire des contraintes résiduelles de traction en sous surface. La comparaison des champs numériques et expérimentaux confirme aussi la possibilité d’utiliser l’EBSD à haute résolution angulaire pour la validation de modèles. Les évolutions microstructurales induites par le grenaillage d'un coin sont étudiées pour montrer l'importance de la modélisation du procédé à l'échelle du grain. Une méthodologie pour l'identification de paramètres à haute vitesse de déformation à l’aide d’essais de microcompression est détaillée. Un canon à grenailler instrumenté capable de projeter des billes à haute vitesse est développé. Les modèles sont validés à partir du déplacement de la bille, de la topologie de l'empreinte d'impact et du champ de désorientation cristalline sous l'empreinte. Enfin une étude d’identifiabilité des paramètres viscoplastiques de la loi de comportement a été en menée en considérant l’utilisation du champ de contraintes résiduelles et du déplacement de la bille lors d’un impact

Coupling multiphysics problems in transient regimes: application to liquid resin infusion process

Liquid resin infusion (LRI) process is widely considered in the aeronautics, due to its benefits (low void content and production of large parts), for high performance composite material forming. The main objective of the present work is to simulate nu- merically the LRI process, in a high performance computing framework, which consists in coupling fluid-solid mechanics. Hence, two fluid flow regimes are coupled with an ef- ficient ASGS stabilized monolithic finite element formulations: the resin flow in both a highly permeable distribution medium (Stokes) and low permeability fibrous orthotropic preforms (Darcy). Moreover, weak coupling algorithms are used along for coupling solid / fluid mechanics, solid / level-set problems and fluid / level-set problems; where the level-set method is used to capture the moving flow front and the Stokes-Darcy interface. To transfer the different physical variables between the above coupled problems, Message Passing Interface (MPI) library is chosen, to ensure the best data transfer performances

Mesure des propriétés mécaniques des matériaux à haute vitesse de déformation par micro-compression

Les évolutions récentes dans le domaine de la micromécanique ouvrent la voie aux essais de micro-compression et de nanoindentation à haute vitesse pour caractériser les propriétés des matériaux àl’échelle de quelques microns et à très haute vitesse de déformation. Dans ce travail, nous détaillonsune procédure de validation du dispositif d’essai micromécanique haute vitesse. Une application a étéréalisée par des essais de micro-compression, effectués sur des piliers de cuivre de différentes taillesusinés par FIB, le but étant d’étudier le comportement micromécanique et les effets d’échelles à hautevitesse de déformation de ce matériau