Ce travail a pour objectif l'étude de la technique de relaxation des contraintes résiduelles par martelage. Comme première approche, on a choisi d'étudier l'effet du martelage seul sur des plaques libres. 4 plaques d'acier inoxydable austénitique 304L ont été martelées par 1, 3, 5 et 9 couches de martelage respectivement, alors qu'une cinquième plaque issue du même lot a servi de témoin pour évaluer les contraintes initiales. Les contraintes résiduelles ont été évaluées grâce à la technique des contours, qui permet d'avoir une carte 2D de la distribution des contraintes résiduelles dans le sens perpendiculaire au cordon de soudage. Ces essais ont permis de démontrer l'effet bénéfique du martelage à induire des contraintes de compression sur une profondeur de quelques millimètres, ce qui réduit les risques de fissuration, ainsi qu'une amélioration des propriétés mécaniques locales. Aussi, nous avons réussi à identifier le nombre optimal de couches de martelage à appliquer afin d'induire un niveau maximal de contraintes de compression tout en minimisant le nombre de passes de martelage et aussi le temps de traitement

BOCHER, Philippe

HACINI, Lyes

LÊ VAN, Ngan

I-Revues

18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
1 
Traitement de surfaces par impacts : 
Évaluation des contraintes résiduelles induites par martelage 
 
Lyes Hacini, Van Ngan Lê & Philippe Bocher 
 
École de Technologie Supérieure, Institut de Recherche d’Hydro-Quebec 
1100, Notre-Dame ouest, Montréal, Québec, H3C1K3 
Philippe.bocher@etsmtl.ca  
 
 
 
 
Résumé : 
 
Ce travail a pour objectif l’étude de la technique de relaxation des contraintes résiduelles par martelage. 
Comme première approche, on a choisi d’étudier l’effet du martelage seul sur des plaques libres. 4 
plaques d’acier inoxydable austénitique 304L ont été martelées par 1, 3, 5 et 9 couches de martelage 
respectivement, alors qu’une cinquième plaque issue du même lot a servi de témoin pour évaluer les 
contraintes initiales. Les contraintes résiduelles ont été évaluées grâce à la technique des contours, qui 
permet d’avoir une carte 2D de la distribution des contraintes résiduelles dans le sens perpendiculaire au 
cordon de soudage. Ces essais ont permis de démontrer l’effet bénéfique du martelage à induire des 
contraintes de compression sur une profondeur de quelques millimètres, ce qui réduit les risques de 
fissuration, ainsi qu’une amélioration des propriétés mécaniques locales. Aussi, nous avons réussi à 
identifier le nombre optimal de couches de martelage à appliquer afin d’induire un niveau maximal de 
contraintes de compression tout en minimisant le nombre de passes de martelage et aussi le temps de 
traitement. 
 
Abstract: 
 
This work aims to study the residual stresses relaxation by hammer peening technique. We chose to study 
the effect of hammer peening applied to free plates. 4 austenitic stainless steel 304L plates were 
hammered by 1, 3, 5 and 9 layers respectively, whereas a fifth plate was used as reference. The residual 
stresses were evaluated thanks to the contours technique, which provides the 2D field of the residual 
stresses present in the perpendicular plan of the peened line. These tests display the beneficial effect of 
hammer peening to induce compressive stresses on a depth of few millimetres, which reduces the risks of 
cracking, as well as an improvement of the mechanical properties. Also, the optimal number of hammer 
peening layers to be applied was determined in order to minimize the processing time. 
 
Mots-clefs :  
 
Relaxation, contraintes résiduelles, martelage 
 
1 Introduction 
 
La fabrication mécano soudée de certains composants industriels génère des contraintes 
résiduelles près des cordons de soudure. Ces contraintes semblent être à l’origine de fissurations 
prématurées qui peuvent entraîner une rupture catastrophique durant le fonctionnement et une 
réduction de la durée de vie de ces composants. Dans ce contexte, l’Institut de Recherche 
d’Hydro-Québec (IREQ) a développé la technique de relaxation par martelage robotisé qui 
permet de relaxer les contraintes proches de la surface tout en préservant les propriétés 
mécaniques et dimensionnelles de ces composants manufacturées (Simoneau (2004), Fihey et 
al (2005), Hacini et al (2006)). 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
2 
L’effet du martelage seul a été étudié sur des plaques libres (ne contenant aucunes contraintes 
résiduelles initiales). Quatre (4) plaques d’acier inoxydable austénitique 304L ont été martelées 
par 1, 3, 5 et 9 couches de martelage respectivement, alors qu’une cinquième plaque a servi de 
témoin pour évaluer les contraintes initiales. Les contraintes résiduelles ont été évaluées grâce à 
la technique des contours (Prime et al (2000,2001), Nasri et al (2004, 2007)), qui permet d’avoir 
une carte complète 2D de la distribution des contraintes résiduelles. 
Ce travail a pour but de quantifier l’effet bénéfique du martelage sur les contraintes résiduelles 
de surface et ceci afin de réduire dans une prochaine étape les contraintes résiduelles de tension 
générées dans des pièces soudées. Ils a aussi pour objectif d’identifier le nombre optimal de 
couches de martelage à appliquer; cela permettra de réduire le temps de martelage et d’induire 
le niveau maximal de contraintes de compression dans les plaques. 
 
2 Approche expérimentale 
 
2.1 Échantillons 
 
Cinq plaques issues d’un même lot de dimensions 450*150*25mm en acier inoxydable 
austénitique 304L ont été utilisées. La limite d’écoulement de ce matériau est de 210MPa et la 
contrainte ultime en traction uniaxiale est 564MPa. Quatre de ces plaques ont subit 
respectivement 1, 3, 5 et 9 couches de martelage. La plaque non martelée a servi de témoin pour 
évaluer l’état initial de contraintes.   
 
2.2 Procédure de martelage  
 
La procédure de martelage suivie pour ces essais est identique à celle décrite par Simoneau 
(2004) et Hacini (2007). Pour rappel, le martelage a été réalisé grâce à un marteau pneumatique, 
modèle RRH06P de la compagnie Atlas Copco supporté par le robot SCOMPI®; ce dernier est 
un robot portatif à six axes employé au sein d’Hydro-Québec pour la maintenance in situ 
(soudage, meulage et martelage) des turbines hydrauliques. Le nombre de couches de martelage 
varie entre 0 et 9 couches; chaque couche est composée de 6 passes, avec une distance 
interpasses de 5.5mm; la fréquence de martelage utilisée est de 36Hz avec une pression d’air qui 
vaut 0.62MPa (90psi). La taille de la zone martelée est de 304*31mm au centre de chaque 
plaque. 
 
2.3 Mesure des contraintes résiduelles 
 
Les mesures des contraintes résiduelles sur les 5 plaques ont été réalisées par la méthode des 
micro-profils (contours). D’autres méthodes de mesure ont été mises en place pour valider ces 
résultats et feront l’objet d’une future publication (Thibault et al (2007)). 
Afin d’appliquer cette méthode, il est nécessaire de couper les échantillons à l’EDM (Electric 
Discharge Machining), cette méthode d’usinage permet de préserver les surfaces sujettes à 
l’étude. Lors de la coupe EDM, il est primordial d’empêcher les échantillons de bouger, un 
système de blocage a été conçu à cet effet. Il permet d’exercer sur les cotés d’une trajectoire de 
coupe un serrage assez important pour empêcher les 2 moitiés de l’échantillon de se déplacer. 
La coupe EDM est réalisée sur une machine FANUC avec un fil de 0.25 mm (100 mils). Elle est 
réalisée à une vitesse de coupe de 0.9mm2/s (5po2/h), et est perpendiculaire à la direction de 
martelage selon le plan horizontal de la plaque.  
 
 
 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
3 
2ème moitié de la plaque 
1ère moitié de la plaque 
Fil  
EDM 
Zones de surélévations dues à 
l’arrêt du fil EDM à la fin de 
la coupe  
Direction de la coupe 
Les profils des deux surfaces ainsi obtenus seront alors mesurés par profilométrie, mais avant de 
faire cette étape, un artefact doit être soigneusement corrigé. En effet, à l’extrémité de chaque 
moitié, là où la coupe EDM se termine il reste toujours une zone surélevée qui a été mal coupée, 
elle doit être supprimée lors du calcul des contraintes.  
 
 
 
 
 
 
FIG. 1 – Artefact (surépaisseur) produit à la fin de la coupe EDM 
 
Une fois les profils des deux surfaces numérisés, les résultats sont moyennés et les données 
numériques sont utilisées pour calculer les contraintes nécessaires afin de « redresser » la 
surface. Pour faire cela plus facilement, cette surface est approximée par un polynôme de degré 
7 en utilisant la méthode des moindres carrés. Par un modèle éléments finis représentant 
l’échantillon, la surface polynomiale est utilisée pour imposer les déplacements inverses à la 
face coupée par EDM. Cela permet de calculer les contraintes équivalentes relâchées lors de la 
coupe dans le plan de section. 
 
3 Résultats et discussion 
 
Les contraintes ainsi calculées par la méthode des contours sont présentées dans la figure 2. Ces 
résultats représentent les contraintes selon l’axe perpendiculaire à la surface de la coupe EDM, 
autrement dit, les contraintes longitudinales à la direction du martelage appliqué aux plaques.  
La figure 2.a représente le profil de contraintes dans la plaque témoin, cette plaque n’a subit 
aucun martelage, malgré cela, la mesure des contraintes donne des valeurs variant de  ±100Mpa. 
La figure 2.b démontre que le martelage est capable d’induire des contraintes assez élevées 
même après une seule couche. On remarque aussi que le maximum de contraintes ne se trouve 
pas sur la surface, mais à environ 1mm de profondeur, cette situation peut se présenter lorsqu’un 
matériau ductile est martelé avec un embout beaucoup plus dur (Michel (2007)). La profondeur 
influencée par la compression atteint 7mm, avec un niveau de contrainte élevé comparativement 
à la plaque non martelée (figure 3). 
Lorsque la plaque subit 3 couches de martelage (figure 2.c) la profondeur influencée augmente, 
puisqu’elle atteint 9mm de zone de compression et que la contrainte maximum de compression 
se trouve en surface est vaut -890MPa alors qu’elle ne vaut que -440Mpa dans la plaque n’ayant 
subit qu’une passe. 
Les figures 2.d et 2.e montrent les profils de contraintes pour les plaques ayant subit 5 et 9 
couches de martelage. Peu d’améliorations sont relevées dans ces 2 plaques, les profondeurs 
soumises à de la compression sont respectivement de 9 et 10mm, tendis que la contrainte 
maximum de compression vaut -970MPa pour les deux plaques. 
La figure 3 représente le profil de contraintes au milieu de la plaque en fonction de la 
profondeur sous la zone martelée, il est facile de constater que l’augmentation du nombre de 
couches de martelage de 1 à 3 augmente la zone de compression, cependant au-delà de la 3ème 
ou 4ème couche appliquée peu d’améliorations sont enregistrées alors que la durée du traitement 
augmente ainsi que les risques de fissuration au niveau de la surface martelée. 
 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
4 
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
0 5 10 15 20 25 30
Profondeur [mm]
C
on
tr
ai
nt
e 
lo
ng
itu
di
na
le
 [M
Pa
]
Plaque 1 Plaque 2 Plaque 3
Plaque 4 Plaque 5
 
 
 
 
 
a) (Min : -149MPa, Max : 146MPa)  b) (Min : -442MPa, Max : 393MPa) 
 
                                                                                                    
 
 
 
 
 c) (Min : -890MPa, Max : 269MPa)  d) (Min : -970MPa, Max : 212MPa)
   
 
 
 
 
 
     e) (Min : -972MPa, Max : 389MPa)    
 
 
 
 
FIG. 2 – Évolution du profil des contraintes longitudinales [MPa]  
en fonction du nombre de couches de martelage : a) plaque de référence, b) Après une couche, 
c) Après trois couches d) Après cinq couches e) Après neuf couches 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 3 – Contrainte longitudinale au milieu de chaque plaque en fonction de la profondeur;  
plaques 1 à 5 : 0, 1, 3, 5, et 9 couches de martelage 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
5 
Le Tableau 1 englobe les résultats significatifs pour les 5 plaques, il s’agit de la profondeur 
influencée par le martelage, la contrainte maximum enregistrée à 1mm de profondeur sous la 
zone martelée ainsi que le temps de traitement.  
 
TAB. 1 – Variations de divers paramètres en fonction  
du nombre de couches pour une profondeur de 1mm 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Selon les trois critères mentionnés dans le tableau 1, et en accordant une pondération moins 
importante au premier critère (durée du traitement), il ressort qu’un martelage optimal se situe 
entre 3 et 5 couches appliquées, ce qui rejoint les conclusions des références Fihey (2005) et 
Hacini et al (2006). Augmenter le nombre de couches au-delà de ce niveau ne va pas améliorer 
l’état de contraintes à l’intérieur des plaques et risque d’induire des fissures en surface à cause 
de l’augmentation excessive de la dureté qui va rendre la surface plus fragile. 
Il est à noter que même si les valeurs de contraintes maximales enregistrées paraissent trop 
élevées par rapport à la contrainte ultime en traction du matériau (564MPa), elle restent toujours  
possibles car l’acier 304L est caractérisé par un niveau d’écrouissage très élevé et que les 
contraintes mesurées sont en compression. Aussi, des travaux antérieurs réalisés sur les mêmes 
plaques ont permis de démontrer l’influence du martelage sur la dureté du matériau traité qui est 
beaucoup plus élevée que celle du matériau de base non traité (Hacini et al (2006)). Cette dureté 
est elle-même proportionnelle à la contrainte d’écoulement du matériau (Busby et al (2004)), ce 
qui nous permet de dire que le martelage permet d’augmenter la limite d’écoulement du 
matériau et ce sur des profondeurs allant jusqu'à 10mm. Quant à la dureté, elle peut servir 
d’indicateur de l’augmentation de la contrainte d’écoulement et ainsi offrir un moyen simple de 
vérifier la qualité du martelage.  
 
4 Conclusions 
 
À travers ces essais, on a étudié l’efficacité du martelage à induire des contraintes de 
compression sur des plaques libres. Les principales conclusions et recommandations sont les 
suivantes : 
• La technique des micro-profils semble être une méthode adéquate pour mesurer les 
contraintes résiduelles en 2D sur de grandes sections. 
• Le martelage a induit de la compression sur une profondeur d’environ 10mm, ce qui est 
supérieure à la majorité des techniques de relaxation utilisées en industrie. 
• Il semble que le nombre optimal de couches de martelage à appliquer pour l’acier 304L se 
situe entre 3 à 5 couches, cela confirme les conclusions des travaux précédents.  
L’étude présente n’identifie aucun aspect négatif à l’application d’un plus grand nombre de 
couches de martelage sur une même zone, sauf la durée du traitement qui augmente 
proportionnellement au nombre de couches, ce qui peut augmenter le coût du traitement. 
Cependant, il sera intéressant de regarder les surfaces martelées pour vérifier d’éventuelles 
initiations de fissures.  
 
Nombre de couches de martelage 
 (Proportionnel à la durée de traitement) 
Profondeur maximum en compression [mm] 
 
Valeur de la compression maximum [MPa] à 1mm 
de profondeur de la surface martelée  
1 3 5 9 
7 9 9 10 
435 482 571 535 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
6 
Remerciements 
 
Les auteurs remercient le CRSNG et Hydro-Québec pour le leurs supports financiers et 
techniques. Ils tiennent aussi à exprimer leur reconnaissance au Dr Jean-Luc Fihey et au 
chercheur Denis Thibault ainsi que Mr Stéphane Godin pour son aide dans la réalisation de la 
partie expérimentale de ce travail. 
 
 
Références 
 
Simoneau, R. 2004 Déformation de plaques d’aciers par le martelage multi-passe robotisé. 
Rapport interne IREQ-2004-161 
 
Fihey, J.L., Simoneau, R., Lanteigne, J., Thibault, D., Laroche, Y. 2005 Controlled Hammer-
Peening on a Restrained A514 (S690Q) Weldment. Proceedings 5-6 July, Institute for 
Materials Science, Welding and Forming, Graz University of Technology 
 
Hacini, L., Lê, N.V., Bocher, P. 2006 Residual Stresses Induced by Robotized Hammer 
Peening: Effect of Energy Level. Proceeding of Aerospace Materials and Manufacturing, 1-4 
octobre, p 759-767 
 
Prime, M.B. 2001 Cross-Sectional Mapping of Residual Stresses by Measuring the Surface 
Contour after a Cut. Journal of Engineering Materials and Technology, Vol 123, pp. 162-168  
 
Prime, M.B., Gonzales, A.R. 2000 The Contour Method: Simple 2-D Mapping of Residual 
Stresses. Proc 6th Int. Conf. on Residual Stresses, Oxford, U.K., July10-12, Vol 1, pp.617-
624 
 
Nasri, H.,  Lanteigne, J., Baillargeon, C. 2004 Mesure des contraintes résiduelles sur une 
préparation soudée en acier A-516 par la méthode de profil d’une surface de coupe. Rapport 
interne IREQ-2004-159 
 
Nasri, H. 2007 Mesure des Contraintes Résiduelles par micro profils de surface. Thèse de 
maîtrise, École de Technologie Supérieure 
 
Thibault, D., Bocher, P., Thomas, M., Garghouri, M. (Publication future) Neutral diffraction 
measurements of residual stresses in 13%Cr-4%Ni weld 
 
Michel, A. 2007 Pièces mécaniques soudées : Traitements thermiques et mécaniques, 
Techniques de l’ingénieur BM 5 190v2 − 1 
 
Hacini, L. 2007 Application de la technique des micro profils à la mesure des contraintes 
résiduelles dues au soudage et martelage de plaques en acier inoxydable austénitique 304l 
 Rapport interne IREQ-2007-0030 
 
Busby, J.T., Hash, M.C., Gary, S.W. 2004 The relationship between hardness and yield stress in 
irradiated austenitic and ferritic steels. Journal of Nuclear Materials, Vol 336, pp267-278 
 


Traitement de surfaces par impacts: Évaluation des contraintes résiduelles induites par martelage

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

I-Revues