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.
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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