Comme on l’a observé dans le chapitre 1, le comportement en fatigue à grand nombre de cycles est un phénomène étudié et connu (figure 1.15) pour les matériaux composant les structures et notamment pour les alliages de titane utilisés dans cette thèse [Bettaieb et al., 2013, Kar et al., 2013, Bettaieb et al., 2014]. Cependant le couplage des caractéristiques des matériaux avec les particularités géométriques ou la prise en compte de l’historique de chargement des structures est encore largement inexploré. De nombreux paramètres rentrent en compte dans la tenue en fatigue d’une structure. Dans le cadre de la thèse une identification et une sélection de certains des paramètres qui influencent la durée de vie d’une jambe de train d’atterrissage de SAFRAN Landing Systems ont été retenues :
— le grenaillage ;
— la géométrie complexe des structures en service et de l’éprouvette testée ; — les défauts se produisant en service (FOD).
Plusieurs références bibliographiques soulignent l’influence du grenaillage sur la tenue en fatigue de la pièce en service [Lütjering et Williams, 2007, Wagner et Luetje-ring, 1996, Takahashi et Sato, 2010, Souto-Lebel et al., 2011].
[Halford, 2006] indique qu’il existe différents mécanismes interdépendants qui ex-pliquent les propriétés finales liées à ce processus. Le plus bénéfique est la mise en
compression de la matière en subsurface. Plusieurs exemples dans le monde indus-triel démontrent le gain après grenaillage sur la durée de vie en fatigue des pièces. La figure 2.37 illustre l’impact de différents traitements mécaniques sur la tenue en fatigue d’une pièce en alliage de titane Ti64. On remarque que le grenaillage est le traitement qui améliore le plus la résistance à la fatigue cyclique de l’alliage Ti64.
FIGURE2.37 – Influence de traitement de surface sur la tenue en fatigue de l’alliage de
titane Ti64 [Lütjering et Williams, 2007]
Il est intéressant de noter que le processus de grenaillage et les essais de durée de vie font intervenir les mêmes types de micromécanismes en subsurface. En effet, le mécanisme d’amorçage est une accumulation de dislocation qui finit par créer une fissure, le grenaillage implique une microplastification en subsurface [Kobayashi et al., 1998]. Lors du grenaillage, l’intensité de grenaillage peut être assimilée à l’amplitude de chargement et le temps de grenaillage et le recouvrement peuvent être vus comme le nombre de cycles subi par la surface. Il y a interdépendance de ces 2 phénomènes. Dans notre cas, le traitement de grenaillage est assez léger puisque l’intensité est F10A2
2. L’intensité Almen est déterminée suivant la norme [AFN, 2008]. Une intensité Almen notée F10A (notation française) signifie que le procédé induit une flèche de 0,1 mm sur une éprouvette de type A d’épaisseur 1,29 mm
et le taux de recouvrement de 2. Le grenaillage induit des contraintes résiduelles qui varient suivant l’intensité Almen. Sur la figure 2.38, cette intensité de grenaillage est exprimée par une pression en bar. Ces profils en cloche inversée sont caractéristiques des contraintes résiduelles induites par grenaillage. Pour l’alliage Ti64, les contraintes résiduelles les plus élevées se situent à une distance comprise entre 20 et 50 µm sui-vant l’intensité. Les niveaux varient de 650 à 750 MPa. Les contraintes résiduelles de compression s’estompent lorsque la distance à la surface augmente. Pour des profon-deurs de 50 à 180 µm suivant l’intensité de grenaillage il n’y a plus de contraintes de compression. On observe ici pour des profondeurs plus importantes des contraintes de traction dans le matériau.
FIGURE 2.38 – Contraintes résiduelles après un traitement de grenaillage pour une
même durée d’exposition et une intensité variable dans un alliage Ti64 [Wagner et Luetjering, 1996]
Le grenaillage modifie les caractéristiques du matériau en surface, en plus d’ap-pliquer à la pièce des contraintes résiduelles en subsurface, le grenaillage écrouit le matériau et augmente la dureté de la surface du matériau. Le grenaillage mécanique (par projection de billes) présente également des points négatifs. Outre le prix par-fois important de l’opération et la question de la répétabilité du processus entre les différentes pièces et dans les différentes parties d’une même pièce (structure à géomé-trie complexe), le grenaillage altère la microstructure en subsurface en plastifiant les grains. Ce phénomène peut s’accompagner d’un changement de comportement mé-canique indésirable, qui peut aller jusqu’à de l’endommagement et des microfissures de surface [Drechsler et al., 1998]. L’impact des billes provoque aussi une irrégularité de
l’état de surface après grenaillage et une rugosité importante [Souto-Lebel et al., 2011]. La figure 2.39 illustre la rugosité de la surface après grenaillage (i.e., 15 µm dans notre cas). Ces caractéristiques toutes couplées entre elles influencent le comportement en fatigue des pièces [Wagner et Luetjering, 1996].
FIGURE2.39 – Mesure de la rugosité d’un alliage de titane Ti5553 après un grenaillage
F10A
Une bonne maîtrise du procédé de grenaillage et la connaissance des contraintes résiduelles associées ainsi que leur répartition dans la pièce peut améliorer de façon significative la tenue mécanique des structures. Tout comme les éléments d’addition ou le processus de fabrication de l’alliage, le grenaillage peut permettre une réduction de la masse de la structure en conservant les caractéristiques mécaniques. Les coûts de production peuvent être réduits (e.g., inutilité d’un usinage de finition) et la durée de vie des structures peut être prolongée [Wagner et Luetjering, 1996, Takahashi et Sato, 2010].
Il s’agit cependant de rester vigilant quant aux structures présentant des géométries complexes et notamment, les coins, les arêtes, les congés de raccordement de deux surfaces peuvent présenter un état de surface et des contraintes résiduelles différentes de celles des faces. Des mesures au synchrotron et des calculs mécaniques montrent que les contraintes résiduelles sont majoritairement de compression pour les pièces
de géométries complexes [Venter et al., 2008, Jun et Korsunsky, 2010, Jun et al., 2011]. Cependant, dans le cas d’une pointe, une géométrie qui exacerbe le phénomène de bord libre, la figure 2.40 révèle des contraintes de compression plus faibles voire des contraintes de traction à l’extrémité de la pointe.
FIGURE 2.40 – Contraintes résiduelles sur une pièces avec des bords libres de type
"pointe de crayon" [Jun et Korsunsky, 2010, Jun et al., 2011]. Les courbes en bleu cor-respondent au profil de contraintes résiduelles en subsurface sur la zone sélectionnée