Résistance sous charges cycliques

La surface des pièces mécaniques est une zone particulière soumise à de multiples contraintes comme l'effort maximal (flexion, torsion), de potentiel variations de rugosité représentant des sites de concentration de contraintes, du frottement ou encore l'atmosphère ambiante. L'amorce des fissures sera donc privilégiée en surface des pièces mécaniques, les traitements de surface visent donc aussi à améliorer les propriétés de fatigue des surfaces déformées. La littérature rapporte peu de travaux concernant directement le grenaillage ultrasonique, des observations portant sur le grenaillage de précontrainte conventionnel seront donc utilisées ici.

Le grenaillage, conventionnel comme ultrasonique, est généralement retenu comme étant un traitement de surface bénéfique pour retarder l'amorce et la propagation des fissures sous charges cycliques. Trois facteurs sont à prendre en compte pour caractériser la tenue en fatigue des pièces grenaillées: i) la rugosité de surface induite par les impacts de bille, ii) la présence d'une couche affinée en surface et iii) la création d'un gradient de contrainte résiduelle de compression le long de la couche affectée.

En traitant des aciers faiblement alliés, Bagherifard et al. [Bagherifard et al. - 2012] ont proposé une comparaison entre un grenaillage de précontrainte conventionnel et sa déclinaison de déformation sévère se rapprochant le plus du traitement de grenaillage ultrasonique (Figure 1.34a). Il en ressort que plus le traitement de grenaillage est énergétique, plus la limite d'endurance est augmentée; le traitement de grenaillage sévère ayant présenté la plus forte résistance à la fatigue (+ 246%) comparé au matériau initial. Un mécanisme intéressant observé entre un traitement conventionnel et sévère est que le premier présentait un ou deux site d'amorçage tandis que le traitement sévère a entrainé de multiples sites d'amorçage. Cet effet a été associé à la forte rugosité induite par le traitement de grenaillage sévère générant de nombreux sites de concentration de contraintes potentiels et donc de sites d'amorçages. Par contre, les fissures amorcées ne se sont pas nécessairement propagées en des fissures longues. À partir de ces résultats, les mêmes auteurs ont tenté de réduire la rugosité de surface afin d'améliorer à nouveau la tenue en fatigue des pièces grenaillées [Bagherifard et Guagliano - 2012] (Figure 1.34b). Un grenaillage répété, consistant dans un

premier temps à grenailler sévèrement la surface puis une seconde fois avec des medias de plus petite taille, permet une amélioration des propriétés de fatigue dans le domaine pluricyclique par une conservation de la couche affinée et une diminution de la rugosité. Néanmoins, une rectification de la surface après grenaillage sévère permet d'atteindre la meilleure limite d'endurance malgré un enlèvement significatif de la couche affinée contenant les zones ayant les microstructures les plus fines.

Figure 1.34 Courbes de Wöhler d'aciers faiblement alliés (NP) traités par grenaillage conventionnel (CSP), grenaillage sévère (SSP), grenaillage répété (RSSP) et grenaillé sévèrement puis rectifié (GSSP) [Bagherifard et al. - 2012 ; Bagherifard et Guagliano - 2012]

D'autre part, les contraintes résiduelles de compression induites par le traitement de grenaillage sont aussi responsables de l'amélioration des performances en fatigue des pièces traitées. Ces dernières se superposent au chargement appliqué et permettent de retarder la propagation des fissures, elles ont cependant moins d'effet sur l'amorçage d'après McClung [McClung - 2007]. En étudiant un acier inoxydable martensitique AISI 4340 traité par grenaillage conventionnel, Torres et Voorwald [Torres et Voorwald - 2002] rapportent qu'une relaxation des contraintes résiduelles de compression prend place durant le chargement cyclique. Lors d'un chargement en flexion rotative, plus la charge appliquée est importante, plus la relaxation des contraintes résiduelles de compression est importante. De plus, un faible chargement aura tendance à relaxer majoritairement les contraintes résiduelles en profondeur tandis que sous fortes sollicitations, les contraintes résiduelles de surface et de

b)

a) _{Grenaillage sévère}

Grenaillage conventionnel

Non traité Non traité

Grenaillage sévère Grenaillage secondaire

sous-couche sont presque entièrement relaxées après 103 _{cycles. Les auteurs reportent aussi}

que le gradient de contraintes résiduelles de compression permet de repousser le site d'amorçage en profondeur et une corrélation a été obtenue entre la profondeur du site d'amorçage et la durée de vie en fatigue mesurée: plus le site est situé en profondeur, plus la durée de vie est améliorée [Torres et Voorwald - 2002 ; Masaki, Ochi et Matsumura - 2004].

Figure 1.35 Courbe de Wölher d'un alliage 316L traité par grenaillage ultrasonique [Roland et al. - 2006]

Concernant le grenaillage ultrasonique, Roland et al. [Roland et al. - 2006] ont montré une amélioration de la tenue en fatigue d'un acier 316L dans les domaines oligocyclique et polycyclique sous un chargement en traction/compression alterné R = -1 (Figure 1.35). La limite d'endurance est passée de 300 MPa pour le matériau non traité à 380 MPa pour celui traité par grenaillage ultrasonique (+ 21 %). Les mêmes tendances ont été obtenues en fatigue par flexion rotative sur un acier à haute limite d'élasticité [Watanabe et al. - 2003] et par flexion pure sur des alliages 316L et 310LN [Uusitalo et al. - 2009]. Dans cette dernière étude, les deux nuances métastables ont présenté de la martensite α' après le traitement de surface et la fraction a augmenté après sollicitations cycliques. Néanmoins, aucune corrélation n'a été observée entre la quantité de martensite α' et la tenue en fatigue. La martensite α' est souvent reportée pour être bénéfique durant la propagation de fissure car sa formation entraîne la création de contraintes de compression en fond de fissure, retardant la

propagation. Néanmoins, la martensite α' peut aussi être préjudiciable à la tenue en fatigue en accélérant la propagation des fissures [Topic, Tait et Allen - 2007]. Le rôle précis de la martensite α' en termes de tenue en fatigue reste encore sujet à discussion.