Précontraintes et traitements superficiels

1 - Intérêt des traitements superficiels

2 - Définition et origine des contraintes résiduelles

• 2.1 - Différents ordres de contraintes
  Figure 2 - Définition schématique des contraintes résiduelles du 1er, 2e et 3e ordres pour un matériau monophasé Figure 3 - Distributions typiques de contraintes résiduelles d’ordre 1 Figure 4 - Contraintes résiduelles d’ordre 2 dans un matériau biphasé après déformation plastique Figure 5 - Représentation schématique de déformations qui sont à l’origine des contraintes résiduelles d’ordre 3
• 2.2 - Origine des contraintes résiduelles
  Figure 6 - Modèle à trois barres Figure 7 - Origine des contraintes résiduelles. Interdépendance entre les différents états du matériau Figure 8 - Contraintes résiduelles d’origine thermique et mécanique dans les couches superficielles d’un acier rectifié Figure 9 - Schéma de la mise en compression des couches superficielles
• 2.3 - Principe des traitements de mise en précontrainte superficielle
  Tableau 1

3 - Précontraintes et traitements superficiels

• 3.1 - Traitements mécaniques superficiels
  Figure 10 - Variation du facteur multiplicatif f de la limite d’endurance (d’après Pavan) Figure 11 - Trajet de déformation élasto-plastique à champ de déformation hétérogène Figure 12 - Trajet de déformation élasto-plastique à champ de déformation homogène Figure 13 - Montage pour la détermination de l’intensité Almen Figure 14 - Éprouvette Almen (d’après norme NF L 06-832) Figure 15 - Courbe de saturation de l’éprouvette Almen Figure 16 - Schéma de la répartition des contraintes résiduelles de grenaillage sous l’effet de la pression de Hertz et d’une extension de peau Figure 17 - Schéma de principe du grenaillage Figure 18 - Influence du taux de recouvrement de grenaillage sur les contraintes résiduelles Figure 19 - Influence du diamètre des billes de grenaillage sur les contraintes résiduelles Figure 20 - Influence de la vitesse de projection de grenaillage sur les contraintes résiduelles Figure 21 - Influence de l’état métallurgique du matériau sur les contraintes résiduelles macroscopiques pour des grenaillages d’intensités Almen croissantes (d’après Hakimi) Figure 22 - Influence de l’état métallurgique du matériau sur les microdéformations pour des grenaillages d’intensités Almen croissante Figure 23 - Effet du grenaillage sur la limite d’endurance Figure 24 - Répartition des contraintes résiduelles dans le cas du sablage (d’après Badavi) Figure 25 - Comparaison du grenaillage et du martelage (d’après Coulon) Figure 26 - Comparaison de grenaillage, du martelage et du sablage (d’après Lebrun et Marie) Figure 27 - Schéma de différents types de galetage Figure 28 - Contraintes résiduelles de galetage sur une scie circulaire (d’après Hackenberg) Figure 29 - Autofrettage Figure 30 - Profils de contraintes résiduelles dans une pièce en Inconel 718 traitée par choc laser et par grenaillage Figure 31 - Profils de contraintes résiduelles dans une pièce en TA6V traitée par simple et double impulsion Figure 32 - Rectification fine (d’après Schreiber) Figure 33 - Polissage au SiC (d’après Syren) Figure 34 - Tribofinition (d’après Coulon) Tableau 2
• 3.2 - Traitements thermiques superficiels
  Figure 35 - Genèse des contraintes résiduelles d’origine thermiques lors de la trempe d’une pièce constituée d’un matériau sans transformation de phase Figure 36 - Influence des dimensions d’un cylindre plein sur le profil des contraintes résiduelles dans le cas de la trempe sans transformation de phase Figure 37 - Genèse des contraintes résiduelles d’origine métallurgique lors de la trempe d’une pièce constituée d’un matériau avec transformation de phase (ici transformation martensitique) Figure 38 - Profil de distribution des contraintes résiduelles dans un rond en fonction du diamètre Figure 39 - Trempe d’un cylindre de diamètre 100 mm d’un matériau avec transformation de phase Figure 40 - Trempe d’un cylindre de diamètre 10 mm d’un matériau avec transformation de phase Figure 41 - Durcissement superficiel par trempe après chauffage localisé Figure 42 - Position de Ac3 en fonction de la vitesse de chauffage selon la microstructure initiale Figure 43 - Profils de distribution des contraintes résiduelles et des duretés dans une dent de pignon en acier SAE 1552 après durcissement par trempe localisée après chauffage par induction  Figure 44 - Configuration pièce-faisceau lors d’un chauffage laser Figure 45 - Étapes d’un traitement de durcissement superficiel par chauffage par faisceau laser Figure 46 - Diagramme de durcissement superficiel des aciers  Figure 47 - Trempe superficielle d’une plaque après chauffage par faisceau laser Figure 48 - Trempe superficielle d’une plaque après chauffage par faisceau d’électrons Figure 49 - Schéma simplifié du traitement de cémentation - trempe des aciers Figure 50 - Diagramme TRC « composite » d’une couche cémentée Figure 51 - Profils de dureté d’une couche cémentée d’une pièce en acier 16NiCrMo13, après trempe Figure 52 - Position du point MS dans une couche cémentée Figure 53 - Contraintes résiduelles dans une couche cémentée et trempée Figure 54 - « Perturbation » du profil des contraintes résiduelles dans la couche traitée due aux conséquences d’une oxydation superficielle Figure 55 - Étapes d’une cémentation basse pression Figure 56 - Détermination de la profondeur conventionnelle de nitruration Figure 57 - Variation relative de volume selon la nature du nitrure formé (d’après Mittenmeijer) Figure 58 - Contraintes résiduelles après nitruration gazeuse Figure 59 - Schéma de la couche de nitruration et notations
• 3.3 - Traitements combinés
  Figure 60 - Influence du grenaillage après cémentation et trempe sur les contraintes résiduelles d’échantillons d’acier de nuance 16MnCr5 Figure 61 - Influence du grenaillage après cémentation et trempe sur la limite d’endurance d’échantillons d’acier de nuance 16MnCr5
• 3.4 - Rôles des précontraintes
  Figure 62 - Diagramme de Goodmann. Aspect initial Figure 63 - Résistance à la fatigue de joints soudés et grenaillés (d’après Picouet) Figure 64 - Influence des contraintes résiduelles macroscopique et microscopique sur la limite d’endurance en fonction de la dureté (d’après Evans et al.) Figure 65 - Critère de Crossland. Aspect multiaxial Figure 66 - Schéma des effets des précontraintes et du durcissement Tableau 3

4 - Relaxation et stabilité des contraintes résiduelles

Tableau 4

• 4.1 - Relaxation d’origine thermique
  Figure 68 - Relaxation thermique des contraintes résiduelles du grenaillage Figure 69 - Contraintes résiduelles de grenaillage après relaxation thermique
• 4.2 - Relaxation d’origine mécanique
  Figure 70 - Relaxation mécanique par déformation plastique uniaxiale des contraintes résiduelles de grenaillage Figure 71 - Relaxation mécanique par déformation plastique uniaxiale des contraintes résiduelles de trempe Figure 72 - Schéma de relaxation macroscopique des contraintes résiduelles par déformation plastique Figure 73 - Effondrement des contraintes résiduelles de grenaillage sous sollicitation cyclique Figure 74 - Relaxation mécanique par fatigue des contraintes résiduelles de grenaillage Figure 75 - Relaxation mécanique par fatigue oligocyclique des contraintes résiduelles et évolution des microdéformations de grenaillage (d’après Bonnafé) Figure 76 - Évolution des contraintes résiduelles de grenaillage sous sollicitation de traction répétée
• 4.3 - Essai de généralisation
  Figure 77 - Synoptique du calcul des contraintes résiduelles pour certains traitements thermiques superficiels Tableau 5

5 - Détermination des contraintes résiduelles dans les couches superficielles

• 5.1 - Méthodes de calcul
• 5.2 - Méthodes expérimentales
  Figure 78 - Principe des méthodes de mesure des contraintes résiduelles sur pièces Figure 79 - Déplacement d’un pic de diffraction entre un état non déformé et un état déformé Figure 80 - Montage ω utilisé en extensométrie diffractométrique Figure 81 - Montage ω : détail des conditions de diffraction pour deux orientations différentes Figure 82 - Référentiel de calcul des déformations en extensométrie diffractométrique Figure 83 - Représentation de la droite des sin2 ψ (cas d’une pièce grenaillée) Figure 84 - Ellipse des sin2 ψ (cas d’une pièce rectifiée)

6 - Conclusions