Étude des microstructures de déformation induites par grenaillage ultrasonique en conditions cryogéniques d'aciers inoxydables austénitiques : effet sur les propriétés en fatigue

Résumé

La surface des pièces mécaniques est une zone sensible soumise à des conditions de sollicitations particulières, tant mécaniquement (frottement, contrainte maximale) que chimiquement (atmosphère ambiante, corrosion). Ainsi, la ruine des pièces de service est généralement initiée en surface; les grands secteurs industriels sont donc à la recherche de solutions technologiques permettant une amélioration des propriétés mécaniques globales par une modification des propriétés de surface. De nombreuses techniques ont été développées dans ce but, notamment les traitements de surface mécaniques. Parmi ceux-ci, le grenaillage ultrasonique permet de déformer sévèrement et superficiellement les pièces par de nombreux impacts de billes ayant des trajectoires aléatoires au sein de la chambre de traitement. Le propos de cette étude repose sur l'analyse et la compréhension des microstructures de déformation induites par un traitement de grenaillage ultrasonique, particulièrement sous conditions cryogéniques; sujet très peu exploré à ce jour voir nouveau concernant i) des métaux susceptibles de subir une transformation martensitique et ii) l'influence d'un tel traitement sur la tenue en fatigue cyclique. Pour ce faire, plusieurs nuances d'aciers inoxydables austénitiques présentant des stabilités différentes vis-à-vis de la transformation de phase ont été traitées à très basses températures et les propriétés obtenues ont été comparées à celles mesurées sur les échantillons traités à température ambiante. Les premières observations ont montré que, suite à un traitement sous condition cryogénique (-130 °C), une baisse de dureté intervient en sous-couche de l'alliage 310S stable, associée à une hausse des propriétés mécaniques sous basse température rendant le matériau plus difficile à écrouir. Ce phénomène est complètement supprimé au sein de l'alliage metastable 304L par une transformation martensitique facilitée, intervenant plus profondément qu'à température ambiante et entrainant une augmentation de la dureté de sous-couche. Deux alliages métastables (304L et 316L) ont donc été sélectionnés afin de detailer l'influence des paramètres de traitement sur le durcissement de sous-couche par une etude paramétrique comprenant l'amplitude de vibration (40 et 60 μm), la durée (3 et 20 min) ainsi que la température de traitement (ambiante, -80 et -130 °C). Il en ressort qu'augmenter l'énergie de traitent par une hausse de l'amplitude et/ou de la durée de grenaillage entraine une augmentation des duretés de surface et de sous-couche, accompagnée par la production de couches durcies plus épaisses. L'utilisation de températures cryogéniques permet une augmentation du potentiel de durcissement, et ce principalement en sous-couche. En associant les gradients de dureté aux distributions de martensite le long des épaisseurs affectées, il a été montré que la fraction de martensite était directement liée au potentielle de durcissement en profondeur. La fraction de martensite produite étant dépendante de la température de déformation et, afin de prendre en compte la stabilité initiale de l'alliage comme paramètre additionnel, des mesures complémentaires ont été faites sur l'alliage 316L plus stable. Les résultats ont alors montré qu'il est primordial d'adapter la température de traitement à la stabilité de l'échantillon afin d'optimiser l'efficacité du durcissement de sous-couche et éviter ainsi une baisse de la dureté en profondeur. Finalement, les structures de déformation obtenues sous condition cryogénique ont été reliées à la tenue mécanique sous sollicitations cycliques en flexion rotative. Comparé à un traitement réalisé à température ambiante, un grenaillage cryogénique permet une baisse la rugosité de surface et la production de contraintes résiduelles de compression plus élevées par la présence de martensite. Cependant, une plus grande relaxation de ces dernières associée à une réduction de la l'épaisseur durcie suite à traitement cryogénique n'ont pas permis d'augmenter la résistance à la fatigue en comparaison des éprouvettes traitées à température ambiante. Néanmoins, le potentiel d'un grenaillage ultrasonique sur l'amélioration de la tenue en fatigue à été mis en avant par l'étude des faciès de rupture. Un échantillon traité cryogéniquement et ayant présenté une faible durée de vie a montré un faciès de rupture comprenant de multiples amorces de fissures toutes localisées en surface. Comparativement, un seul site d'amorçage localisé en sous-couche a été observé sur une éprouvette ayant une durée de vie plus importante qu'un échantillon traité sous temperature ambiante. Ainsi, si l'implication des défauts de surface peut être limitée en diminuant d'avantage la rugosité de surface par une prolongation de la durée de traitement sous température cryogénique, l'amorce d'une fissure peut être repoussée en sous-couche prolongeant considérablement la durée de vie du matériau sollicité.

Date	7 déc. 2017
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Philippe Bocher (Directeur(-trice)) & Thierry Grosdidier (Codirecteur(-trice))