Influence du grenaillage ultrasonique en température sur la microstructure, la fatigue et la corrosion d’un acier inoxydable austénitique 316L

Résumé

La surface des pièces mécaniques constitue une zone critique, soumise à des sollicitations mécaniques et chimiques susceptibles d’engendrer des défaillances. Pour renforcer leur tenue en service, diverses stratégies d’amélioration des propriétés de surface ont été développées. Parmi elles, les traitements mécaniques de surface modifient les caractéristiques superficielles tout en préservant les propriétés du matériau en coeur. Le grenaillage ultrasonique, procédé de déformation plastique sévère, introduit des gradients de microstructure et de propriétés (dureté, contraintes résiduelles) via des impacts aléatoires de billes. Toutefois, son efficacité est limitée dans le cas de matériaux difficiles à déformer, au risque de surtraitement. L’introduction de la température comme paramètre de traitement permet de réduire la limite d’écoulement du matériau et de faciliter sa déformation, tout en ouvrant la voie à la formation de microstructures inaccessibles à température ambiante. Cette étude porte sur l’analyse des microstructures de déformation induites par grenaillage ultrasonique à différentes températures sur un acier inoxydable austénitique 316L. Il a été démontré que la température de traitement contrôle la nature et la profondeur du gradient de microstructure et de propriétés, en modifiant les mécanismes de déformation activés. À température cryogénique, la déformation est dominée par l’effet TRIP ("TRansformation Induced Plasticity"), avec formation de martensite induite par la déformation et assistée par la contrainte. À température ambiante et jusqu’à 250°C, l’effet TWIP ("TWinning Induced Plasticity") prédomine, tandis qu’à 500°C, le glissement des dislocations et la recristallisation dynamique conduisent à la formation d’une couche ultrafine en surface. L’étude du comportement en fatigue par flexion rotative quatre points montre que le grenaillage à chaud, bien qu’engendrant une rugosité plus élevée et des contraintes résiduelles de compression plus faibles en surface, permet d’augmenter la limite d’endurance d’environ 15% par rapport aux traitements réalisés à plus basse température. Cette amélioration est attribuée à une relaxation réduite des contraintes résiduelles sous sollicitations cycliques, grâce à la stabilisation des dislocations dans une microstructure restaurée. La plus grande profondeur du gradient de dureté ainsi que la réduction du pic de contrainte en sous-couche jouent également un rôle clé. En revanche, le grenaillage ultrasonique à chaud induit une contamination de surface accrue, liée à un transfert de matière des billes de grenaillage et à une oxydation intensive des échantillons. Cette contamination, hétérogène en surface et en sous-couche, entraîne une dégradation notable des propriétés de corrosion de l’acier 316L.

Date	1 déc. 2025
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Philippe Bocher (Directeur(-trice)), Thierry Grosdidier (Codirecteur(-trice)) & Marc Novelli (Codirecteur(-trice))