<div>Magnesium alloys are regarded as the most promising structure materials in transportation and aerospace fields because of their low densities and high specific strengths. However, the unsatisfactory mechanical performance and corrosion resistance restrict their applications. Grain refinement is an effective way to improve the mechanical properties and widen the applications. Among which, ultrasonic shot peening shows a great potential in producing refined grains or even nanocrystalline. A nanocrystalline forms at the surface after ultrasonic shot peening treatment. The formed nanocrystalline has been proved to dramatically affect the mechanical properties, such as hardness, mechanical stress, wear resistance and fatigue life. </div><div><br></div><div> </div><div>In this dissertation, the microstructure evolution of AZ31 Mg alloy after the ultrasonic shot peening as well as its effect on the mechanical properties are investigated. The grain size, the twin structure, the surface roughness and the residual stress distribution after ultrasonic shot peening are characterized. A gradient nanostructure is achieved through ultrasonic shot peening and the thickness of this gradient nanostructure increases with prolonging the treated time. The grains at the top surface after 5 min treatment is refined to 45 nm and further refined to 42 nm for 10 min and 37nm for 15 min treatment from the XRD result. A lamellar nanocrystaline is below the top surface and a lot of tensile twins are found at the heavily deformed grains below the nanocrystalline layer. Below the twinned layer, a residual stress is distributed as deep as 400 $\mu$m in the matrix. A rough surface is obtained and the surface roughness of the 5 min treated sample was 5.934 $\mu$m, increased to 6.161 $\mu$m for10 min and 6.236 $\mu$m for 15 min. The nanocrystalline leads to the improvement of the microhardness, from 65 HV of the as-received to 123 HV, 127 HV and 145 HV for 5 min, 10 min and 15 min treatment, respectively. The tensile stress and compression stress are also improved remarkably. The yield stress is increased from 127.7 MPa of as-received to 198 MPa of 10 min treated sample and the compression stress is improved from 73 MPa to 100 MPa. The improved yield stress is attributed to the grain refinement and the work hardening of the nanocrystalline. </div><div><br></div><div> </div><div> </div><div>The wear resistance of AZ31 Mg alloy is improved greatly after ultrasonic shot peening process. The coefficient of friction and the wear rate of the ultrasonic shot peening treated sample are both lower than that of as-received. The width of the wear track of ultrasonic shot peening treated is also narrower than that of as-received, and the worn surface has a lower surface roughness. In as-received samples, abrasion and oxidation dominate the wear mechanism at low sliding speed and low applied load. The increase of sliding speed or applied load resulted in the delamination. Severe wear such as thermal softening happens with the further increase of load value or sliding speed. In ultrasonic shot peening treated samples, oxidation, the abrasion and delamination are also existing while no severe wear is found. The improved wear resistance of the ultrasonic shot peened sample is due to the improved hardness and a higher activity of oxidation during wear process. The nanocrystalline on the top surface leads to the the transition boundary between the mild wear and severe wear to a higher sliding speed and higher applied load. </div><div><br></div><div><br></div><div>The corrosion resistance of AZ31 Mg alloy before and after ultrasonic shot peening is tested in 3.5 $\%$ NaCl solution. The corrosion resistance after ultrasonic shot peening is reduced greatly because of the Fe particles at the top surface, which was exfoliated from the shot during the treating process. After a 40 $\mu$m thick polishing, Fe particles are removed totally and the corrosion resistance is improved, compared with that of as-received. The anodic current density of the nanocrystallized surface after polishing is reduced because of the compression residual stress and a rapid formation of protective layer. Meanwhile, the grain boundary acts as a physical barrier for corrosion and reduces the corrosion rate. </div><div><br></div><div><br></div><div>The bending behavior of AZ31 Mg alloy before and after ultrasonic shot peening is studied by a V-bending test. The ultrasonic shot peening treated sample has a similar bending performance even though the ductility has been reduced after ultrasonic shot peening. A single side ultrasonic shot peening (either at the inner side or the outer side) changed the bending behavior because of its asymmetric structure. The ultrasonic shot peening at the inner side for 5 min improves the bendability and longer treated, such as 10 min and 15 min degenerates the bendability to as-received. The improved bendability of 5 min treated sample is due to the drawing back of the neutral layer. The ultrasonic shot peening at the outer side for 5 min also improves the bending performance and a longer treatment of 15 min further enhanced the bendability. The improved bendability after outer side treatment is due to the high yield stress of nanocrystalline at the convex, resulting in the smaller strain here. </div>

Lors de la réparation d’un défaut, le processus consiste à éliminer la matière dans la zone englobant le défaut, puis à recharger cet affouillement par un dépôt de cordons de soudure, afin de remettre en conformité la pièce en vérifiant les critères de conception. Pourtant la zone rechargée constitue en elle-même un site sensible où le niveau des contraintes résiduelles peut être préjudiciable de par son importance, notamment localement, s’il porte des contraintes de traction. Les risques de récidive d’endommagement pourraient être réduits par certains procédés de parachèvement. Ces procédés permettent de générer une zone de compression en peau externe et en sous couche de la pièce traitée. Par conséquent, la durée de vie d’une pièce ainsi parachevée pourrait être augmentée. Parmi les procédés existants, nous nous intéresserons dans cette étude à la mise en compression par billage ultrasonore. L’objectif de cette contribution est de prédire le niveau des contraintes résiduelles induites par le billage sur une pièce rechargée par soudage multi-passes. Pour mener à bien cet objectif, une étude expérimentale du billage a été réalisée sur des éprouvettes minces et épaisses afin d’identifier les paramètres influents et de disposer d’une base de résultats expérimentaux – comme par exemple la répartition quantitative des contraintes résiduelles dans la matière traitée – à confronter à la simulation. L’originalité de ce travail est de mettre en œuvre, en termes d’évaluation, une modélisation tridimensionnelle représentant correctement les phénomènes locaux et basée sur un modèle semi-analytique. Ce modèle numérique présente l’avantage de temps de calcul considérablement réduits par rapport aux méthodes éléments finis plus conventionnelles, sans pour autant sacrifier à la qualité des résultats. Pour cette application, ce modèle semi-analytique a été validé par des benchmarks aux éléments finis dans le cas de mono et multi impacts. Puis cette approche prédictive a été validée par l’expérience. Enfin, une simulation numérique du soudage a été réalisée afin de disposer d’un champ de contraintes résiduelles de soudage. Les résultats des calculs, obtenus par chaînage de simulations numériques des procédés de soudage puis de billage, ont ensuite été confrontés aux grandeurs mesurées sur des éprouvettes initialement précontraintes par flexions alternées puis billées selon des paramètres du processus identifiés antérieurement. L’état précontraint (qu’il provienne de la thermique du soudage ou de l’écrouissage de flexion alternée) a été introduit en données d’entrée, en tant que pré-chargement, dans le modèle numérique simulant les impacts. / During a repair welding process, the first step is to remove the material in the defected area, then refill this chamfer by welding rods. Since, the nickel based alloy, such as IN600, is sensitive to the phenomenon of stress-corrosion cracking, it must be ensured that the level of residual stress after welding is lower than the triggering threshold of stress-corrosion cracking. At this stage, the ultrasonic shot peening (USP) process can be used as the final finishing step. The aim is to introduce compressive residual stresses on the surface of the welded area in order to prevent occurrence of cracking. The objective of this study is to predict the level of residual stresses, induced by the ultrasonic shot peening, on structure made of IN600 repaired by multipass welding. To achieve this objective, an experimental study of the ultrasonic shot peening was carried out. Experiments similar to the “Almen” test were performed on thin and thick specimens. Influential parameters were identified. Experimental results, such as the level of residual stresses, were obtained. The originality of this work is that a three-dimensional modeling of multiple impacts, based on a Semi-Analytical Method (SAM), was implemented. This method can reduce significantly the computing time compared to finite element method, without sacrificing the quality of results. This was first validated by benchmarks for both single and multiple impacts, then proved by experiments. Moreover, a numerical simulation of welding was performed. The field of welding residual stresses should be used as the input data for the impact model. In fact, in this study，the residual state，was generated by alternatif bending test. These specimens were then treated by USP process with the parameters identified previously. As the final step, numerical results in terms of distortions and residual stresses were compared with the experimental data in order to validate the chaining of welding and peening simulation.

Additive Manufacturing, and specifically powder bed fusion processes, have advanced rapidly in recent years. Selective Laser Melting in particular has been adopted in a variety of industries from biomedical to aerospace because of its capability to produce complex components with numerous alloys, including stainless steels, nickel superalloys, and titanium alloys. Post-processing is required to treat or solve metallurgical issues such as porosity, residual stresses, and surface roughness. Because of the geometric complexity of SLM produced parts, the reduction of surface roughness with conventional processing has proven especially challenging. In this Thesis, two processes, abrasive flow machining and ultrasonic shot peening, are evaluated as surface finishing processes for selective laser melted 316L. Results of these experiments indicate that AFM can reliably polish as-built internal passages to 1 µm Ra or better but is unsuitable for passages with rapidly expanding or contracting cross-sections. AFM can also polish relatively small passages, but lattice components may prove too complex for effective processing. USP cannot achieve such low surface roughness, but it is a versatile process with multiple advantages. Exterior surfaces were consistently processed to 1.7 to 2.5 µm Ra. Interior surfaces experienced only partial processing and demonstrated high geometric dependence. USP significantly hardened the surface, but steel media hardened the surface better than ceramic media did. Both AFM and USP are recommended processes for the surface finishing of SLM manufactured parts. Good engineering judgement is necessary to determine when to use these processes and how to design for post-processing.

De nos jours, il est crucial pour les industries de réduire leur consommation énergétique. Pour les industries du transport, cela peut se faire par le biais de l’allègement des pièces de structure. Dans ce contexte, les structures cellulaires représentent une des solutions les plus prometteuses. Grâce au développement de la fabrication additive, l’élaboration de telles géométries complexes n’est plus un frein à leur utilisation. Néanmoins, cette dernière restera limitée tant que les propriétés mécaniques – et plus particulièrement la résistance en fatigue pour les pièces aéronautiques – ne seront pas maîtrisées. Ce travail de thèse a pour objectif de déterminer les mécanismes qui gouvernent le comportement en fatigue de ces structures cellulaires. Pour cela, le travail s’est focalisé sur l’élement unitaire les constituant : la poutre. Des éprouvettes minces représentatives de la poutre ont été élaborées par Electron Beam Melting puis caractérisées à l’état brut de fabrication à l’aide de différentes techniques (tomographie aux rayons X, microscopie optique et électronique, …). Leurs propriétés statique et cyclique en traction ont ensuite été évaluées. L’état de surface et en particulier les défauts d’entaille ont été identifiés comme responsable de la perte de résistance. L’impact de ces défauts sur la résistance en fatigue a été prédit avec succès par le biais de diagrammes de Kitagawa. L’impact de l’orientation de fabrication a également été observé et prédit. Différents post-traitements ont ensuite été utilisés afin d’améliorer ces propriétés. Le polissage chimique et le grenaillage ultrasonique ont réduit de manière significative la criticité des défauts de surface ce qui a grandement amélioré les propriétés mécaniques des éprouvettes, jusqu’à se rapprocher de celles obtenues après usinage. Par ailleurs, la compression isostatique à chaud a provoqué la fermeture de l’entièreté des défauts internes ainsi qu’un grossissement de la microstructure. Ce dernier point permet une amélioration supplémentaire de la performance en fatigue une fois combiné avec un traitement de surface. Enfin, une méthode permettant de détecter automatiquement tous les défauts d’entailles et de déterminer leur criticité et leur influence sur la résistance en fatigue a été proposée et discutée. Elle a ensuite été appliquée avec succès aux échantillons attaqués chimiquement mais des modifications demeurent nécessaire pour l’appliquer à d’autres états de surface. / Nowadays, reducing the energy consumption is crucial for most of the industries. For transportation industries, it can be achieved through weight reduction. In this context, cellular structures turn out to be one of the most efficient solution. Thanks to the development of additive manufacturing, producing such complex geometries is no longer an issue. However, their use will remain limited as long as their fatigue performances are not known. This PhD work aimed at understanding the mechanisms that govern the fatigue behaviour of such cellular structures. It was first decided to focus on their unitary element, i.e. a single strut. Single struts samples were manufactured by Electron Beam Melting and then characterized in as-built conditions using different experimental techniques (X-ray tomography, optical and electron microscopy, etc.). Their static and cyclic tensile properties were then evaluated. The rough surface and in particular notch-like defects were found to be responsible for the knockdown of the mechanical properties. Regarding the fatigue resistance, their detrimental impact was predicted using Kitagawa diagrams. It also enabled to explain the impact of the build orientation. Different post-treatments were used in order to improve these mechanical properties. Chemical etching and ultrasonic shot peening (USP) significantly reduced the severity of surface defects of as-built thin struts and thus increased their mechanical properties. After USP, the fatigue properties of machined samples were almost matched. Hot Isostatic Pressing lead to the closure of all internal defects and to the coarsening of the microstructure. When combined with one of the surface treatments, the fatigue properties were further improved. Finally, a method enabling to systematically and automatically extract from the surface the most critical defects and quantitatively analyze their influence on fatigue life was proposed and discussed. It was successfully applied to chemical etched samples but improvements are mandatory for other surface conditions.

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 métastable 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 détailler l'influence des paramètres de traitement sur le durcissement de sous-couche par une étude 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 l'épaisseur [...] / The surface of mechanical components is a sensitive zone subjected to particular mechanical (friction, maximum stress) and chemical (ambient atmosphere, corrosion) interactions. Hence, the rupture is generally initiated on the surface. In order to increase the global integrity of the working parts, the industrial groups are still seeking technological solutions allowing the modifications of the surface properties. Nodaway, plenty of surface modification techniques have been developed like the mechanical surface treatments. Among them, the ultrasonic shot peening (or surface mechanical attrition treatment) focus on superficially deform the mechanical parts through numerous collisions of peening medias having random trajectories inside a confined chamber. The purpose of this study is based on the analysis and the comprehension of the deformed microstructures induced by the ultrasonic shot peening treatment, especially under cryogenic temperatures. To do so, several austenitic stainless steel grades having different stabilities regarding the martensitic transformation have been treated under cryogenic conditions and compared to the properties obtained under room temperature. The first observations have shown that, after a cryogenic peening, a decrease of the subsurface hardness takes place in the stable 310S alloy which was attributed to an increase of the mechanical properties under cryogenic temperature. This phenomenon is suppressed in the metastable 304L by triggering a martensitic phase transformation promoted under low temperature and happening deeper compared to room temperature, increasing substantially the subsurface hardness. Two metastable alloys (304L and 316L) were then selected to conduct an ultrasonic shot peening parametric study including the vibration amplitude (40 and 60 µm), the treatment duration (3 and 20 min) and temperature (room temperature, -80 and -130 °C). It has been shown that increasing the treatment energy by raising the vibration amplitude and/or the duration leads to an increase of the surface and subsurface hardnesses as well as the affected layer thickness. The use of cryogenic temperatures allows an additional increase of the hardness, especially in subsurface. By comparing the different hardness gradients with the martensite distributions along the hardened layers, a direct correlation with the hardening rate and the martensite fraction was observed. The initial stability of the treated material was also taken in account by carried out additional observations on the 316L having a higher stability. The results have indicated that the deformation temperature needs to be wisely chosen regarding the stability of the processed material in order to avoid a decrease of the subsurface hardness. Finally, the deformed microstructures generated under cryogenic ultrasonic shot peening were associated to the mechanical behaviors of cylindrical specimens using rotating bending fatigue tests. Compared to a room temperature treatment, a cryogenic peening allows a decrease of the surface roughness and the generation of higher surface compressive residual stresses by the formation of martensite. However, compared to a room temperature treatment, the fatigue behavior was not increased after a cryogenic peening because of a more pronounced surface residual stress relaxation and a reduction of the affected layer. However, the potential increase of the fatigue life after a cryogenic surface deformation was depicted by the study of the rupture surfaces. It was observed that, if the involvement of the surface defects introduced by the high surface roughness can be lowered, a single subsurface crack initiation can be produced increasing considerably the fatigue behavior of the processed material

Des travaux scientifiques récents ont ouvert de nouveaux champs d’application aux traitements mécaniques tels que le grenaillage. Il a été montré que de tels traitements, réalisés avant un traitement de nitruration à la surface d’alliage ferreux, permettaient d’abaisser les températures de traitement et d’augmenter significativement les cinétiques de diffusion. Nous avons entrepris de tester les performances de cette combinaison de traitements mécanique et thermochimique sur des aciers inoxydables et des alliages à base nickel austénitiques. Des essais ont été réalisés à partir d’une technique de grenaillage mécanique appelée « Surface Mechanical Attrition Treatment » (SMAT). Des billes en métal ou en céramique sont introduites dans l’enceinte et mises en mouvement par la sonotrode. Les billes percutent et introduisent donc une déformation plastique à la surface des échantillons. Après cette étape, les échantillons subissent un traitement thermochimique de nitruration assisté plasma. La comparaison des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons traités mécaniquement avec ceux n’ayant pas été pré-traités mécaniquement a permis de quantifier les effets des traitements combinés. Les analyses par diffraction des rayons X, les mesures de microdureté, les observations au microscope optique/électronique à balayage/électronique en transmission, les analyses de texture par EBSD (Electron BackScatered Diffraction) et la mesure des profils de concentration en azote par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) et SDL (Spectroscopie à Décharge Luminescente) ont montré l’importance de la nature de la couche transformée mécaniquement sur la diffusion de l’azote / Recent scientific work has opened new fields of application to mechanical treatments such as shot blasting or peening. Indeed, it has been shown that this treatment, performed before a nitriding treatment on the surface of ferrous alloy, lowers processing temperatures and significantly increases the diffusion kinetics. We undertook to test this combination of mechanical and thermochemical treatments on stainless steels and nickel-based alloys. The mechanical treatments were done by Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT). This method is implemented in a box where metal or ceramic balls were introduced and set in motion by an ultrasound system in order to impact the surface of the pieces. The treated samples were then nitrided at low temperature by using a remote plasma. The comparison of the results obtained after nitriding treatments on mechanically treated samples and those not mechanically treated allows quantifying the effects of the combined treatments. Analyses by X-ray diffraction, microhardness measurement, observations by optical and scanning and transmission electron microscopy, texture analysis by EBSD (Electron Diffraction BackScatered) and measurement of nitrogen concentration profiles by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) show the importance of the nature of the deformed layer