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

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Le travail que j’ai effectué durant ce doctorat est dédié à l’utilisation de l’ultrason des lasers sous haute pression physique. La recherche est construite en utilisant les récentes techniques de mesure de laser ultrasonique dans une enclume de diamant, conduisant à l’exploration de la propagation du son et de sa détermination suivant la vitesse de l’onde acoustique sous ultra-hautes pressions. La diffusion Brillouin a été appliquée ici pour déterminer l’épaisseur de la glace polycristalline compressée dans l’enclume à diamant sous pressions de mégabars. La technique permet d’examiner les caractéristiques des dimensions des inhomogénéités élastiques et la texture de la glace polycristalline, de ce fait ce processus est commun pour les surfaces de l’enclume à diamant avec des sous micromètres de résolution spatiale via les mesures des variations résolues dans le temps sur la vitesse de propagation du pouls acoustique voyageant dans l’échantillon compressé. Ceci a été appliqué pour mesurer la vitesse acoustique dans du H2O à l’état de glace jusqu’à 84 Gpa. La technique d’imagerie développée contient, pour chaque cristallite (ou groupe de cristallites) dans un ensemble homogène chimique transparent, des informations utiles sur son orientation ainsi que sur sa valeur élastique modulée par rapport à la direction de la propagation du son. Cela répand les bases pour une application réussite sur la déformation de solides sous haut-développement de modèles micromécaniques sous la pression à mégabars. Pour une plus longue durée, ce genre d’expériences répandus sur les minéraux de la terre et avec des températures basses ou hautes, assurerait un progrès important dans la compréhension de la construction de la cape terrestre, son évolution ainsi que celle d’autres planètes. / This PhD research work is devoted to the use of laser ultrasound in high-pressure physics. The research is done using the recently established technique of laser ultrasonic measurements in a diamond anvil cell which allows investigation of the sound propagation and determination of the acoustic wave velocities at ultrahigh pressures. Time domain Brillouin scattering was applied here to depth-profiling of polycrystalline aggregate of ice compressed in a diamond anvil cell to megabar pressures. The technique allowed examination of characteristic dimensions of elastic inhomogeneities and texturing of polycrystalline ice in the direction, normal to the diamond anvil surfaces with sub-micrometer spatial resolution via time-resolved measurements of variations in the propagation velocity of the acoustic pulse travelling in the compressed sample. It was applied to measure the acoustic velocities in H2O ice up to 84 Gpa. The developed imaging technique provides, for each crystallite (or a group of crystallites) in chemically homogeneous transparent aggregate, usable information on its orientation as well as on the value of the elastic modulus along the direction of the sound propagation. This extends the basis for a successful application of highly developed micromechanical models of solids deformation at mbar pressure. On long term, such experiments extended to earth’s minerals and high or low temperatures would insure a significant progress in understanding of convection of the earth’s mantle and thus evolution of this and other planets.