Cette étude fait partie du projet ANR DEFISURF, avec pour objectif d'identifier et de modéliser les divers effets de la surface sur la tenue en fatigue de composants forgés. Deux composants sont étudiés: une éprouvette extrudée à froid et une bielle estampée à chaud et nettoyée de sa calamine par grenaillage (shot-blasting). Pour chaque composant, différents lots sont étudiés afin de quantifier l'effet des procédés sur les caractéristiques mécaniques et sur le comportement en fatigue. Deux taux de corroyage différents sont utilisés pour l'extrusion à froid. Pour les bielles, différents grenaillages sont réalisés pour obtenir divers états de surface.Les différents lots sont caractérisés de façon approfondie et des essais de fatigue sont effectués. Des essais de fatigue en traction, torsion et flexion plane sont réalisés sur les éprouvettes extrudées. Des éprouvettes de fatigue sont prélevées dans l'âme des bielles et sollicitées en flexion plane.En extrusion à froid, les aspects les plus influents en fatigue sont la prédéformation subie lors de la mise en forme (taux de corroyage) et les contraintes résiduelles. En forgeage à chaud, ce sont les défauts de forgeage en surface et les contraintes résiduelles introduites par le grenaillage qui ont le plus d'influence.Une modélisation en fatigue est proposée pour chaque composant. Pour l'extrusion, un critère de fatigue multiaxial permet de prendre en compte les différents types de chargement ainsi que l'effet des contraintes résiduelles. Pour les bielles deux approches sont utilisées. La première est une analyse de la géométrie des défauts qui utilise un demi-ellipsoïde pour approximer leur forme. La deuxième approche est une simulation numérique par éléments finis des défauts critiques. Les contraintes résiduelles sont intégrées dans les simulations avec un critère multiaxial. Les simulations permettent de retrouver les résultats expérimentaux avec une erreur d'environ 15%. / This study is part of the DEFISURF project, with the goal of analysing and modelling the various effects of the surface on the fatigue strength of forged components. Two components are studied: a cold-extruded specimen and a connecting rod which is hot-forged and then cleaned by shot-blasting. For each component, different batches are studied in order to quantify the effects of the process on the mechanical characteristics and the fatigue behaviour. Two different reduction of sections are used for the cold-extruded specimens and shot-peening is used to obtain various surface states for the connecting rods.The various batches are thoroughly characterised and fatigue tests are performed. Traction, torsion and plane-bending tests are conducted on the cold-extruded specimens. Fatigue specimens are machined from the central part of the connecting rods and loaded in plane-bending.For cold-extrusion, the parameters with the most influence in fatigue are the prestrain induced during forging and the residual stresses. In hot-forging, the surface defects produced during forging and the residual stresses induced by the shot-blasting have the most influence.For each component, a fatigue model is suggested. For the cold-extruded specimens, a multiaxial fatigue criterion is used to take into account the various fatigue loadings and the effect of the residual stresses. Two approaches are used for the connecting rods. The first is a geometrical analysis of the defect which approximates them with an ellipsoid. The second approach uses finite element simulations of the critical defects. The shot-peening residual stresses are integrated in the simulations with a multiaxial criterion. These simulations predict the fatigue limit of the specimens with an error of around 15%.

La durée de vie en fonctionnement des pièces mécaniques peut être augmentée par la présence de contraintes résiduelles de compression. Inhérentes à la plupart des procédés de fabrication, contraintes résiduelles jouent un rôle sur la tenue en service des éléments mécaniques. La connaissance et la maîtrise de ces contraintes résiduelles et des procédés associés sont donc fondamentales. La mise en place de méthodes numériques performantes pour prédire ces contraintes résiduelles permettra à terme d'éviter de nombreux et coûteux essais et d'étudier l'influence des principaux paramètres. Cette thèse présente le développement et l'application de méthodes de calcul semi analytiques (SA) à la modélisation de procédés mécaniques de mise en compression des surfaces. Les méthodes SA, initialement développées pour la simulation des contacts élasto-plastiques, ont l'avantage de temps de calcul très significativement réduits par rapport aux méthodes numériques conventionnelles. Cette méthode est d'abord utilisée pour la simulation d'un procédé connu sous le nom de galetage, avec un chargement de type contact roulant. Enfin elle est utilisée pour la simulation d'impacts uniques puis répétés, et les développements associés présentés. Le contact roulant entre deux massifs élasto-plastiques, sans considération du frottement, est d'abord étudié. L'influence de la plasticité et du type d'écrouissage (isotrope ou cinématique), de la géométrie des massifs en contact (sphéres ou ellipsoides) et du type de chargement (indentation ou roulement) sur la pression de contact et les déformations plastique sont analysés. La simulation d'impacts est ensuite abordée. La méthode développée est tout d'abord validée numériquement, puis confrontée à l'expérience. Trois matériaux ont été plus particulièrement étudiés : 316L, AA 7010, et l'Inconel 600. Les dimensions des impacts ainsi que les déformations générées, mesurées par stéréo corrélation sont utilisées pour valider expérimentalement la méthode. Le procédé de billage ultrasonore a été tout particulièrement étudié. Dans un premier temps nous nous sommes attachés à la décrire la cinématique des billes dans une chambre fermée, mises et maintenues en mouvement par une sonotrode. L'utilisation de formules analytiques pour l'estimation des coefficients de restitution, lors des nombreux chocs entre les billes ou avec les parois de la chambre, a permis d'affiner le calcul des vitesses moyennes d'impact en fonction des paramètres du procédé. La méthode SA est ensuite utilisée pour déterminer le champ de déformations plastiques induits par les impacts. Enfin une méthode de projection est proposée pour permettre in fine la prédiction des contraintes résiduelles pour des structures fines ou épaisses. / The life time of mechanical components can be increased by the presence of compressive residual stresses. Inherent to most production processes, residual stresses play a critical role on the mechanical parts behaviour. The knowledge and mastering of residual stresses and linked processes are thus fundamental. The development of efficient numerical methods to predict these residual stresses will allow to save costly experiments and to study the influence of the main parameters. This PhD presents the development and application of semi analytical methods (SAM) to the modelling of mechanical processes of compressive residual stress generation. The SAMs, initially developed for the simulation of elasto-plastic contacts, have the advantage of significantly low computation time compared to classical numerical methods. This method is first used to simulate the low plasticity burnishing process, with a rolling loading. Then, it is used for the simulation of impacts, first unique and then repeated. The frictionless rolling contact between two elasto-plastic bodies is first studied. The influence of plasticity, of the hardening model (isotropic or kinematic), of the geometry of the bodies in contact (spheres or ellipsoids) and of the loading type (indentation or rolling) on the contact pressure and plastic strains are analysed. Impacts simulation is then addressed. The developed method is first validated numerically then confronted to experimentations. Three materials have been particularly studied: 316L, AA 7010 and Inconel 600. The impacts dimensions and the generated strains, measured by digital image correlation, are used to validate experimentally the method. The ultrasonic shotpeening process has been specifically studied. The description of the kinematics of the shots put in movement by a sonotrode in a closed peening chamber has first been studied. The use of analytical formulae for the estimation of the coefficients of restitution, during the numerous impacts between shots and with the chamber’s walls, allowed refining the calculation of the average impact velocity as a function of the process parameters. The SAM is the used to determine the plastic strain field induced by the impacts. At last a projection method is proposed to finally determine the residual stress field in thick or thin structures.

Cette thèse vise à déterminer l’influence de deux traitements mécaniques, le grenaillage SMAT effectué avec plusieurs types de billes (en WC, en alumine et en verre) et le choc laser, sur la résistance à l’oxydation haute température de deux alliages de titane : un alliage alpha commercialement « pur » (Grade 1) et un alliage aéronautique béta métastable (TIMETAL-21S).Une fois traitées, les pièces sont oxydées avec différentes conditions : de durée (entre 5 heures pour étudier les premier instants de l’oxydation et 3000h pour se rapprocher d’un essai type en aéronautique), de température (600°C à 700°C) et d’atmosphère (air sec et oxygène).Les pièces sont analysées avant et après oxydation à l’aide de plusieurs techniques d’analyses : mécaniques (dureté, mesures de contraintes), chimiques (DRX, microsonde nucléaire, …) ou structurales (EBSD, texture).Les résultats obtenus montrent que les traitements perturbent fortement les pièces avant leur exposition à haute température d’un point de vue morphologique, structural, mécanique et chimique. Ces traitements mécaniques amènent une réduction de l’oxydation des pièces étudiées. Il semble qu’ils modifient la vitesse de diffusion des espèces (azote, oxygène, aluminium, molybdène) mais aussi la microstructure (recristallisation, morphologie de grain ou texturation) au cours de la mise en température. L’azote joue un rôle essentiel dans les phénomènes observés.Néanmoins, la détermination des conséquences de ces traitements sur la résistance à l’oxydation reste encore complexe de par les observations de ce travail, qui révèlent une contribution simultanée de plusieurs facteurs : chimiques, mécaniques et structuraux. / The aim of this thesis is to determine the influence of two mechanical surface treatments, the shot- peening performed with several type of balls (WC, alumina and glass) and the laser shock peening, on the high temperature oxidation resistance of two titanium alloys : alpha alloy with commercially purity (Grade 1) and aeronautical beta metastable alloy (TIMETAL-21S).After different treatments, the pieces are oxidized with different conditions: of time (between 5 hours to study the firsts times of oxidation and 3000 hours to compare with a classical aeronautical test), of temperature (600°C to 700°C) and atmosphere (dry air or oxygen).The pieces are analyzed before and after oxidation exposure with several mechanical (micro-hardness, strain measurements), chemicals (XRD, nuclear microprobe) and structural (EBSD, texture) techniques. The results show a large surface perturbation before the high temperature exposure in term of morphological, mechanical, structural and chemical point of view.This mechanical treatments lead up to an oxidation rate reduction for all the different titanium alloys. This treatments modified the diffusion rate of several elements (nitrogen, oxygen, molybdenum or aluminum) but also the microstructure (recrystallization, grain morphology or texturing) during high temperature exposure. Nitrogen element plays an important role in the observed phenomena.However, the determination of consequences after mechanical treatment on the titanium oxidation resistance is again difficult with the observations noted in this work. Actually, there is a simultaneous contributions of several factors: chemical, mechanical and structural.

Cette thèse a pour objet la mise en évidence des interactions entre un champ de contraintes mécaniques et un champ de composition dans un processus de diffusion de matière au sein d’un solide déformable réactif. Notre travail a évolué chronologiquement de l’étude paramétrique numérique, vers la mise en ouvre expérimentale d’une démarche destinée a révéler le rôle moteur des contraintes dans la diffusion de matière.Différentes sources de contraintes mécaniques ont tout d'abord été analysées numériquement a travers leurs impacts sur le processus de diffusion d'oxygène dans un métal (Zr) ou une céramique (UO2) soumis à un environnement oxydant. Cette approche a permis entre autres : de dégager un procédé de traitement de surface (grenaillage) susceptible d'engendrer un champs de contraintes résiduelles particulier comme préalable à la mise en ouvre d'une étude expérimentale destinées à valider les conclusions numériques ; de mettre en évidence le caractère stabilisateur de la contrainte sur la morphologie ondulée d'une interface oxyde/métal (cas du Zr).Dans l'approche expérimentale, différents outils ont été exploités pour caractériser le matériau (SDL, MEB, ATG, MTI, microdureté). Ils ont permis la mise en évidence d'une influence forte de la durée de grenaillage sur le ralentissement de l'oxydation. L’analyse comparative des résultats expérimentaux et de simulations est révélatrice d’intéractions fortes entre les champs de contraintes et de composition induits par les différents traitements (grenaillage et/ou pré-oxydation) / The aim of this PhD work is to highlight the interactions between the mechanical stress and the chemical composition within diffusion of matter process for a reactive solid. The chronological evolution of our work goes from a parametric numerical study to an experimental study and reveals the role of mechanical stresses on the oxygen diffusion process.Different origins of mechanical stress were first numerically analysed from the point of view of their impacts on the process of oxygen diffusion into a metal (Zr) or a ceramic (UO2) subjected to an oxidizing environment. This approach allowed us: to identify a surface treatment (shot-peening) able to generate a residual specific stress field, as a starting point for an experimental study implementation in order to validate the numerical study conclusions; to highlight the ability of the stress field on the stabilisation of the morphology of an undulated metal/oxide interface (case of Zr).In the experimental approach, different technics were used to characterize the material (GDOS, SEM, TGA, hole-drilling method, micro-hardness tests). They permitted the detection of a strong influence of shot-peening on the oxidation rate. The comparison of experimental and numerical simulation results reveals strong interactions between stress and compositions fields induced by the different treatments (shot-peening and/or pre-oxidation)

Le grenaillage ultrason est un procédé mécanique de traitement de surfaces. Il consiste à projeter des billes à la surface de pièces métalliques, à l’aide d’un système acoustique vibrant ultrasonore. Lors du traitement, les billes sont contenues dans une enceinte spécialement conçue pour la pièce à traiter, et adoptent un comportement similaire à celui d’un gaz granulaire vibré. Le grenaillage ultrason sert à introduire des contraintes résiduelles de compression dans le matériau traité. Ces contraintes de compression sont bénéfiques pour la tenue en fatigue de la pièce et sa résistance à la corrosion sous contraintes.L’objectif des présents travaux de thèse consiste à modéliser la dynamique des billes pendant le traitement, et pour des pièces et géométries complexes. En effet, depuis son industrialisation, la mise au point du procédé se fait de manière empirique qui, avec la complexification des pièces mécaniques traitées pousse cette approche à ses limites. La mise au point peut donc s’avérer coûteuse en temps et aboutir à une solution partiellement optimisée. Ainsi, le modèle développé donne accès à une compréhension détaillée du grenaillage ultrason dans des conditions de traitement industrielles. Il constitue pour la première fois un outil d’aide à la conception des enceintes de traitement, offrant la possibilité d’une meilleure maitrise et optimisation du traitement, tout en réduisant les coûts de mise au point. La seconde contribution est de fournir aux modèles de prédiction des contraintes des données fiables et réalistes / Ultrasonic shot peening is a mechanical surface treatment process. It consists on projecting spherical shot onto a metallic surface, using an ultrasonic accoustic system. During the treatement, the shot are contained in a chamber, specially designed for the peened part, and behave similarely to a vibrated granular gas. Ultrasonic shot peening is used to introduce compressive residual stresses in the peened material. These compressive stresses help increasing the fatigue life span of the part and its resistance to stress corrosion cracking.The objectif of the present work consists on modeling the shot dynamics of the shot during the traitement, and for complex parts and geometries. Since its industrialization, the choice of the process parameters is done experimentally with trial and error. And with the ever increasing complexity of the peened parts, this approach is reaching its limits; thus becoming sometimes time consuming and providing partially optimized solutions.Therfore, the developped model gives access to a detailed understanding of ultrasonic shot peening in industrial treatment conditions. It represents for the first time a support tool for the design of peening chambers. This offers the possibility of a better control and optimization of the process, while reducing development costs. The second contribution lies in the model capacity to provide reliable and realistic input data to residual stresses prediction models

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