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Étude des effets du martelage répétitif sur les contraintes résiduelles

Hacini, Lyès (2009). Étude des effets du martelage répétitif sur les contraintes résiduelles. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fabrication mécanosoudée des composants de grandes dimensions engendre des contraintes résiduelles. Ces contraintes provoquent des fissurations prématurées et un raccourcissement de la durée de vie des composants. Dans ce contexte, l'institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ) a développé la technique de relaxation des contraintes résiduelles par martelage robotisé. Cette technique consiste à réaliser des impacts répétés pour déformer plastiquement la surface du composant traité. Cela induit des contraintes de compression et augmente la dureté des zones traitées, ce qui réduit les risques de fissuration, et améliore le comportement en fatigue des composants ainsi traités. Cette étude comporte trois volets. Les deux premiers sont consacrés à la partie expérimentale du projet, alors que le troisième présente les résultats numériques obtenus.

Dans la première partie, une approche originale est utilisée. Elle consiste à évaluer les effets des impacts unitaires répétés sur le champ de contraintes développé dans trois plaques vierges (ne contenant pas de contraintes résiduelles) d'acier inoxydable austénitique 304L et sur frois plaques du même acier contenant des confraintes résiduelles initiales induites par une torche de soudure. Une machine à impact initialement conçue pour les essais de résilience a été modifiée afin de réaliser des impacts unitaires. Trois niveaux d'énergie ont été utilisés afin d'étudier l'effet de l'énergie d'impact sur les contraintes induites ou relaxées. Dans les plaques vierges, le martelage a induit de la compression. Dans les plaques préinduites de contraintes résiduelles en compression, le martelage a relaxé ces contraintes ou les a remplacées par des contraintes de compression. Il est trouvé que l'augmentation de l'énergie du marteau a amélioré l'efficacité du martelage, et que les trois à quatre premiers coups de marteau sont les plus efficaces. Plusieurs effets du martelage ont été explorés : son influence sur la dureté des surfaces fraitées ainsi que le risque d'initier des fissures dans les zones martelées.

Dans la deuxième partie de ce projet, le martelage est appliqué grâce au robot SCOMPI. Les contraintes résiduelles induites et relaxées par martelage sont ensuite mesurées par la méthode des contours, qui a été adaptée à cet effet. Le martelage robotisé a d'abord été utilisé pour induire des contraintes résiduelles de compression dans des échantillons d'acier 304L ; de I à 9 couches de martelage ont été appliquées et les contraintes résiduelles ont été ensuite évaluées par la méthode des contours. La capacité du martelage à relaxer les contraintes résiduelles de tension a été ensuite étudiée, cela en l'appliquant sur des plaques d'acier 304L soudées avec de l'acier 308 (pour induire des contraintes de tension). Ces essais ont prouvé que le martelage est une technique de relaxation efficace et capable d'induire de la compression à une profondeur de plusieurs millimètres. Certains paramètres du procédé ontété optimisés tel que le nombre optimal de couches de martelage à appliquer, cela pour réduire la durée du traitement tout en maximisant l'intensité des contraintes compressives induites.

Dans la troisième partie, le procédé de martelage est modélisé par la méthode des éléments finis, cela pour prédire le développement, l'amplitude et la distribution des confraintes résiduelles induites à l'intérieur des pièces traitées. Un modèle axisymétrique développé grâce au logiciel ANSYS permet de simuler des impacts répétés d'un marteau élastique sur une plaque ayant un comportement élastoplastique. Plusieurs non-linéarités sont prises en compte par ce modèle : les grandes déformations, la plasticité et le contact. Aussi, une approche nouvelle concernant l'évaluation de l'énergie fournie lors des impacts est utilisée; elle s'appuie sur la détermination du ratio enfre les énergies dynamique et statique nécessaires pour réaliser des impacts similaires. Une hypothèse est nécessaire dans ce cas-là : un impact dynamique est identique à un impact statique si les deux laissent la même empreinte de marteau. Les résultats de ce modèle sont comparés à ceux obtenus dans la première partie : ils démontrent que le modèle représente bien le procédé.

Titre traduit

Study of hammer peening effect on residual stresses

Résumé traduit

Welded components suffer from high tensile residual stresses close to the weld beads. These stresses are the cause of premature cracking which could resuit in a catastrophic rupture during operation and a reduction of fatigue life of these components. In this context, Research Institute of Hydro-Québec (IREQ) developed a technique of residual stresses relaxation by robotized hammer peening in which a hammer is blasted several times on a surface of a metal workpiece. This treatment leads to an improvement of fatigue resistance due to induced compressive residual stresses and also to an increase of the surface hardness associated with the cold working effect.

Our study is divided into three sections: the first and second ones present the experimental aspect of this project, while the third one presents the finite elements FE model developed to simulate hammer peening.

In the first section, a new approach is followed to evaluate residual stress relaxation by hammer peening. It consists of evaluating the effect of each hammer blow on the residual stresses field under the treated surfaces. An impact machine was used for hammering and generating unitary impacts at the same location. 304L steel plates were tested under 10- impacts with various energy levels. Both initial stress free plates and plates with residual stresses were tested. It was found that in initial stress free plates, hammer peening introduces compressive residual stresses. In plates with initial tensile residual stresses, hammer peening either released them or turned them into compression. It was found that increasing energy improves the hammer peening efficiency and that the first three or four hammer blows were the most effective. Microscopic observations of samples from the tested plates did not reveal cracks on the treated surfaces.

In the second section, robotized hammer peening was used to induce compressive residual stresses on initially stress free samples of austenitic stainless steel 304L. Hammer peening layers from 1 to 9 were performed and the resulting residual sfresses were evaluated using the contour technique. The ability of hammer peening to relax residual stresses within welded plates was then quantified thanks to austenitic stainless steel 304L plates welded with a 308 steel and hammer peened. These tests show the efficiency of hammer peening as a method to relax tensile residual stresses and induce compressive ones to a depth of a few millimetres. Process parameters such as the number of hammer peening layers to be applied were optimized to reduce processing time while maximizing the intensity and spatial distribution of the compressive residual stresses.

In the third section of this project, the hammer peening process is simulated using the finite element (FE) method in order to predict the development, magnitude and distribution of the residual stresses in function of energy level and number of hammer blows. An axisymmetric model developed with ANSYS is used to simulate repeated impacts of an elastic hammer against an elastoplastic plate. The following nonlinearities are taken into account: large deflections, plasticity and contact. FE results are compared to the first section results and show good agreement.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr : f. [141]-147.
Mots-clés libres: Contraintes résiduelles. Contraintes résiduelles Modèles mathématiques. Contraintes résiduelles Simulation, Méthodes de. 304l, acier, composant, contour, martelage, plaque, technique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Lê, Van Ngan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 12 août 2010 20:09
Dernière modification: 06 janv. 2017 00:58
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/53

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