X-ray diffraction for residual stress and cold work measurements of shot peened materials

Delbergue, Dorian (2020). X-ray diffraction for residual stress and cold work measurements of shot peened materials. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Fatigue performance of aerospace components can be improved to some extend by surface treatment like shot peening. Shot peening is a cold work process consisting in impinging particles at high velocity onto the surface of metallic parts. The process induces a surface layer of compressive residual stresses and cold work. Shot peening is often considered as a beneficial surface treatment for fatigue life performance but is rarely taken into account at design stages. To this end, a precise measurement of the induced residual stress and cold work is needed. Numerous techniques (hole drilling, X-ray diffraction, contour, etc.) exist to measure the residual stresses but only the X-ray diffraction (XRD) allows coupling the residual stress measurement with the cold work measurement.

This study is part of larger research project aiming at a better understanding of the shot peening process for the improvement of the fatigue life performance of 300M steel, aluminum alloy 7050, and nickel-based superalloy IN718 components, and at the development of process and fatigue simulation models of the shot peening process. This study primarily aims at identifying the experimental issues related to residual stress measurements. In particular, the research work involved comparing the well-known sin2 ψ method and the alternative cos α method, two XRD techniques for residual stress measurements based on two different geometries of detectors and calculation methods. Furthermore, the work shows the possibilities related to the use of the diffraction peak width for the measurement of cold work. The two XRD methods were compared, in an innovative way, through the identification of the diffracting grains from electron backscattered diffraction (EBSD) maps by considering the detector geometry and the calculation method of each method. The artificial textures produced by the XRD measurements were plotted for the first time as pole figures and X-ray elastic constant (XEC) 1/2S2 was computed and compared for each case. It results that the two XRD techniques exhibit different artificial textures and slightly different XECs were found for the different sets of diffracting grains considered during this study. Furthermore, the cold work was evaluated through the use of calibration curves relating the diffraction peaks width to the true plastic deformation for the three materials and different shot peening conditions. The measured residual stress and cold work profiles were used in the research project to predict fatigue life performance of shot peened parts.

Titre traduit

Diffraction des rayons X pour la mesure des contraintes résiduelles et des déformations plastiques de matériaux grenaillés

Résumé traduit

Les performances en fatigue des pièces aéronautiques peuvent être améliorées dans une certaine mesure via des traitements de surface tel que le grenaillage de précontrainte. Le grenaillage est un procédé de déformation à froid consistant à déformer plastiquement la surface de pièces métalliques en y impactant à grande vitesse des micro-billes, afin d’y introduire des contraintes résiduelles. Ainsi, le grenaillage est souvent considéré comme bénéfique pour l’amélioration des performances en fatigue mais est rarement pris en compte dans les étapes de conception. Pour que ce soit le cas, une mesure précise des contraintes résiduelles et des déformations plastiques introduites est nécessaire. Un grand nombre de techniques (méthode du trou, diffraction des rayons X (DRX), méthode du contour, etc.) existent pour la mesure des contraintes résiduelles, mais seule la DRX permet de la coupler avec la mesure de la déformation plastique.

Cette étude fait partie d’un plus large projet de recherche visant à perfectionner la compréhension du procédé de grenaillage utilisé pour l’amélioration des performances en fatigue de la nuance 300M d’acier, de l’alliage d’aluminium 7050, et du superalliage de nickel IN718 et au développement de modèles de simulation du procédé et de fatigue. Cette étude vise principalement à identifier les problèmes expérimentaux liés à la mesure des contraintes résiduelles. Ce travail de recherche implique la comparaison de la méthode bien connu du sin2 ψ et la méthode alternative du cos α, deux techniques de DRX basées sur deux géométries de détecteurs et deux méthodes de calcul des contraintes résiduelles différentes. De plus, ce travail montre les possibilités liées à l’utilisation de la largeur du pic de diffraction pour la mesure de la déformation plastique introduite par le grenaillage. Les deux méthodes de DRX ont été comparées, de manière innovante, via l’identification des grains diffractants à partir de cartes EBSD en considérant la géométrie des détecteurs ainsi que la méthode de calcul de chacune des méthodes de DRX. La texture artificiellement produite par la mesure de DRX a été tracée pour la première fois sous forme de figures de pôles. La constante radiographique 1/2S2 a été calculée et comparée pour chacun des cas. Il apparaît que les deux techniques présentent des textures artificielles différentes et des constantes radiographiques légèrement différentes ont été trouvées pour les différents ensembles de grains diffractants considérés au cours de cette étude. De plus, la déformation plastique a été évaluée via l’utilisation de courbes de calibration reliant les pics de diffraction à la déformation plastique pour chacun des trois matériaux et différentes conditions de grenaillage. Les profils mesurés de contraintes résiduelles et de déformations plastiques ont été utilisés dans le projet de recherche pour la prédiction des performances de vie en fatigue de pièces grenaillées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 211-226)
Mots-clés libres:	diffraction des rayons X, contraintes résiduelles, déformation plastique, grenaillage
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bocher, Philippe
Codirecteur:	Codirecteur Lévesque, Martin
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 janv. 2021 16:24
Dernière modification:	11 janv. 2021 16:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2599

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