Influence du grenaillage ultrasonique en température sur la microstructure, la fatigue et la corrosion d’un acier inoxydable austénitique 316L

Austernaud, Yann (2025). Influence du grenaillage ultrasonique en température sur la microstructure, la fatigue et la corrosion d’un acier inoxydable austénitique 316L. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La surface des pièces mécaniques constitue une zone critique, soumise à des sollicitations mécaniques et chimiques susceptibles d’engendrer des défaillances. Pour renforcer leur tenue en service, diverses stratégies d’amélioration des propriétés de surface ont été développées. Parmi elles, les traitements mécaniques de surface modifient les caractéristiques superficielles tout en préservant les propriétés du matériau en coeur. Le grenaillage ultrasonique, procédé de déformation plastique sévère, introduit des gradients de microstructure et de propriétés (dureté, contraintes résiduelles) via des impacts aléatoires de billes. Toutefois, son efficacité est limitée dans le cas de matériaux difficiles à déformer, au risque de surtraitement. L’introduction de la température comme paramètre de traitement permet de réduire la limite d’écoulement du matériau et de faciliter sa déformation, tout en ouvrant la voie à la formation de microstructures inaccessibles à température ambiante.

Cette étude porte sur l’analyse des microstructures de déformation induites par grenaillage ultrasonique à différentes températures sur un acier inoxydable austénitique 316L. Il a été démontré que la température de traitement contrôle la nature et la profondeur du gradient de microstructure et de propriétés, en modifiant les mécanismes de déformation activés. À température cryogénique, la déformation est dominée par l’effet TRIP ("TRansformation Induced Plasticity"), avec formation de martensite induite par la déformation et assistée par la contrainte. À température ambiante et jusqu’à 250°C, l’effet TWIP ("TWinning Induced Plasticity") prédomine, tandis qu’à 500°C, le glissement des dislocations et la recristallisation dynamique conduisent à la formation d’une couche ultrafine en surface.

L’étude du comportement en fatigue par flexion rotative quatre points montre que le grenaillage à chaud, bien qu’engendrant une rugosité plus élevée et des contraintes résiduelles de compression plus faibles en surface, permet d’augmenter la limite d’endurance d’environ 15% par rapport aux traitements réalisés à plus basse température. Cette amélioration est attribuée à une relaxation réduite des contraintes résiduelles sous sollicitations cycliques, grâce à la stabilisation des dislocations dans une microstructure restaurée. La plus grande profondeur du gradient de dureté ainsi que la réduction du pic de contrainte en sous-couche jouent également un rôle clé.

En revanche, le grenaillage ultrasonique à chaud induit une contamination de surface accrue, liée à un transfert de matière des billes de grenaillage et à une oxydation intensive des échantillons. Cette contamination, hétérogène en surface et en sous-couche, entraîne une dégradation notable des propriétés de corrosion de l’acier 316L.

Titre traduit

Effect of ultrasonic shot peening temperature on the microstructure, fatigue, and corrosion behavior of austenitic stainless steel 316L

Résumé traduit

The surface of mechanical components is a critical zone subjected to specific mechanical and chemical solicitations. Component failure generally occurs at the surface, driving the industry to seek solutions to enhance surface properties. Among these, mechanical surface treatments modify surface properties by plastic deformation while preserving core ductility. Ultrasonic shot peening, a severe surface deformation process, introduces gradients of microstructure and properties (hardness, residual stresses) through random shot impacts. However, its effectiveness may be limited when the material is difficult to deform, potentially leading to over-processing and crack formation. A possible solution is to introduce temperature as a processing variable to lower flow stress and facilitate deformation, enabling the formation of microstructures not achievable at room temperature.

This study analyzes the deformation microstructures induced by ultrasonic shot peening at different temperatures on 316L stainless steel. It was demonstrated that deformation temperature controls microstructure and property gradients by modifying activated mechanisms. At cryogenic temperature, deformation is dominated by the TRIP effect with deformation-induced and stressassisted martensite. At room temperature and up to 250°C, the TWIP effect predominates, whereas at 500°C, dislocation glide and dynamic recrystallization form an ultrafine-grained surface layer.

Fatigue testing revealed that high-temperature ultrasonic shot peening, despite inducing higher roughness and lower surface compressive residual stresses, improves the endurance limit by 15% compared to lower temperatures. This is attributed to reduced residual stress relaxation under cyclic loading due to dislocation stabilization, along with a deeper hardness gradient and lower subsurface stress peak.

However, high-temperature ultrasonic shot peening promotes surface contamination via increased material transfer from peening shots and specimen oxidation. This heterogeneous contamination degrades the corrosion resistance of 316L stainless steel.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée en cotutelle à l’École de technologie supérieure et à l’Université de Lorraine comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 183-203).
Mots-clés libres:	grenaillage ultrasonique, acier inoxydable austénitique, déformation plastique sévère de surface, déformation à chaud, fatigue en flexion rotative, corrosion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bocher, Philippe
Codirecteur:	Codirecteur Grosdidier, Thierry Novelli, Marc
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 déc. 2025 17:04
Dernière modification:	22 déc. 2025 17:04
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3766

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