Fatigue of austenitic stainless steels treated by severe ultrasonic shot peening : experimental and numerical contributions to the study of crack initiation and propagation
Fatigue d'aciers inoxydables austénitiques traités par grenaillage ultrasonore sévère : contributions expérimentales et numériques à l'étude de l'amorçage et la propagation des fissures
Résumé
In the high cycle fatigue, cracks initiate most of the time at the surface of workpieces. Therefore, in addition to the overall mechanical properties, surface and sub-surface characteristics such as roughness and residual stresses affect the fatigue life. Roughness essentially influences the cracks initiation phase. Indeed, the presence of surface irregularities induces stress concentrations producing high local strains potentially leading to the formation of crack-like defects. Besides, the presence of residual stresses affects both the crack initiation and propagation phase. They affect the plasticity close to the surface and influence the crack initiation. Moreover, superposed with the macroscopic loading, they locally modify the stress field and therefore may affect the crack propagation behavior as well.The ultrasonic shot peening (SMAT) is a surface mechanical treatment which consists in impacting a sample with shots put in motion by a vibrating device operating at frequencies up to 20 kHz. The repeated impacts lead to a surface plastic strain allowing the formation of compressive residual stresses as well as a microstructure gradient characterized by highly deformed zones in the sub-surface and submicronic grain size just below the surface. Such treatment was carried out to austenitic stainless steels in order to study the fatigue crack initiation and propagation in the complex microstructure and residual stress field induced by the SMAT.Uniaxial high cycle fatigue tests have been conducted for two different load ratios (under tension-compression at RTC=-1 and under tension-tension at RTT=0.1). They allowed to highlight the variable effectiveness of the SMAT with regard of the cyclic loading conditions. Indeed, at RTC, an increase of the fatigue limit was measured whereas for RTT a reduction of the fatigue limit was observed. In order to explain this difference, an in-depth study of the initial state and SMAT treated broken and run-out samples was carried out. It turns out that under the studied loading conditions the modifications of residual stress state can be considered as the primary factor governing the varying fatigue performances and the observed triggering at different initiation sites. Considering the stabilized surface residual stress after fatigue loading, the use of a Crossland criterion allowed to explain both the effects of load ratio and SMAT on the high cycle fatigue behavior of the stainless steel.A modelling method of the mechanical properties and residual stresses gradients was then developed using the finite elements method (via ABAQUS) in order to understand and predict the residual stresses redistributions. The results of the simulations were compared to the experimental measurements, and a good agreement was observed. The capacity of the model to simulate both the strain- and stress-controlled fatigue behavior was evaluated and a good consistency between the numerical and experimental results were obtained.Specimens with an artificial surface defect were then prepared in order to evaluate the surface anomalies sensitivity, and also to study the fatigue crack propagation behavior using the surface replication method. It was shown that the SMAT samples do not exhibit an increased sensitivity to the presence of defects compared to the initial state when loaded at RTT, whereas for RTC a slightly increased sensitivity was identified. Studying the crack propagation at the surface of the specimens highlighted different behaviors for different load ratios. Also, despite the presence of a defect, the crack initiation phase remained important. Finally, crack fronts were marked by different methods which permitted plotting the fatigue crack growth curves. It was then shown that at RTC, fatigue crack growth behavior in the SMAT layer is drastically different from the initial material, whereas at RTT no difference was revealed.
Dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles, les fissures s'initient le plus souvent à la surface des pièces. Par conséquent, en plus des propriétés mécaniques globales, les caractéristiques de la surface et de la sous-couche, telles que la rugosité et les contraintes résiduelles affectent la durée de vie en fatigue. La rugosité a essentiellement une influence sur la phase d'amorçage des fissures. En effet, la présence d'irrégularités de surface entraine des concentrations de contraintes qui peuvent produire de fortes déformations locales et éventuellement entrainer la formation de défauts de type fissures. Par ailleurs, la présence de contraintes résiduelles affecte à la fois la phase d'amorçage et de propagation des fissures. Elles affectent la plasticité proche de la surface et influencent donc l'amorçage des fissures. De plus, en se superposant au chargement mécanique macroscopique, elles modifient localement le niveau de sollicitation et peuvent donc affecter la propagation des fissures.Le grenaillage ultrasonore (SMAT) est un traitement mécanique de surface qui consiste à bombarder un échantillon avec des billes mises en mouvement par un dispositif atteignant des fréquences de vibration de 20 kHz. Les impacts répétés entrainent une déformation plastique de la surface menant au développement de contraintes résiduelles de compression ainsi qu'un gradient de microstructure caractérisé par des zones très déformées en sous couche et des tailles de grains submicroniques en surface. Un tel traitement a été réalisé sur des aciers inoxydables austénitiques afin d'étudier l'amorçage et la propagation de fissures de fatigue dans le champ complexe de microstructure et de contraintes résiduelles induit par le SMAT.Des essais en fatigue uniaxiale à grand nombre de cycles ont été conduits à deux rapports de charge différents (en traction-compression à RTC=-1 et en traction-traction à RTT=0,1). Ils ont permis de mettre en évidence un effet variable du SMAT en fonction de la condition de chargement cyclique. En effet, pour RTC une amélioration de la limite de fatigue a été mesurée alors que pour RTT c'est un abattement de la limite de fatigue qui a été constaté. Dans le but d'expliquer cette différence, une étude approfondie des éprouvettes rompues et non-rompues de l'état initial et SMAT, a été menée. Il s'est avéré que dans les conditions de chargement étudiées, les redistributions des contraintes résiduelles peuvent être considérées comme le facteur principal permettant d'expliquer les performances variables en fatigue ainsi que les amorçages observé aux différents sites d'initiation. En considérant les contraintes résiduelles de surface stabilisées après chargement en fatigue, l'utilisation d'un critère de Crossland a permis d'expliquer à la fois l'effet du rapport de charge et du SMAT sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles des aciers inoxydables.Une modélisation des gradients de propriétés mécaniques et de contraintes résiduelles caractéristiques du SMAT par la méthode des éléments finis a été proposée (via ABAQUS) dans le but de comprendre et de prédire les relaxations de contraintes résiduelles. Les résultats des simulations ont été confrontés aux données obtenues expérimentalement et un très bon accord a été obtenu. La capacité du modèle à rendre compte du comportement en fatigue à faible et à grand nombre de cycles a été évaluée, et une cohérence très correcte a été obtenue entre les résultats numériques et expérimentaux.Des éprouvettes pourvues d'un défaut artificiel surfacique ont ensuite été préparées afin d'évaluer la sensibilité à la présence d'accidents géométriques, mais aussi pour suivre la propagation des fissures de fatigue par la méthode des répliques. Il a été démontré que les éprouvettes SMAT ne présentent pas une sensibilité exacerbée à la présence de défauts par rapport à l'état initial pour RTT, alors qu'à RTC une sensibilité légèrement accrue a été mesurée. [...]