Spécialistes du Grenaillage de Précontrainte

Le shot peening est un procédé d'écrouissage à froid qui vise à marteler la surface d'une pièce métallique avec de petits médias sphériques appelés billes, grenailles ou shots. Chacun des projectiles agit comme un minuscule marteau, créant en surface une petite empreinte ou cratère. La surface est déformée plastiquement en traction lors de l'impact. Sous la surface impactée, la matière comprimée tend à retrouver son volume initial, entraînant des contraintes résiduelles fortement en compression dans un volume de forme hémisphérique.

MIC est désireuse de partager avec vous la richesse de son expérience et de son savoir-faire par le canal de notre site web pour que les ingénieurs et les métallurgistes soient clairement informés des avantages substantiels liés à l'utilisation du shot peening. Les spécialistes de notre engineering se tiennent disponibles pour vous assister à trouver les solutions à vos problèmes qui peuvent être résolus grâce au shot peening. Les unités de production de MIC utilisent des équipements à la pointe du progrès pour traiter des pièces de formes, de tailles et de matériaux divers suivant des opérations strictement contrôlées.

La quasi-totalité des ruptures en fatigue et en corrosion sous tension s'initient en surface des pièces. De plus, il a été montré que les fissures ne vont ni s'initier ni se propager dans un volume en compression. Puisque le recouvrement des impacts crée une couche uniforme en compression en surface du matériau grenaillé, le shot peening offre des gains de durée de vie considérables. Les contraintes résiduelles de compression sont bénéfiques pour l'augmentation de la tenue en fatigue, en fatigue corrosion, corrosion sous tension, fragilisation à l'hydrogène, fretting, grippage et usure par cavitation. L'amplitude maximale de la contrainte résiduelle introduite juste sous la surface d'une pièce métallique dépasse la moitié de la limite élastique du matériau grenaillé.

Le shot peening est également utilisé pour introduire des courbures aérodynamiques sur des panneaux de voilures métalliques utilisés pour les aéronefs modernes. D'autres applications du shot peening peuvent être évoquées telles que l'augmentation de la dureté par écrouissage afin d'améliorer la tenue à l'usure, la fermeture de porosités, la tenue à la corrosion intergranulaire, le redressage de pièces déformées, la texturation de surface et le test d'adhérence de revêtements.

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L'illustration ci-dessous compare la limite d'endurance à la résistance à la rupture d'éprouvettes lisses et d'éprouvettes entaillées. Sans le shot peening, les meilleures caractéristiques de tenue à la fatigue pour les pièces en acier usiné sont obtenues à une dureté approximative de 30 HRc (700MPa). Pour des résistances mécaniques/duretés supérieures, les matériaux perdent leur résistance à la fatigue car ils deviennent plus sensibles à l'effet d'entaille et plus fragiles. Toutefois, en ajoutant des contraintes résiduelles de compression de grenaillage de précontrainte, la limite d'endurance augmente proportionnellement à l'augmentation de résistance mécanique/dureté. Par exemple, à 52 HRc (1240 MPa), la limite de fatigue des éprouvettes grenaillées de précontrainte passe à 990 MPa, soit plus que deux fois la limite d'endurance du même matériau non entaillé et non grenaillé.

Comparaison entre les limites de fatigue d’éprouvettes grenaillées et non-grenaillées, lisses et entaillées, en fonction des caractéristiques mécaniques de l’acier.

Procédés d'usinage - Effets sur la tenue en fatigue

Les procédés d'usinage sont connus pour avoir un effet sensible sur les caractéristiques en fatigue des pièces métalliques. Ces effets peuvent être bénéfiques ou néfastes, comme montré dans le tableau ci-dessous :

Du côté des traitements néfastes, la rectification, l'usinage et le soudage laissent la surface de la pièce en tension, ce qui fait le nid de fissures de fatigue. La trempe, la galvanoplastie et l'usinage par électroérosion fragilisent le matériau en durcissant la surface. L'usinage électrochimique peut endommager ou affaiblir les joints de grains.

Du côté des effets bénéfiques, tous les procédés listés augmentent la tenue en fatigue en vertu des contraintes de compression qu'elles introduisent. Le shot peening est le traitement le plus versatile de cette liste puisqu'il offre les plus fortes amplitudes de contraintes résiduelles en compression dans une grande variété de matériaux et de configurations de pièces.

Le graphique ci-dessous représente les courbes de fatigue (contrainte en fonction du nombre de cycles) pour différents types de rectifications. La courbe de référence correspond à la rectification douce et indique une limite de fatigue de 415 MPa. La courbe correspondant à la rectification sévère est juste en dessous et représente les conditions de rectifications avec des vitesses de coupe élevées et/ou avec de grandes largeurs de coupe. Dans ce cas, des contraintes résiduelles de traction, nids de futures fissures de fatigue, sont créées en surface et la limite de fatigue chute jusqu'à 310 MPa. Le graphique présente également la limite de fatigue avec une rectification sévère suivie d'un shot peening. Comme illustré, ces éprouvettes voient leur limite de fatigue qui est augmentée jusqu'à dépasser la courbe de référence « rectification douce », affichant une valeur de plus de 550 MPa. La contrainte résiduelle de compression engendrée par le shot peening efface l'effet des contraintes de traction de la rectification sévère.

Il y a plusieurs moyens de considérer ces bénéfices. En premier lieu, le shot peening permet d'augmenter la charge appliquée tout en conservant la même tenue en fatigue. En deuxième lieu, le shot peening permet d'augmenter la durée de vie de toutes pièces si le niveau de chargement est conservé. En troisième lieu, le shot peening permet une plus grande variété de conditions d'usinage tout en introduisant des compressions résiduelles.

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La corrosion sous tension (CST ou SCC) est un mécanisme de rupture progressive des métaux qui est causé par l'interaction simultanée d'un agent corrosif et d'une contrainte de traction soutenue. Les ruptures dues à la corrosion sous tension sont souvent soudaines et imprévisibles, survenant après de nombreuses heures de service. Ce phénomène apparaît généralement sans aucune autre forme de corrosions. La quasi-totalité des alliages métalliques sont sensibles à la CST pour un type d'agent corrosif dans des conditions environnementales spécifiques.

Les contraintes résiduelles nécessaires à l'apparition de la CST sont essentiellement statiques, et elles peuvent être résiduelles ou appliquées (voir le tableau ci-dessous). La fissuration progressive due aux chargements cycliques dans un environnement corrosif est appelée « fatigue corrosion.». La frontière entre la CST et la fatigue-corrosion est quelquefois vague ; Toutefois, puisque les environnements qui sont à leur origine ne sont pas les mêmes, ces deux types de corrosion sont traités comme deux types distincts de mécanismes de rupture. Les contraintes résiduelles de compression, telles que celles introduites en surface de la structure par le shot peening peuvent être utilisées pour empêcher ou pour retarder les deux types de corrosion.

Le fait que la contrainte résiduelle de compression en surface introduite par le shot peening peut être efficace contre la corrosion sous tension sans avoir à changer l'environnement corrosif ni la nature du matériau est de première importance. Ceci est illustré avec le « triangle de la corrosion sous tension ». Si l'un des côtés de ce triangle est supprimé, tel que l'élimination des contraintes de traction, la CST ne peut survenir.

Corrosion Intergranulaire

Photomicrographie de la surface grenaillée de précontrainte (Peened) et non-grenaillée (Unpeened) d'un alliage d'acier inoxydable type 304 (sensibilisation à 650°C pendant 1heure et testé en corrosion intergranulaire dans du NH3-HF et grenaillé de précontrainte à la bille de céramique).

Il a été montré par Atomics International que la corrosion intergranulaire peut être empêchée sur les aciers inoxydables austénitiques par le shot peening avant l'exposition à la température de sensibilisation. Dans ce cas, la surface doit être fortement écrouie par le shot peening afin de broyer les surfaces et les joints de grains. Lorsqu'ils sont exposés aux températures de sensibilisation, les carbures vont se précipiter sur la multitude de sites de nucléation tels que les dislocations et plans de glissements formés dans les grains de préférence aux joints de grains, permettant ainsi de supporter l'attaque de corrosion intergranulaire lorsque plongé dans l'environnement corrosif.

A gauche - Grenaillé ~~ A droite - Non-grenaillé

MIC a publié un rapport technique des applications qui est disponible sous simple demande. Contactez-nous pour plus d'information.

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