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Thème 1 : ingénierie de précontraintes

Principaux intervenants permanents:

Qu'est-ce que l'ingénierie de précontraintes ?

L'ingénierie de précontrainte recouvre l'ensemble des techniques et des compétences nécessaires à la maîtrise des contraintes résiduelles. Il s'agit de :

  • développer des méthodes de mesures innovantes, de mieux maîtriser les méthodes existantes et d'étendre leur domaine d'application.
  • développer et optimiser des procédés de traitement des composants permettant d'introduire des contraintes résiduelles bénéfiques
  • modéliser la création des contraintes résiduelles dues à différents phénomènes physiques survenant lors de l'élaboration ou du traitement des composants
  • comprendre, modéliser et prédire les conséquences des contraintes résiduelles sur le comportement des composants. Les contraintes résiduelles influent sur la durée de vie (fatigue), sur la stabilité géométrique, la résistance à la corrosion, les propriétés physiques (supraconductivité, propagation du son, magnétisation...)

Moyens disponibles au LASMIS

  • Goniomètre 4 cercles de type Seifert PTS pour la diffraction des rayons X (contraintes résiduelles, textures, analyses de phases)
  • Bancs optiques pour interférométrie de granularité laser (Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI) équipés d'une fraiseuse permettant la réalisation de trous ou de rainures
  • Méthode du trou incrémental par jauges d'extensométrie piézo-résistives
  • Grenailleuse à air comprimé
  • Grenailleuses à ultra-sons

Banc optique pour l'interférométrie de speckle (ESPI) permettant la mesure des déplacements avec une résolution de l'ordre de 0,03 µm, suivant la direction x, parallèlement à la surface de la pièce. La fraiseuse permet de perturber le champ de contrainte en réalisant un trou ou une rainure. Elle est escamotée pour permettre à la caméra de prendre les images.

Développement de méthodes de mesure innovantes, métrologie, qualité

Les travaux menés ont pour objectif de développer de nouvelles méthodes de mesure des contraintes résiduelles et de mieux maîtriser les méthodes existantes en termes métrologiques. La principale originalité, ici, est l'utilisation de méthodes photomécaniques telles que l'interférométrie de granularité laser (ESPI ou DSPI : Electronic Speckle Pattern Interferometry) ou l'interférométrie de moiré associée à des techniques d'enlèvement de matière.

Incréments de perçage (diamètre du trou 2 mm) réalisés dans un acier 16MnNiMo5. Le déplacement horizontal dû à la relaxation des contraintes résiduelles est mesuré par ESPI. Pour chaque incrément sont indiqués la profondeur du trou et les valeurs maximales et minimales du déplacement.

 

Tôle en acier inoxydable 316L d'épaisseur 1 mm, grenaillée sur les deux faces et découpée pour relaxer les contraintes. A gauche : franges de moiré obtenues à l'aide d'une grille (1200 traits/mm) collée sur l'épaisseur. A droite : champ de contraintes résiduelles en fonction de la profondeur calculé à partir des franges de moiré

Mesure du champ de contraintes résiduelles par ESPI et dissolutions successives dans l'épaisseur de disques découpés dans une tôle laminée en acier XC20. A gauche : déplacements hors plan consécutifs à l'enlèvement de couches par attaque acide (sensibilité environ 0,16 µm/frange). L'orientation des axes des ellipses donne les directions principales. Le rapport entre le grand axe et le petit axe dépend des contraintes principales et du coefficient de Poisson. A droite : champ de contraintes recalculé à partir des déformées sur deux éprouvettes (attaque sur une face de la tôle puis sur l'autre)

Exemple de champ de déplacement autour d'un trou percé près d'une soudure bimétallique. Il s'agit de la composante horizontale du déplacement mesurée par ESPI avec une résolution de l'ordre de 30 nm. A gauche : image phasée, à droite : image démodulée

Principe de la détermination des contraintes résiduelles par la méthode de la rainure incrémentale. L'objectif est d'obtenir le gradient de la composante xx de la contrainte dans les directions y et z en usinant, par incréments successifs repérés par l'indice k, une rainure permettant la relaxation des contraintes résiduelles. Cette relaxation engendre un champ de déplacement U mesuré par interférométrie de granularité laser (Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI) sur la surface libre du composant. Ces déplacements sont de l'ordre du micromètre, voire inférieurs. Ils sont mesurés sur un ensemble de points repérés par les indices m et n et la surface générée par l'usinage est discrétisée en cellules repérées par les indices i et j. La contrainte moyenne sur chaque cellule est reliée au déplacement par une série de coefficients (qui dépendent du tenseur de Green de la structure) calculés à l'aide d'un modèle éléments finis en élasticité.

Franges d'interférences (images de phase) obtenues par Interférométrie de granularité laser (ESPI) dans une éprouvette d'aluminium précontrainte par grenaillage ultra-sons sur une bande horizontale de 4 mm de largeur. Une rainure (verticale) de 2 mm de large est usiné et le déplacement de la surface est mesuré par ESPI dans la direction horizontale. On peut observer l'augmentation du déplacement au fur et à mesure qu'on augmente la profondeur usinée. Les déplacements sont plus élevés dans la zone précontrainte.

Champs de déplacements suivant la direction x calculés par éléments finis en chargeant une cellule de la rainure. Ce type de calcul permet d'obtenir les coefficients F reliant déplacements mesurés et contraintes résiduelles recherchées.

Exemple de résultat obtenu par la méthode de la rainure incrémentale. Les différentes courbes représentent les gradients de contraintes selon la profondeur jusqu'à 450 µm pour différentes positions par rapport au centre de la zone précontrainte. Les coordonnées sont celles des centres des cellules définies sur la paroi de la rainure. Une telle méthode permet de mesurer aisément le gradient de contraintes résiduelles dans deux directions pour des cordons soudés, par exemple.

Mesure des contraintes résiduelles par ESPI dans une éprouvette en acier 27MnCr5 carbonitrurée et grenaillée. Une rainure de largeur 2 mm est pratiquée dans l'éprouvette pour relaxer les contraintes résiduelles. En haut: champ de déplacement pour différentes profondeurs. On peut noter que l'ESPI est suffisamment sensible pour mettre en évidence une profondeur non uniforme de la rainure. En bas : comparaison entre les mesures de déplacement par ESPI et le déplacement calculé par un modèle éléments finis dans lequel le champ de contrainte mesuré par diffraction X a été introduit.

 

Application de la méthode de la rainure incrémentale sur des pignons de boites de vitesses pour automobiles (Collaboration Renault)

Thèse de doctorat 2001 : Montay Guillaume - Etudes des contraintes résiduelles par la méthode du trou

Thèse de doctorat 2003 : Sicot Olivier - Détermination de contraintes résiduelles dans les matériaux composites stratifiés et étude de leur influence sur le comportement mécanique

Thèse de doctorat 2003 : Ya Min - Étude des contraintes résiduelles par les méthodes optiques

Thèse de doctorat 2003 : Fréour Sylvain - Comportement mécanique des matériaux biphasés, application à la détermination de contraintes résiduelles par diffraction des rayons X (Collaboration Univ. Nantes)

Thèse de doctorat 2004 : Ferreira Carlos - Contribution à l’étude métrologique de l’analyse des contraintes par diffraction des rayons X : dispersion, erreurs, incertitudes (Collaboration PSA-Renault-SNECMA-Univ. Nantes)

Thèse de doctorat 2006 : Zhou Xiao Lai - Etude paramétrique pour la détermination des contraintes résiduelles par la méthode ultrasonore (Collaboration Ultra-RS)

Thèse de doctorat 2010 : Maras-Sornin Afaf - Etude expérimentale et numérique des contraintes résiduelles dans des structures à double gradient de contraintes

Thèse de doctorat (en cours) : Bonaventure Alix - Mesures et modélisation des contraintes résiduelles lors du soudage hétérogène de structures tubulaires épaisses (Collaboration CEA Saclay)

Thèse de doctorat (en cours) : Evaluation non destructive de l'effort présent dans des barres de contraintes en service (Collaboration Ultra-RS)

Thèse de doctorat (en cours) : Van Wijk Song - Traitement de précontraintes par carbonitruration et grenaillage sur des pignons de boites de vitesses (Collaboration Renault)

Compréhension et maîtrise des procédés de mise en compression

       

Modélisation du champ de contraintes résiduelles dû au grenaillage de précontrainte. L'impact d'une bille est modélisé par éléments finis. On peut constater que les élévations de température dues à la plasticité au moment de l'impact, bien que relativement faibles, ont une influence non négligeable sur le gradient de contraintes résiduelles. A gauche : distribution de température au moment de l'impact. A droite : gradient de contraintes en fonction de la profondeur sous l'impact. En bleu, sans prendre en compte les effets thermiques, en rouge en les prenant en compte.

Modélisation, à l'aide de modèles de type "gaz granulaires" de la dynamique des billes dans une enceinte cylindrique de grenaillage par ultra-sons. La sonotrode (en gris foncé) vibre à 20 kHz avec une amplitude de quelques dizaines de micromètres et propulse les billes (ici une centaine) dans la chambre de manière aléatoire. Les billes viennent ensuite frapper la surface de la pièce à traiter (non représentée, en haut de la chambre) et la déforment plastiquement pour introduire des contraintes résiduelles. Ce type de simulation permet de comprendre et prédire la dynamique des billes dans l'enceinte et donne des information telles que la répartition et l'énergie des impacts, l'effet des paramètres du procédé, etc. Collaboration Université Paris VI.

Simulation numérique de la propagation d'une onde élastoplastique due à une impulsion laser dans une pièce d'épaisseur finie. On peut observer l'atténuation de la partie plastique de l'onde dans les 40 premiers micromètres. Ces déformations plastiques induiront des contraintes résiduelles de compression. L'onde élastique se propage avec accélération des particules matérielles et diminution des déformations au voisinage d'une face libre. 

Flambement de couches d'oxydes sous l'effet des contraintes résiduelles.

Lien entre la croissance d'une couche d'oxyde, les contraintes résiduelles et l'endommagement du film d'oxyde. Valeurs expérimentales obtenues par diffraction des rayons X au synchrotron.

Thèse de doctorat 2000 : Deslaef David - Modélisation du procédé de grenaillage

Thèse de doctorat 2003 : Nusair Khan Aamer - Optimisation des contraintes résiduelles et de la microstructure pour augmenter la résistance mécanique à haute température des matériaux multicouches

Thèse de doctorat 2005 : Pilé Céline - Etude de l’influence de traitements mécaniques de surface sur la durée de vie en fatigue d’alliages TiAl (Collaboration ONERA)

Post-doctorat 2006 : Rouquette Sébastien - Simulation thermomécanique du grenaillage, comparaison avec des mesures thermiques (Collaboration Univ. Reims)

Thèse de doctorat 2007 : Ould Mohamed Mahmoud Choumad - Analyse des contraintes résiduelles générées lors du grenaillage : approches analytique, numérique et expérimentale des impacts de billes

Thèse de doctorat 2010 : Cellard Christophe - Etude du choc laser sur l'alliage de titane Ti-17: application aux plaques minces (Collaboration SNECMA)

Thèse de doctorat (en cours) : Van Wijk Song - Traitement de précontraintes par carbonitruration et grenaillage sur des pignons de boites de vitesses (Collaboration Renault)

Thèse de doctorat (en cours) : Badreddine Jawad - Etude du grenaillage par ultrasons de disques aubagés monoblocs (Collaboration SNECMA et SONATS)

Introduction d'un champ de contraintes résiduelles mesuré dans un modèle éléments finis

 Introduction d’un état de contraintes résiduelles dans une pièce mécanique à géométrie complexe. Les contraintes résiduelles ont été obtenues par évaluation expérimentales ou par modélisation analytique ou numérique sur une structure simplifiée. La méthode associe l’introduction du champ de déformations plastiques à un calcul d’équilibre pour obtenir le champ de contraintes résiduelles dans la pièce. Le graphique montre la relation entre les contraintes résiduelles de référence (ici mesurées dans le ressort) et les contraintes introduites dans le modèle de la pièce (ressort à gauche). La même démarche a été effectuée sur un modèle d’aube. Les isovaleurs représentent le champ de déplacements associé au champ de contraintes résiduelles introduits

Contraintes résiduelles et conception

 

Principe pour un outil d'aide à la conception permettant de relier les paramètres du procédé de fabrication aux calculs de durée de vie des composants avec une application aux procédés de mise en compression. Le concept de « Design for Manufacturing » ou DFM propose un outil logiciel qui, en plus de la CAO, « connaît » les paramètres du procédé et ses contraintes technologiques. Ceci est réalisé grâce à une base donnée « produit-procédé » qui relie les caractéristiques du produit qui sont liées aux procédés de fabrication. Toutes ces données peuvent être fournies comme entré à un calcul de fatigue. On peut donner comme exemple, le grenaillage de précontraintes qui influence la rugosité de la surface de la pièce. Ceci peut modifier le comportement en fatigue de la pièce. (Collaboration SNECMA groupe SAFRAN dans le cadre de MAIA)

 

Outil de conception développé au LASMIS permettant de prendre en compte les connaissances métiers (connaissances procédé) et en particulier des contraintes résiduelles dans la géométrie finale du produit.

Grenaillage de mise en forme (peen-forming) de panneau de voilure d'avion. Logiciel prédictif développé au LASMIS (à gauche). A droite : Exemple de panneau (Sisson-Lehmann / Wheelabrator, http://www.aerospace-technology.com/contractors/manufacturing/wheelabrator/wheelabrator2.html)

Thèse de doctorat 2007 : Wang Bai Qing - Contribution à la capitalisation des connaissances en génie mécanique : application au grenaillage de précontrainte

Thèse de doctorat 2009 : Cochennec Florent  - Simulation numérique du grenaillage de mise en forme pour une intégration produit-procédés en conception (Collaboration Sisson-Lehmannn / Wheelabrator)

Thèse de doctorat (en cours) : El Gueder Jawhar - Développement d'une architecture logicielle KBE pour l'intégration produit-procédés en conception de produits mécaniques : application au grenaillage de pièces de moteurs d'avions (Collaboration SNECMA)