Relation entre les mesures de nanodureté et la présence de contraintes résiduelles

Relationship between nanohardness measurements and residual stress state

¹ Laboratoire d'Ingénierie des Surfaces de Strasbourg, 24 boulevard de la Victoire, F-67000, Strasbourg
² Fortex Ingénierie, 24, boulevard de la Victoire, F-67000, Strasbourg

Résumé

Les traitements de surface par voie mécanique (grenaillage, brossage, sablage)conduisent à une amélioration de la tenue en service de pièces mécaniques. Ils consistent à introduire en surface un gradient de contraintes résiduelles de compression, devant limiter l'amorçage des fissures de fatigue et augmenter la résistance à la corrosion sous contraintes. Ces différents traitements utilisent comme source la déformation plastique de la couche superfi- cielle. Du fait du caractère polycristallin et polyphasé des matériaux métalliques, la déformation plastique intéresse des domaines de tailles différentes. Ainsi, il est classique de distinguer les contraintes résiduelles macroscopiques (ordre I) des contraintes microscopiques homogènes (ordre II) et hétérogènes (ordre III). Les macro-déformations sont constantes dans des domaines importants, s'étendant sur plusieurs grains et sont mesurées aisément par des techniques de diffraction des rayons X. Les micro-déformations correspondent aux valeurs moyennes de la déformation macroscopique dans un volume de la dimension du cristallin. Aucune technique expérimentale ne permet de mesurer avec précision ces micro-déformations. La diffraction des rayons X permet uniquement d'atteindre la variance de leur distribution. Le but de ce travail est d'étudier la relation entre les contraintes résiduelles et les propriétés mécaniques de surface (nano-dureté et module élastique) mesurées par indentation instrumentée normale à la surface. Pour des surfaces d'acier inoxydable austénitique 316L brutes de laminage, grenaillées et brossées, nous corrélons les mesures de dureté effectuées à l'échelle nanométrique avec les déterminations de contraintes résiduelles, obtenues par diffraction des rayons X (méthode des ψ). Ces traitements mécaniques de surface entraînent également des modifications des caractéristiques géométriques des surfaces et des modifications de la microstructure. Pour tenter de séparer correctement les effets, nous avons également étudié la morphologie des surfaces en microscopie électronique à balayage (ESEM) et par profilométrie optique. Par ailleurs, une analyse par diffraction des rayons x sous incidence rasante (GIXRD) nous a permis de suivre l'évolution de la microstructure des surfaces, en particulier la formation de la phase martensitique.

Abstract

Mechanical surface treatments lead to important increase of life of many mechanical device. The aim of these treatments consists in introducing a gradient of compressive residual stress in the near surface region, in order to reduce the formation of fatigue cracks and also to improve the stress corrosion resistance. The mechanical treatments such as shot peening are based on plastic deformation of the superficial layers. Due to the polycrystalline structure of metallic materials, the plastic deformation affects volumes with different sizes. The macro deformations are constant on several grains and are determined using X-ray diffraction technique. The micro deformations are in first approximation assumed to be constant on the volume corresponding to the grain size. Nowadays any experimental technique can not estimate with sufficient accuracy these micro deformations. The aim of this work is to study the relationship between residual stress and the mechanical properties of surface (nano-hardness and elastic modulus) determined by instrumented indentation. On different 316L stainless steel surfaces engineered by mechanical working (grinding) and by shot peening, we try to correlate hardness measurements realized at nanoscale level with residual stress détermination performed by X-ray diffraction. But mechanical working and shot peening generate important modifications of surface geometrical characteristics and also of microstructure. We have thus studied roughness and topography by using SEM and optical profilometer. Moreover, Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GIXRD) allows to follow the evolution of the microstructure, as a function of the depth, especially the martensitic transformation.