Influence of residual stress and work hardening on instrumented indentation

Influence des contraintes résiduelles et de l’écrouissage en indentation instrumentée

¹ Université de Technologie de Troyes (UTT), Institut Charles Delaunay, ICD-LASMIS, UMR CNRS 6279, 12 rue Marie Curie, BP 2060, 10010 Troyes Cedex, France
manuel.francois@utt.fr
² The French Aerospace Lab (ONERA), DMSM/MCE, 29 avenue de la Division Leclerc, BP 72, 92322 Chatillon Cedex, France

Received: 11 December 2012
Accepted: 22 May 2013

Abstract

Many forming and surface treatments for metallic materials introduce residual stresses and work hardening simultaneously in mechanical components. Instrumented indentation is a technique which is sensitive to both phenomena and can thus be used to quantify them provided that their influences on the experimental response can be separated. In the present paper, this question was addressed through a series of Finite Elements simulations of a spherical indentation test in which the residual stress and work hardening levels were varied independently. It was found that, for each given value of the compressive residual stress, there is a corresponding work hardening level (cumulated plastic strain) for which the two P-h curves (Force vs. Penetration Depth curves) are almost completely superposed. Therefore, it will be impossible to obtain a unique set of residual stress and work hardening from the analysis of the sole P-h curves. However, when the dimples left by the indenter are analyzed, it can be found that, for the same P-h curve, the two phenomena lead to a difference in pile-up value which is about 2% of the maximum penetration depth. The numerical simulations presented in the paper are obtained on a specific material with a spherical indenter but similar results were obtained on other materials with a spherical or a conical indenter.

Résumé

De nombreux procédés de mise en forme ou de traitement des matériaux métalliques introduisent simultanément des contraintes résiduelles et de l’écrouissage dans les composants mécaniques. L’indentation instrumentée est une technique qui est sensible aux deux phénomènes et peut donc être utilisée pour les quantifier sous réserve que leurs effets sur la réponse mesurée puissent être distingués. Dans le présent article, cette problématique a été analysée au travers d’une série de simulations numériques par éléments finis de l’essai d’indentation en faisant varier indépendamment les niveaux de contraintes résiduelles et d’écrouissage. Le comportement mécanique du matériau est isotrope et élastoplastique dont la plasticité avec écrouissage isotrope est décrite par une loi de type Ludwik. Les paramètres (module d’Young, coefficient de Poisson, limite d’élasticité, coefficient d’écrouissage et module plastique) sont supposés connus, l’indenteur sphérique est décrit par un solide infiniment rigide, le modèle Eléments Finis est axisymétrique, et l’état de contrainte résiduelle est donc supposé équibiaxial. Les simulations ont permis de constater que, pour toute valeur donnée de la contrainte résiduelle (de compression), il existe une valeur de l’écrouissage (déformation plastique cumulée) telle que les réponses P-h (force-profondeur de pénétration) des deux cas soient indiscernables. Expérimentalement, il ne sera donc pas possible de déterminer de manière unique un couple écrouissage-contrainte résiduelle sur la seule base des courbes P-h. Toutefois, en analysant les empreintes laissées par l’indenteur, on peut constater que, pour une même courbe P-h, les deux phénomènes conduisent à une différence de bourrelet de l’ordre de 2 % de l’enfoncement maximal. Les simulations présentées correspondent à un matériau particulier et un indenteur sphérique, mais des résultats similaires ont été obtenus sur d’autres matériaux avec un indenteur sphérique ou conique.