Comprendre les différents types de contraintes résiduelles

Dans les matériaux solides, les contraintes résiduelles sont les contraintes qui subsistent après la suppression de leur cause initiale de contrainte. La contrainte résiduelle peut être inutile et utile dans un matériau. c'est-à-dire qu'il peut être souhaitable ou indésirable. Une contrainte résiduelle involontaire dans un matériau peut provoquer sa défaillance prématurée, alors qu'il peut être utilisé dans du verre trempé pour permettre des verres de smartphone larges, fins, résistants aux fissures et aux rayures.

Aujourd'hui, nous allons examiner la définition, les applications, les types, les causes, les effets, le diagramme, le contrôle et la façon de mesurer les contraintes résiduelles.

Qu'est-ce que le stress résiduel ?

La contrainte résiduelle est la contrainte qui reste dans un matériau (courante dans un composant soudé) même en l'absence de charge externe ou de gradient de chaleur. Les contraintes résiduelles peuvent entraîner une déformation plastique importante, ce qui peut entraîner une déformation ou un gauchissement des matériaux. Ils peuvent affecter la susceptibilité aux fractures et à la fatigue dans certains cas.

On dit également que les contraintes résiduelles sont des contraintes bloquées dans un objet métallique, même si l'objet est exempt de forces externes. Les contraintes peuvent avoir pour résultat qu'une région du métal est contrainte par des régions adjacentes de se contracter, de se dilater ou de relâcher des contraintes élastiques. Les contraintes résiduelles pouvant être de traction ou de compression, elles peuvent coexister au sein d'un composant.

Quelles sont les causes du stress résiduel ?

Les contraintes résiduelles se produisent lorsque des objets ou des composants sont sollicités au-delà de leur limite élastique, ce qui entraîne une déformation plastique. La déformation plastique peut être due à ce qui suit :

• Transformations de phase lors du refroidissement à partir de températures élevées.
• Traitements de surface comme l'émaillage, la galvanoplastie PVD et le revêtement CVD.
• Déformation plastique non uniforme pendant le chauffage et le refroidissement.
• Hétérogénéité d'ordre chimique ou cristallographique (nitruration ou cémentation)
• Déformation non plastique lors d'usinages mécaniques tels que le laminage, les opérations de formage (pliage ou étirage), l'usinage et les traitements mécaniques de surface (grenaillage et galetage).

Voici les trois causes de stress résiduel :

Variations thermiques :

La variation thermique se produit lorsqu'un objet est refroidi à partir d'une température, cela se produit souvent dans un joint soudé en raison de l'utilisation intense de la chaleur pour l'assemblage. De ce fait, il existe une grande différence de vitesse de refroidissement dans tout le corps, ce qui entraîne des variations localisées à la surface et à l'intérieur du matériau. Ce niveau différent de contractions thermiques crée des contraintes non uniformes dans un objet.

Pendant le refroidissement, la surface se refroidit plus rapidement et le matériau chauffé est comprimé au centre. Alors que la partie centrale du matériau prend du temps à refroidir, elle est contrainte par le matériau extérieur plus froid. Cela entraîne une contrainte de traction résiduelle dans la partie interne et une contrainte de compression résiduelle dans la partie externe du matériau.

Traitement mécanique :

Les contraintes résiduelles qui se produisent en raison de la déformation plastique sont causées par le traitement mécanique. Cela se produit lorsque la déformation plastique n'est pas uniforme sur la section transversale du matériau soumis à un processus de fabrication, tel que le pliage, l'étirage, l'extrusion, le laminage, etc.

Pendant le processus de déformation, une partie du matériau est élastique et l'autre est en plastique. Ainsi, lorsque la charge est supprimée, le matériau tente de récupérer la partie élastique de la déformation. Cependant, il est empêché de récupérer complètement en raison du matériau déformé plastiquement adjacent.

Transformation de phases :

La transformation de phase est une autre façon de provoquer une contrainte résiduelle. Cela se produit lorsqu'un matériau subit une transformation de phase, c'est-à-dire une différence de volume entre la phase nouvellement formée et le matériau environnant qui n'a pas encore subi la transformation de phase. Cette différence de volume provoque une dilatation ou une contraction du matériau, entraînant une contrainte résiduelle

Quels sont les effets du stress résiduel ?

Les contraintes résiduelles sont bénéfiques dans certaines situations, selon que la contrainte est en traction ou en compression. Les contraintes résiduelles de traction peuvent être suffisamment importantes pour provoquer une déformation ou une fissuration des matériaux. De plus, des contraintes de traction sont nécessaires dans la fissuration par fatigue et par corrosion sous contrainte. En effet, les contraintes résiduelles sont additionnées algébriquement aux contraintes appliquées. Les contraintes de traction résiduelles de surface combinées aux contraintes de traction appliquées peuvent réduire la fiabilité du matériau. De plus, les contraintes de traction résiduelles sont parfois suffisantes pour provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte.

Généralement, les contraintes de compression résiduelles de surface réduisent les effets des contraintes de traction appliquées. En fait, les contraintes de compression de surface contribuent à l'amélioration de la résistance à la fatigue et à la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte.

Comme indiqué précédemment, les contraintes résiduelles sont positives ou négatives, selon l'application. Des effets positifs sont obtenus lorsque des contraintes résiduelles sont mises en œuvre dans les conceptions de certaines applications, ce qui peut être obtenu par martelage au laser. Un martelage laser confère une contrainte résiduelle de compression à la surface d'un matériau. Cela durcit les surfaces fragiles ou renforce une section mince.

Généralement, les contraintes résiduelles peuvent également entraîner des effets négatifs. Bien que les contraintes soient souvent invisibles pour les fabricants, seulement si elles entraînent une distorsion importante. L'intégrité structurelle peut être affectée négativement, par exemple, les structures soudées à parois épaisses sont plus sujettes à la rupture fragile que les structures qui sont soulagées.

Types de contraintes résiduelles

Ci-dessous les différents types de contraintes résiduelles :

Contraintes résiduelles de traction :

Les contraintes résiduelles de traction diminuent la résistance à la fatigue et entraînent une rupture par fatigue. Ce sont généralement les effets secondaires des productions qui entraînent un broyage agressif qui provoque la croissance des fissures. Ils peuvent également introduire un rétrécissement, un ajustement, une flexion ou une torsion. La torsion reste toujours sur les composants coulés sous forme de contraintes résiduelles qui peuvent provoquer des fissures sur la surface du composant. De plus, la fissuration par corrosion sous contrainte est un événement qui se produit lorsqu'il existe des contraintes résiduelles de traction.

Contraintes résiduelles de compression :

Les contraintes résiduelles de compression augmentent à la fois la résistance à la fatigue et la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. Ils peuvent être formés intentionnellement par des processus tels que le grenaillage, le grenaillage au laser, le brunissage à faible plasticité et l'autofrettage. Le matériau durcit ou travaille à froid le matériau. Surtout, l'importance d'induire des contraintes résiduelles de compression est d'équilibrer les effets néfastes des contraintes de traction. Le processus de traitement thermique connu sous le nom de recuit de relaxation des contraintes est également utilisé pour réduire la contrainte de traction résiduelle.

Les contraintes résiduelles peuvent également être classées en trois types :

Contrainte résiduelle de type 1 :

Ces types de contraintes résiduelles sont connues sous le nom de contraintes macro-résiduelles souvent développées dans les grains. Ceci est le résultat de toute modification de l'équilibre de la contrainte résiduelle qui se traduira par une modification des dimensions macroscopiques. Les traitements ou procédés qui provoquent la distribution inhomogène des déformations produiront des contraintes résiduelles de type 1.

Contrainte résiduelle de type 2 :

Les contraintes résiduelles de type 2 sont des micro-contraintes résiduelles développées dans un grain. Ils peuvent de différentes tailles dans différents grains. La transformation martensitique est la meilleure pour produire cette contrainte résiduelle. Au cours du processus de transformation, une transformation incomplète de l'austénite est obtenue. Cependant, le volume de martensite est plus grand que l'austénite, ce qui entraîne différentes formes de contraintes résiduelles.

Contrainte résiduelle de type 3 :

Les contraintes résiduelles de type 3 sont des contraintes résiduelles sub-micro développées à plusieurs distances atomiques du grain. Leur formation est causée par des défauts cristallins tels que des lacunes, des dislocations, etc.

regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur les contraintes résiduelles :

Comment mesurer les contraintes résiduelles ?

Différentes techniques peuvent être utilisées pour mesurer la contrainte résiduelle, qui est généralement classée en Destructive, Semi-destructive, Non-destructive. Ils sont souvent utilisés en fonction des informations requises.

Apprenons à comprendre ces techniques de mesure des contraintes résiduelles !

Destructeur :

Les techniques de mesure destructives des contraintes résiduelles sont réalisées en détruisant l'objet ou le matériau à mesurer. Elles sont généralement réalisées à des fins de recherche et de développement. Et c'est une méthode moins chère de mesure et de détection des contraintes résiduelles par rapport aux tests non destructifs.

Les tests destructifs peuvent être effectués de deux manières :

• Méthode des contours

Les méthodes de contour déterminent la contrainte résiduelle en coupant un objet en deux et en mesurant leurs cartes de hauteur de surface vers le plan libre créé par la coupe. Cette méthode détermine les déformations causées par la distribution des contraintes résiduelles et est utilisée pour connaître la quantité de contraintes résiduelles à travers un modèle d'éléments finis élastiques de l'échantillon. Le résultat est une carte 2D de la contrainte résiduelle qui est normale au plan de mesure.

• Méthode de refente

Les méthodes de refendage sont des techniques utilisées pour mesurer à travers l'épaisseur de la contrainte résiduelle normale à un plan coupé à travers un objet. Cela implique de couper une fine fente par incréments de profondeur à travers l'épaisseur de la pièce. La déformation résultante mesurée est obtenue par la profondeur de fente. Et la contrainte résiduelle est calculée par la position dans l'épaisseur, qui est déterminée en résolvant un problème inverse à l'aide de déformations mesurées.

Semi-destructif :

Une technique de mesure de contrainte résiduelle semi-destructive est similaire à une technique de type destructif. En effet, ils utilisent un principe de relâchement de la contrainte pour déterminer la contrainte résiduelle. Mais seule une petite quantité de matériel a été enlevée plutôt que détruite. Il permet à la structure de mieux conserver son intégrité.

Les tests semi-destructifs sont également effectués de deux manières :

• Perçage de trous profonds

Le forage profond est réalisé en perçant un trou à travers l'épaisseur d'un matériau, en mesurant le diamètre du trou. Couper une fente circulaire autour du trou pour retirer un noyau de matériau autour du trou, puis remesurer le diamètre du trou. Les contraintes résiduelles sont ici découvertes par le changement géométrique.

• Perçage du trou central

Les techniques de forage de trou central consistent à percer un petit trou dans un objet. Ainsi, lorsque le matériau contenant la contrainte résiduelle est retiré, le matériau restant atteint un nouvel état d'équilibre. A cela, les déformations autour du trou sont associées. Des jauges de contrainte ou des méthodes optiques sont utilisées pour mesurer les déformations autour du trou lors de l'analyse. La contrainte résiduelle d'origine dans le matériau est calculée à partir des déformations mesurées.

Non destructif :

La méthode non destructive est une autre méthode de mesure et de test des contraintes résiduelles dans un matériau. Il s'agit de mesurer les effets des relations entre les contraintes résiduelles et leurs changements matériels dans l'espacement du réseau cristallin.

La méthode non destructive peut être réalisée de trois manières :

• Diffraction des neutrons

Les neutrons sont utilisés pour mesurer l'espacement des réseaux cristallins dans un matériau. Les neutrons présents dans l'objet ont une énergie comparable à celle des neutrons incidents. Cela permet de déterminer la contrainte résiduelle à partir de l'espacement du réseau.

• Diffraction des rayons X synchrotron

Un synchrotron est utilisé pour accélérer le rayonnement électromagnétique afin de permettre une véritable épaisseur connaissant l'espacement du réseau du matériau. Une approche similaire à la diffraction des neutrons est utilisée pour calculer la contrainte résiduelle.

• Diffraction des rayons X

La mesure de la contrainte résiduelle de surface est obtenue avec cette méthode car les rayons X ne pénètrent la surface de l'objet que de quelques centaines de microns.

Comment contrôler le stress résiduel

Le contrôle des contraintes résiduelles est courant sur les matériaux car il sera avantageux d'exiger une sorte de contrainte sur les applications. Les matériaux sont exposés à des conditions de fatigue ou de fissuration par corrosion sous contrainte ou si les contraintes résiduelles sont suffisamment importantes pour provoquer une déformation ou une fissuration des composants.

Le contrôle des contraintes résiduelles peut être réalisé par des traitements mécaniques tels que le grenaillage, le léger laminage à froid et l'étirage. De petites quantités de compression sont utilisées pour induire une contrainte résiduelle de compression à la surface d'un composant. Le traitement thermique de relaxation des contraintes, le contrôle du processus de traitement thermique et la sélection de l'alliage sont d'autres méthodes de contrôle des contraintes résiduelles.

Étant donné que la limite d'élasticité du métal diminue à mesure que sa température augmente, les métaux peuvent être détendus en chauffant à une température où la limite d'élasticité du métal est égale ou inférieure à l'amplitude de la contrainte résiduelle. Si cela se produit, le métal peut subir une déformation plastique microscopique, ce qui libérera au moins une partie de la contrainte résiduelle. Après la relaxation des contraintes, la contrainte résiduelle maximale laissée dans l'objet sera égale à la limite d'élasticité du matériau à la température de relaxation des contraintes.

Les contraintes résiduelles peuvent être réduites en utilisant des vitesses de refroidissement réduites pour réduire les variations de température, de sorte que les transformations de phase puissent se produire plus uniformément sur toute la section transversale d'un composant. Eh bien, cela sera basé sur la perspective du traitement des composants. Dans ce cas, des alliages de vitesses de refroidissement plus lentes peuvent être sélectionnés, tandis que les transformations de phase souhaitées se produiront toujours.

Conclusion

Les contraintes résiduelles se sont avérées être de position ou négatives sur le matériau. Ils peuvent se produire et réduire la longévité du matériau et aussi, ils peuvent être volontairement mis en œuvre dans un objet pour obtenir certaines contraintes résiduelles. Dans cet article, nous avons vu la définition, les types, les causes, les effets, le contrôle et comment mesurer les contraintes résiduelles.

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