Contraintes résiduelles
Traitements de surface mécaniques - Principes

D’après les analyses statistiques sur les causes de la défaillance des composants mécaniques, on constate que, dans la grande majorité des cas, la défaillance est due à la rupture de la pièce avec un amorçage en surface. La qualité de la couche superficielle est donc un facteur essentiel pour l’intégrité mécanique des structures mécaniques. En effet, les zones superficielles sont souvent les plus sollicitées à causes des concentrations de contraintes imposées par la géométrie d’une pièce mécanique qui possède des trous, des entailles et autres discontinuités géométriques. En plus, à l’exception des sollicitations mécaniques par contact, les contraintes d’origines mécaniques et thermomécaniques sont très souvent maximales en surface, on peut citer la flexion et la torsion, et le choc thermique. Même pour une sollicitation en traction, les rugosités en surface génèrent une concentration de contraintes locales qui fait augmenter le niveau de contraintes mécaniques. La surface d’une pièce mécanique est aussi une zone de contact avec l’environnement hostile comme l’air, pour des problèmes d’oxydation, et le milieu corrosif. Elle est également la partie d’une pièce où se produisent les phénomènes de fretting, d’usure et de frottement, de grippage et de matage. Combinant tous les facteurs défavorables, la surface d’une pièce mécanique est une zone particulièrement vulnérable qui intéresse les mécaniciens pour la conception mécanique et les spécialistes de matériaux pour améliorer les performances mécaniques et globales.

Pour améliorer les propriétés de surface, il existe un nombre important de procédés de fabrication comme les traitements thermiques et thermochimiques, les dépôts en phase vapeur (PVD et CVD), les projections thermiques, les traitements de surface mécaniques. Dans ce dossier, nous allons traiter essentiellement la dernière catégorie de traitements.

Les traitements de surface mécaniques sont des procédés qui permettent d’améliorer les performances des matériaux par une action combinée de durcissement superficiel, de modification structurale et d’introduction de contraintes résiduelles de compression grâce à une déformation plastique hétérogène à la surface des composants mécaniques. Les traitements les plus utilisés sont le grenaillage de précontrainte, le galetage, le martelage, le choc laser, la génération de nanostructures par des déformations plastiques aléatoires introduites à la surface des matériaux. Le principe de base est la mise en application d’une pression à la surface d’un matériau pour provoquer une déformation plastique soit par un outil de forme comme pour le grenaillage ou le galetage, soit par une onde de choc comme pour le traitement par choc laser. Cette déformation plastique n’est pas homogène sur la profondeur de la pièce à partir de la surface traitée. Ce type de traitements génère des contraintes résiduelles de compression qui sont souvent favorables pour la résistance à la fatigue et à la corrosion. Suite à des déformations plastiques, le matériau peut se durcir grâce à un écrouissage superficiel et/ou peut réduire la taille de grain ou générer une transformation de phase. Ces changements structuraux sont aussi favorables dans une majorité de cas vis-à-vis des sollicitations mécaniques comme la fatigue, l’usure et le frottement. Si la dureté et la taille des grains sont des paramètres bien connus des mécaniciens et des métallurgistes et communs par rapport aux autres traitements de surface, l’introduction des contraintes résiduelles de compression constitue une particularité. L’autre caractéristique particulière de ces traitements de surface mécaniques est l’état de surface des pièces traitées. En effet, après le traitement, l’état de surface et la géométrie locale des pièces sont souvent modifiés par rapport à l’état initial. Dans le cas du grenaillage et du martelage, une détérioration de l’état de surface est fréquemment observée. En revanche, les traitements par galetage et par choc laser peuvent engendrer une amélioration ou une conservation de l’état de surface si les conditions optimales de traitement sont appliquées. Les différents paramètres pouvant être modifiés seront évoqués ainsi que leurs conséquences sur les propriétés d’emploi. Ce dossier a pour objectif de présenter les principes de base des différents traitements de surface mécaniques. Le dossier suivant [M 1 191] présente les paramètres importants qui vont jouer sur les résultats de ces traitements. Les détails technologiques comme la configuration des machines, les conditions de traitement et leurs effets sur les performances des matériaux seront présentés dans les dossiers suivants de cette série sur les traitements de surface mécaniques.

Les références bibliographiques sont regroupées dans le Pour en savoir plus .