Caractérisation du comportement mécanique de surfaces hyper-déformées par des phénomènes de contact

par David Tumbajoy Spinel

Thèse de doctorat en Sciences et Génie des Matériaux

Sous la direction de Guillaume Kermouche.

Soutenue le 09-11-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec LAMCOS - INSA Lyon (laboratoire) et de UMR 5307 - Laboratoire Georges Friedel (laboratoire) .

Le président du jury était Cécile Langlade.

Le jury était composé de Guillaume Kermouche, Cécile Langlade, Salima Bouvier, Marc Verdier, Constance Morel, Xavier Maeder, Jean-Michel Bergheau, Sylvie Descartes.

Les rapporteurs étaient Salima Bouvier, Marc Verdier.


  • Résumé

    Dans l’industrie, les traitements mécaniques de surface métalliques permettent d’améliorer les conditions de service des pièces mécaniques. Les effets de contact de ces types de procédés engendrent une forte déformation plastique du matériau et par conséquent une transformation microstructurale en sous-surface. Cette transformation se manifeste dans le raffinement progressif de la microstructure dans une couche de quelques dizaines de micromètres. Celle-ci est souvent dénommé "surface tribologiquement transformée" (en anglais : Tribologically Transformed Surface - TTS). Une telle transformation microstructurale conduit à une augmentation des propriétés mécaniques en extrême surface et rend le matériau plus résistant aux conditions de frottement, usure et fatigue.Dans le cadre de cette étude, deux procédures de transformation microstructurale ont été employées sur un matériau modèle : le fer-α. Pour la première technique (grenaillage), la surface est impactée de façon répétitive avec des billes métalliques projetées à grande vitesse. Concernant la deuxième méthode (micro-percussion), la surface est impactée répétitivement à un endroit précis avec un indenteur conique rigide.L’objet de ce projet se centre sur trois aspects principaux : (i) déterminer les gradients mécaniques et microstructuraux induits sur les deux types de surfaces transformées (grenaillage et micro-percussion), (ii) établir un lien quantitatif entre les mesures faites par deux types d’essais micromécaniques (nano-indentation et micro-compression de piliers) et (iii) mettre en évidence les effets microstructuraux impliqués (taille de grain, densité de dislocations, etc...) dans l’augmentation des propriétés mécaniques par hyper-déformation de surfaces.

  • Titre traduit

    Characterization of the mechanical behavior of hyper-deformed surfaces induced by contact effects


  • Résumé

    The mechanical surface treatments confer better local mechanical properties against wear or fatigue service conditions. In the case of impact-based treatments, the material is exposed to repeated mechanical loadings, producing a severe plastic deformation in the near-surface. It leads to a local and progressive refinement of the microstructure into the affected zone, commonly known as Tribologically Transformed Surface (TTS). For this project, two mechanical surface treatments are used in a model material (pure α-iron): (i) shot-peening and (ii) micro-percussion.The resulting surfaces are characterized by a mechanical property gradient in-depth as a consequence of the microstructural transformation over a few tens of microns. Nowadays, it is well-known that this rise of local mechanical properties could improve the service lifetime of materials. However, a simple micro-hardness test is not quite enough to quantify precisely the engendered variation of mechanical properties and understand the influence of several microstructural effects. For this purpose, two micro-mechanical tests are considered: (i) nano-indentation and (ii) in situ micro-pillar compression.The main issue of this work is to characterize the mechanically-induced transformed surfaces and correlate the mechanical properties gradients with the local microstructural evolutions. Indeed, three main goals are considered: (i) quantify the mechanical and microstructural gradients induced by the surface treatments (shot-peening and micro-percussion), (ii) correlate the results obtained by the means of both mechanical tests (nano-indentation and micro-pillar compression) and finally (iii) investigate the influence of several microstructural effects related with the graded strengthening of hyper-deformed surfaces.


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