Effect of surface integrity on the fatigue life of a bainitic steel after finishing milling

Rôle de l’intégrité de surface dans la tenue en fatigue d’un acier bainitique après fraisage de finition

Aurélien Souto-Lebel (1)

1 LMT - Laboratoire de Mécanique et Technologie

This thesis focuses on the effects of finishing milling on fatigue damage. Machining processes such as milling are known to incur high thermomechanical loadings, which alter the geometrical (roughness) and mechanical (residual stresses, strain hardening) properties of the surface and sub-surface of produced parts. These properties, designated as surface integrity, are likely to affect significantly the fatigue strength of machined parts. The problem has been studied here in the case of the ball-end tool finishing milling of bainitic steels. Several approaches were followed, starting with the measurement and characterization of surface integrity, and especially of its anisotropic nature. Secondly, the role played by surface integrity during fatigue behaviour was highlighted through a bending test campaign including different surface types. These mainly empirical works were completed with the study and improvement of a hybrid approach aiming at combining experimental data and modelling in order to predict quickly and efficiently the residual stress profiles induced by the process. Finally, the last part of the study has dealt with taking account of the results thus obtained in a so-called two-scale damage model, in order to describe, and insofar as possible, to predict the fatigue behaviour of the machined material.

L’objet de cette thèse est la prise en compte des effets du fraisage de finition dans un modèle d’endommagement en fatigue. Les procédés d’usinage tels que le fraisage sont connus pour imposer de fortes sollicitations thermomécaniques, pouvant altérer les propriétés géométriques (rugosité, arrachements) et mécaniques (contraintes résiduelles, écrouissages) en surface et sous-surface des pièces produites. Ces propriétés, regroupées sous le terme d’intégrité de surface, sont susceptibles d’affecter significativement la tenue en fatigue des pièces fabriquées. Cette problématique a été traitée pour le cas particulier du fraisage de finition à l’outil hémisphérique d’aciers à microstructure bainitique. Plusieurs axes d’étude ont été suivis, à commencer par la mesure et la caractérisation de l’intégrité de surface, et en particulier de son caractère anisotrope. Dans un deuxième temps, le rôle joué par l’intégrité de surface lors de sollicitations en fatigue a été mis en évidence au travers d’une campagne d’essais de flexion portant sur différents types de surface. Ces travaux à dominante empirique ont été complétés par l’étude et l’amélioration d’une approche hybride visant à mêler données expérimentales et modélisation pour prévoir rapidement et efficacement les profils de contraintes résiduelles induits par le procédé. Enfin, la dernière partie de l’étude a porté sur la prise en compte des résultats ainsi obtenus dans un modèle d’endommagement dit à deux échelles, dans le but de représenter, et dans la mesure du possible de prévoir, l’effet de l’intégrité de surface sur le comportement en fatigue du matériau.

Mots clés: Bainitic steel; Residual stress; Fatigue; Microgeometry; Ball-end tool

Mots clés: Acier bainitique; Contraintes résiduelles; Fatigue; Microgéométrie; Outil hémisphérique; Usinage à grande vitesse

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Aurélien Souto-Lebel. Rôle de l’intégrité de surface dans la tenue en fatigue d’un acier bainitique après fraisage de finition. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2014. Français. ⟨NNT : 2014DENS0028⟩. ⟨tel-01127151⟩