Stress résiduel et six méthodes courantes pour son élimination

Les contraintes résiduelles sont un type de contrainte inhérente ou interne. Pour certaines pièces ou normes, un traitement de relaxation des contraintes est nécessaire afin de satisfaire aux exigences d'utilisation réelles. Les principales méthodes sont les suivantes :

1. Méthode de martelage

Cette méthode consiste à frapper les zones de la pièce où les contraintes résiduelles sont concentrées à l'aide d'un marteau en acier. La surface métallique soumise aux coups de marteau subit une contrainte de compression et une déformation plastique locale, ce qui réduit la valeur maximale des contraintes résiduelles, améliore et équilibre leur distribution initiale et prévient la rupture fragile. Cette méthode est particulièrement adaptée aux pièces soudées et est largement utilisée dans les opérations de soudage, mais moins courante pour les pièces embouties.

2. Méthode de vieillissement par vibration

À l'aide d'un équipement spécialisé, la pièce est soumise à des forces externes périodiques afin d'induire une résonance. Ce phénomène provoque le glissement ou le maclage de grains microscopiques au sein de la pièce, réduisant ainsi la contrainte résiduelle maximale et équilibrant sa distribution. Cette méthode permet d'éliminer environ 50 % de la contrainte résiduelle ou d'en réduire la valeur maximale de moitié en une heure. Largement utilisée, efficace et économique, elle ne permet toutefois pas d'éliminer complètement les contraintes résiduelles concentrées à l'intérieur de la pièce.

3. Vieillissement par traitement thermique

Également appelée vieillissement artificiel, cette méthode traditionnelle élimine les contraintes résiduelles. Elle consiste généralement en un recuit ou un revenu. La pièce est chauffée lentement et uniformément à environ 600 °C à l'aide d'un équipement de traitement thermique, maintenue à cette température pendant 4 à 8 heures, puis refroidie progressivement en dessous de 120 °C avant d'être retirée et refroidie à température ambiante. Cette méthode est très efficace, rapide et complète pour éliminer les contraintes résiduelles.

4. Le vieillissement naturel

La pièce est laissée à l'extérieur ou en état statique, ce qui permet aux contraintes résiduelles de se dissiper progressivement. Cette méthode ne convient pas à la production industrielle à grande échelle. Cependant, pour les composants critiques de grande valeur ou de haute précision, on utilise couramment une combinaison de vieillissement artificiel et de vieillissement naturel.

5. Détensionnement par soudage

Lors du soudage, la zone de soudure chauffe et se dilate rapidement, tandis que la zone affectée thermiquement (ZAT) reste plus froide, limitant ainsi sa dilatation. Ceci génère des contraintes de compression dans la soudure et des contraintes de traction dans la ZAT. La soudure, étant à l'état plastique, atténue partiellement ces contraintes. Lors du refroidissement, la ZAT refroidit plus rapidement et atteint un état élastique, tandis que la soudure reste à l'état plastique. La soudure se contractant plus lentement que la ZAT, des contraintes de compression persistent dans la soudure, mais sa plasticité en atténue une partie.

6. Réduction des contraintes résiduelles en usinage

Après usinage, certains traitements permettent de corriger les contraintes résiduelles en surface. Le renforcement superficiel est actuellement l'une des méthodes les plus courantes.

procédés de renforcement de surface induire une déformation plastique à froid à la surface de la pièce afin d'accroître sa dureté et sa résistance superficielles, et de générer des contraintes résiduelles de compression. Les procédés courants comprennent :

• Grenaillage : Le projectile à haute vitesse impacte la surface de la pièce, provoquant une déformation plastique et un écoulement, créant ainsi une couche superficielle durcie et des contraintes de compression résiduelles. Convient aux surfaces irrégulières ou complexes telles que les ressorts ou les bielles.

• Brunissage au rouleau : Les rouleaux exercent une pression uniforme sur la surface de la pièce afin de la renforcer et d'induire des contraintes de compression résiduelles. Ce procédé convient aux surfaces régulières telles que les cylindres extérieurs, les alésages ou les plans, et peut être mis en œuvre sur des machines existantes moyennant l'ajout d'outils.

• Usinage sous précontrainte : Ce procédé consiste à appliquer une contrainte élastique préalable à la pièce avant la coupe. Lors de la coupe, une déformation élastique se produit, et après la relaxation des contraintes, une contrainte de compression résiduelle se forme sur la surface usinée. Cette méthode ne nécessite pas d'équipement coûteux, n'augmente pas la dureté de surface et présente un fort potentiel de développement.