Les contraintes résiduelles issues de l’usinage sont-elles toujours néfastes aux performances ?
D’un point de vue ingénierie et métallurgique, les contraintes résiduelles issues de l’usinage ne sont pas universellement néfastes ; leur impact sur les performances dépend entièrement du type (traction ou compression), de la magnitude, de la profondeur et de la distribution de ces contraintes par rapport aux charges de service de la pièce. Considérer de manière simpliste que toute contrainte résiduelle est mauvaise peut conduire à manquer des opportunités d’amélioration des performances.
La double nature des contraintes résiduelles
Contraintes résiduelles de traction : effets néfastes
Dans la grande majorité des cas, les contraintes résiduelles de traction en surface ou proches de la surface sont indésirables et même nuisibles. Elles agissent comme une précharge qui s’ajoute aux charges de service appliquées, réduisant ainsi la résistance à la fatigue et favorisant l’initiation et la propagation des fissures. Cela est particulièrement critique pour les composants soumis à des charges cycliques, tels que ceux utilisés dans les secteurs de l’aéronautique et de l’aviation ou de l’automobile. De plus, les contraintes de traction peuvent accélérer la fissuration sous contrainte corrosive (SCC) dans certains environnements et réduire la stabilité au flambage des structures à parois minces. Ces contraintes apparaissent généralement lors d’usinages agressifs qui génèrent un excès de chaleur, provoquant la déformation plastique du matériau de surface puis sa contraction lors du refroidissement, plaçant ainsi la surface en tension.
Contraintes résiduelles de compression : effets bénéfiques
À l’inverse, les contraintes résiduelles de compression en surface sont souvent introduites intentionnellement afin d’améliorer les performances. Les contraintes de compression doivent être surmontées par les charges de traction de service avant qu’une fissure ne puisse se former. Cela améliore considérablement la durée de vie en fatigue, la résistance à la propagation des fissures et la résistance à certaines formes d’usure et de fretting.
Des procédés tels que le grenaillage (shot peening), la nitruration et le grenaillage laser sont spécifiquement conçus pour induire une couche profonde de contraintes de compression en surface. Même certains procédés d’usinage et de meulage contrôlés, lorsqu’ils sont optimisés avec la géométrie d’outil et les paramètres adéquats, peuvent être conçus pour laisser un état de contrainte compressive nette à la surface, transformant ainsi un problème potentiel en avantage fonctionnel.
Stratégies d’usinage pour contrôler les contraintes résiduelles
L’objectif de l’usinage moderne n’est pas nécessairement d’éliminer toutes les contraintes résiduelles, mais de les gérer. Pour les composants critiques, cela implique :
Optimisation des paramètres d’usinage : Utilisation d’outils tranchants, d’angles de coupe positifs, de liquides de refroidissement à haute pression et de vitesses d’avance adaptées afin de minimiser la génération de chaleur et la déformation plastique, réduisant ainsi la magnitude des contraintes de traction.
Détente après usinage : Une étape essentielle de traitement thermique, notamment après les opérations d’ébauche, pour homogénéiser et réduire le niveau global de contraintes dans la pièce avant l’usinage final.
Ingénierie intentionnelle des contraintes : Pour l’opération finale, choisir un procédé connu pour induire des contraintes de compression bénéfiques, ou spécifier un traitement secondaire tel que le grenaillage après l’usinage complet.
Conclusion : le contexte est essentiel
Il est donc erroné d’affirmer que les contraintes résiduelles induites par l’usinage sont toujours néfastes. L’essentiel est de définir d’abord les exigences de performance de la pièce. Pour un support statique non critique, ces contraintes peuvent être négligeables. Cependant, pour un disque de turbine rotatif en Inconel 718 ou un composant de suspension soumis à des charges dynamiques, l’état de contrainte résiduelle est un paramètre de qualité crucial qui doit être rigoureusement contrôlé et souvent conçu pour être compressif. La sophistication consiste à comprendre cette dualité et à spécifier les procédés de fabrication en conséquence.
