Experimental and numerical analysis of the distribution of residual stresses induced by laser shock peening in aluminium alloy.

Analyse expérimentale et numérique de la distribution des contraintes résiduelles induites par choc-laser dans les alliages d'aluminium.

Hongbin Song (1)

1 PIMM - Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux

The objective of this study is to analyze the distribution of residual stresses induced by laser shock peening (LSP) in 2 aluminums alloys (6056-T4 and 2050-T8) by the X-ray diffraction (XRD) and finite element numerical modeling with a particular attention to the very surface of material. In order to study the distribution of residual stresses (RS) in the very near layer (Iess than 10iJm), two analysis methods with pseudo-grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD): sin24J* method and multi-reflections have been applied and adapted. These two methods have been tested successfully and allow us for the first time to estimate the mechanical state distribution near the very surface after LSP. The numerical simulation of mechanical state induced by LSP on 3 dimensions (3D) has been developed during this study. The utilization of valid charge P=f(t) and of limit conditions set up (infinite element on the edge of sol id) permit us to estimate the strain and RS induced by one or several laser impacts. Several improvements have been implemented on the model, like the consideration of distinct behavior for the very layers and the core of material. The model has been carried out on different experimental conditions (percentage of overlap, impact diameter and variable pressure) and has been confronted successfully to the experiment.

L'objectif de cette étude est d'analyser le gradient des contraintes résiduelles induites par le traitement de choc laser (CL) sur 2 alliages d'aluminium (6056-T4 et 2050-T8) par la diffraction des rayons X (DRX) et par modélisation numérique en éléments finis, en portant une attention particulière à l'extrême surface du matériau. Pour étudier le gradient des contraintes résiduelles (CR) à l'extrême surface (moins de 10 μm), deux méthodes d'analyse par DRX en faible incidence (sin²ψ* et multi-réflexions) ont été adaptées et appliquées. Les deux méthodes ont été testées avec succès et ont permis pour la premières fois, d'accéder aux états mécaniques proches de la surface après CL. Un modèle de simulation numérique en 3D de l'état mécanique induit par choc-laser a également été développé au cours de cette étude. L'utilisation de chargements P=f(t) valides et de conditions aux limites réalistes (élément infinis en bord de massif) a permis d'estimer les déformations et les contraintes résiduelles introduites par un ou par plusieurs impacts laser. Différentes améliorations ont pu être apportées au modèle, comme la prise en compte de comportements distincts pour les couches superficielles, et le matériau à cœur. Le modèle a été appliqué à différentes conditions expérimentales (taux de recouvrement, diamètre d'impact et pression variables) et a pu être confronté avec succès en expérience, que ce soit pour la simulation de mono-impact laser ou pour la simulation de multi-impacts. L'approche numérique nous a également permis d'évaluer l'hétérogénéité de la distribution de contraintes résiduelles en surface du matériau.

Mots clés: X-Ray diffraction; Pseudo-grazing incidence; Residual stresses; Gradient; Laser shock peening; Modelling; Finis Elements; Aluminium alloy

Mots clés: Diffraction des rayons X; Faible incidence; Contraintes résiduelles; Choc laser; Simulation; Elément finis; Alliage d'aluminium

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Hongbin Song. Analyse expérimentale et numérique de la distribution des contraintes résiduelles induites par choc-laser dans les alliages d'aluminium.. Sciences de l'ingénieur [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 2010. Français. ⟨NNT : 2010ENAM0002⟩. ⟨pastel-00005901⟩