Etude de l'endommagement pendant la mise en forme à froid de tôles d'aluminium

Grenier Jean-Christophe

Description

Chapitre IV Evolutions expérimentales de l’endommagement pendant la mise en forme IV.1. Introduction Le chapitre précédent a décrit l’état initial des différents alliages avant mise en forme. Il a également donné une estimation de la dispersion des résultats liée à la méthode et aux prélèvements. Ce chapitre présente les analyses d’endommagement faites cette fois pendant la mise en forme pour les alliages suivants: 5182, 6181et 3103. Les résultats concernant l’alliage 1200 ne seront pas présentés, le niveau d’endommagement atteint étant très faible dans cet alliage (le nombre de porosités observables dans le volume d’analyse était trop petit pour être statistiquement exploitable). La mise en forme est simulée par des essais de traction, traction plane et gonflement hydraulique. Seuls les essais de traction peuvent être réalisés in situ en tomographie. Pour les autres essais, les échantillons analysés sont prélevés sur des éprouvettes macroscopiques. Une première partie vérifie la représentativité de l’essai de traction in situ par rapport aux essais macroscopiques. Ensuite, les résultats sur les essais in situ sont donnés pour les trois alliages et de manière plus approfondie pour le 5182. L’effet du chemin de déformation est ensuite présenté alliage par alliage avec les trois essais mécaniques couvrant le domaine des CLF : • en traction e = -e /2, 2 1• en traction plane e = 0, 2• en gonflement e = e . 2 1Ceci permet de proposer une ...

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Extrait

 

Chapitre IV Evolutions expérimentales de l’endommagement pendant la mise en forme

IV.1. Introduction Le chapitre précédent a décrit l’état initial des différents alliages avant mise en forme. Il a également donné une estimation de la dispersion des résultats liée à la méthode et aux prélèvements. Ce chapitre présente les analyses d’endommagement faites cette fois pendant la mise en forme pour les alliages suivants: 5182, 6181et 3103. Les résultats concernant l’alliage 1200 ne seront pas présentés, le niveau d’endommagement atteint étant très faible dans cet alliage (le nombre de porosités observables dans le volume d’analyse était trop petit pour être statistiquement exploitable). La mise en forme est simulée par des essais de traction, traction plane et gonflement hydraulique. Seuls les essais de traction peuvent être réalisés in situ en tomographie. Pour les autres essais, les échantillons analysés sont prélevés sur des éprouvettes macroscopiques. Une première partie vérifie la représentativité de l’essai de traction in situ par rapport aux essais macroscopiques. Ensuite, les résultats sur les essais in situ sont donnés pour les trois alliages et de manière plus approfondie pour le 5182. L’effet du chemin de déformation est ensuite présenté alliage par alliage avec les trois essais mécaniques couvrant le domaine des CLF : •en tractione 2 = -e 1 /2, •en traction planee 2 = 0 , en gonflemente 2 =e 1 . •     Ceci permet de proposer une description schématique de l’état d’endommagement par rapport aux CLF. Comme décrit dans le chapitre III et par souci de synthèse, les mesures exploitées portent sur les paramètres suivants : •nombre de pores par mm 3 pour quantifier l’amorçage,   •fraction volumique de particules endommagées pour quantifier l’amorçage,   •moyen des pores pour quantifier lavolume croissance,  

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•fraction volumique de pore pour quantifier l’endommagement résultant.       Nous introduisons aussi en fin de chapitre les paramètres principaux d’endommagement au sens des fractions surfaciques de sections poreuses D i , selon les directions principales de déformation, pour quantifier l’anisotropie de l’endommagementpour les différents états et chemins de déformation. Nous donnons notre vision de la relation du dommage à la formabilité en comparant des iso-endommagements dans des diagrammes (e 1 ,e 2 ) de type CLF dans deux paragraphes : §IV.4.4 amorçage, croissance et fraction volumique de porosité f p vis à vis des CLF, §IV.5.4 anisotropie au travers des Di vis à vis des CLF.  

IV.2. Comparaison entre essais de traction in situ et macroscopiques.   Ce paragraphe vise à montrer que l’essai de traction in situ réalisé sur de petites éprouvettes est raisonnablement représentatif des essais macroscopiques sur grandes éprouvettes. Les essais ont été réalisés dans la direction de laminage. Trois échantillons macroscopiques ont été déformés : un à 10% et deux à 18%. Dans chacun des échantillons, deux zones ont été analysées. Il apparaît donc six points macroscopiques sur les figures suivantes symbolisées par des carrés, alors que les mesures In Situ IS sont matérialisées par une courbe en trait gras. Sur la Figure IV-1, il y a un bon accord entre le nombre de pores par mm 3 mesuré in situ et dans les échantillons macroscopiques. Une des zones analysées semble avoir un grand nombre de pores. Cette mesure reste cependant dans la fourchette d’incertitude définie au chapitre III. Sur la Figure IV-2 comparant la croissance, on observe également un bon accord. Une des zones à 10% de déformation semble avoir une croissance plus forte mais encore une fois dans l’incertitude de mesure définie. L’endommagement global, Figure IV-3 , évolue de manière comparable lors d’un essai de traction IS et lors d’essais de traction macroscopiques. Pour la suite de ce mémoire, nous nous autoriserons donc à comparer des essais IS à des essais macroscopiques. Rappelons que l’essai IS présente à nos yeux l’énorme avantage de réduire l’incertitude lié à la dispersion de l’état initial. Il permet également une mesure locale de la déformation comme nous allons le voir dans le paragraphe suivant.

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150 000 IS 120 000  macro 90 000 nb par mm 3 60 000 30 000 0 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 e 1   Figure IV-1 Comparaison entre essais de traction IS et macroscopiques: nb de pores / mm 3 .

18 IS 15 macro 12 9 vol en µm 3 6 3 0 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 e 1   Figure IV-2 Comparaison entre essais de traction in situ et macroscopiques: volume des pores.

0.25% IS 0.20% macro 0.15% f p 0.10% 0.05% 0.00% 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 e 1   Figure IV-3 Comparaison entre essais de traction in situ et macroscopique: fraction volumique de pores.

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IV.2.1. Détermination de la déformation locale

IV.2.1.1. Traction in situ Pendant un essai de traction in situ, les déformations locales peuvent être mesurées directement à partir des images. Celles-ci sont calculées en suivant l’évolution des positions de certaines particules qui sont utilisées comme marqueurs internes. Sur la Figure IV-4, les valeurs absolues des déformations vraies mesurées à partir des images 3D sont tracées en fonction de la déformation longitudinalee 1 . Compte tenu du faible taux de porosité, la conservation du volume est vérifiée :e 1 = |e 2 +e 3 |. L’écart type des déformations mesurées est de l’ordre de 2%. Il est dû à la dispersion des déformations dans la matrice et à la détermination à quelques voxels près du centre des particules repérées. Le dernier point de déformation n’est pas encore dans le domaine final de la rupture, les échantillons ayant été testés jusqu’au début de la striction.  

e1 e2 e3 e2 + e3

40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% e1   Figure IV-4 5182, traction IS dans le sens long, écart type des déformations.

  La contraction transverse est légèrement anisotrope. La perte d’épaisseure 3  est supérieure à la contraction dans la tôlee 2 soit un coefficient de Lankforde 2 /e 3 = 0,76. Ceci est en bon accord avec les mesures macroscopiques fournies par les partenaires du projet européen. (§III.1) 108

 

  IV.2.1.2. Les essais macroscopiques   La technique de mise en œuvre des autres essais mécaniques a été présentée chapitre II. Les moyens de mesure de la déformation existent en gonflement et en traction plane. Pour être encore plus précis, lorsque cela a été possible, la forme externe de nos échantillons a été mesurée. Ceci permet de calculer la déformatione 3 , à partir de la variation de l’épaisseur de nos échantillons. Les deux autres déformations en sont ensuite déduites en fonction du chemin de déformation.   IV.3. Essais de traction in situ Une description qualitative de l’endommagement est d’abord proposée dans cette section. Ensuite l’endommagement sera quantifié pour les trois alliages en traction dans la direction de laminage. Enfin, pour l’alliage 5182, nous étudierons l’effet de l’orientation de la direction de traction par rapport à celle du laminage et également l’effet d’une entaille modifiant la triaxialité des contraintes. IV.3.1. Approche qualitative Qualitativement, il est possible de suivre une même zone repérée à partir des positions de particules remarquables. Par exemple, la Figure IV-5 représente une même zone dans plusieurs états de déformation. Les porosités sont imagées en noir ici et les voxels situés dans la matrice et dans les intermétalliques ont été rendus transparents. On constate qu’il y a à la fois apparition de nouvelles porosités et croissance des porosités.    

  100µm    

Figure IV-5 Traction in situ, porosité dans l’alliage 5182, 3 états de déformation de: 0% à 30%.  

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  La Figure IV-7 présente des coupes en niveau de gris extraites des images tomographiques. Pour chaque alliage, des coupes dans les trois plans principaux sont présentées. Transversalement au laminage, dans les coupes de gauche, les trous apparaissent isolés. Ceci est trompeur car avec les vues normale et travers, nous constatons qu’en fait les porosités sont toujours associées aux particules. Deux mécanismes d’endommagement sont distingués :

 la rupture de la particule en deux fragments séparés par une microfissure • préférentiellement dans les alliages 5182 et 6181. •la décohésion de l’interface matrice-particule préférentiellement dans l’alliage à matrice « molle » 3103,   Nous pouvons comparer ces vues aux états initiaux présentés Figure III-2 même si ce ne sont pas les mêmes zones dans le cas présent. Nous pouvons percevoir sur ces coupes que les pores sont plus larges et que le nombre de particules endommagées a augmenté.     La Figure IV-6 présente des particules en 3D. A gauche, on peut voir une phase au Mn dans le 3103 présentant une décohésion de l’interface particule-matrice et à droite dans le 5182 une rupture de phase au fer en deux fragments séparés par une microfissure.        

20µm

sl n st                     Figure IV-6 Mécanismes d’endommagement en traction, vues 3D, à gauche décohésion d’une particule riche en Mn dans l’alliage 3103, à droite particule riche en fer rompue en deux fragments dans l’alliage 5182.  

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5182 e 1   = 32 %

                    

6181 e 1 = 28%

                    

3103 e 1   = 30%

 

 

 

 

 

                        n sl sl sl st n st st n                                                                  Figure IV-7 Mécanismes d’endommagement en traction, coupes tomographiques de 70 µm de côté .               

 

 

 

 

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IV.3.2. Traction in situ dans le sens long pour les trois alliages Les évolutions quantitatives de densité numérique de pores (caractérisant l’amorçage) sont tracées Figure IV-8 pour les trois alliages 5182, 6181 et 3103. Le 5182 et le 6181 suivent le même rythme de nucléation alors que le 3103 suit un rythme un peu moins rapide qui semble légèrement saturer. Ces observations sont les mêmes, Figure IV-9, pour la fraction volumique de particules endommagées, autre paramètre quantifiant l’amorçage. Figure IV-10, le 3103 et le 5182 présentent le même rythme de croissance des pores alors que les pores grossissent peut-être un peu moins vite dans le 6181. Concernant l’endommagement global, Figure IV-11, l’évolution de la fraction volumique de pores suit le même rythme pour les trois alliages. Les niveaux de porosité atteints sont, eux, différents car l’endommagement initial est différent. Par exemple, les alliages 5182 et 6181 ont des fractions volumiques de porosité sensiblement identiques mais des nombres et volumes moyens opposés qui se compensent. Ceci est à relier à la microstructure de départ (la taille et le nombre de particules présentent dans l’alliage après laminage). Il ressort clairement ici que les évolutions de la fraction volumique de porosité étant quasiment parallèles, la limitation du nombre et de la taille des porosités issues du laminage est un point essentiel pour la limitation de la progression du dommage.

 

250 000  3103 5182 200 000  6181 150 000 nb / mm 3 100 000 50 000 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 e 1 Figure IV-8 Traction IS sens long, densité numérique de pores.

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0.35

 

 

 

 

100% 90% 3103 80% 5182 70% 6181 60% F 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 e 1   Figure IV-9 Traction IS sens long, fraction volumique de particules endommagées.

25 3103 5182 20 6181 15 vol µm 3 10 5 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 e 1 Figure IV-10 Traction IS sens long, volume moyen des pores.

0.50% 3103 0.40% 5182 6181 0.30% f p 0.20% 0.10% 0.00% 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 e 1 Figure IV-11 Traction IS sens long, fraction volumique de pores.

0.35

 

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IV.3.3. Traction in situ, 5182, comparaison entre sens long, sens travers et avec effet d’entaille. Les figures suivantes montrent les résultats obtenus sur plusieurs essais de traction in situ sur le 5182. Le premier échantillon a été sollicité dans le sens du laminage. Le second a été sollicité en traction dans le sens travers. Le dernier est un échantillon entaillé (voir type d’éprouvette §II.3.1.2), sollicité dans le sens du laminage. La Figure IV-12 montre un retard dans la nucléation de nouveaux pores dans le sens travers. Cette remarque concernant l’amorçage est confirmée par la mesure de la fraction de particules endommagées (Figure IV-13). Par contre, en terme de croissance, Figure IV-14, les volumes moyens des pores dans les deux directions de sollicitation évoluent au même rythme.   La Figure IV-12 montre que l’entaille conduit à un rythme de nucléation légèrement supérieur à celui sans entaille. La Figure IV-14 montre que l’entaille entraîne également un rythme de croissance plus important que sans entaille. La triaxialité des contraintes (tr(Σ)/(3σ eq V Mises 0,45 pour l’échantillon entaillé (contre 0,33 dans un)) est de l’ordre de échantillon sans entaille). La Figure IV-15 présente l’endommagement total résultant en terme de fraction volumique de pores pour les trois essais de traction in situ effectués sur cet alliage. Il ressort qu’à une déformatione 1  donnée, l’endommagement est le plus fort dans le cas de l’échantillon entaillé ce qui est dû à une plus forte ouverture et le plus faible dans l’échantillon sollicité en sens travers ce qui est dû à un retard de nucléation.

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180 000 sl 150 000  st 120 000  sl entaillé 90 000 nb par mm 3 60 000 30 000 0 0.00 0.10 0.20 0.30 e 1 Figure IV-12 Traction IS, 5182, densité numérique de pores.

0.40  

 

100% 90% sl 80% st 70% 60% F 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 e 1   Figure IV-13 Traction IS, 5182, fraction volumique de particules endommagées, échantillon entaillé non mesuré.  

 

25 sl 20 st sl entaillé 15 vol en µm 3 10 5 0 0.00 0.10 0.20 0.30 e 1 Figure IV-14 Traction IS, 5182, volume moyen des pores.

0.30% sl 0.25% st sl entaillé 0.20% f p 0.15% 0.10% 0.05% 0.00% 0.00 0.10 0.20 0.30 e 1 Figure IV-15 Traction IS, 5182, fraction volumique de pores.

0.40

 

0.40  

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