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

Grenier Jean-Christophe

Description

Conclusion et perspectives Dans ce mémoire, nous avons décrit et quantifié l’endommagement dans des tôles d’aluminium d’alliages industriels 3103, 5182 et 6181 à l’aide d’une technique novatrice d’imagerie 3D : la microtomographie X haute résolution. Les paramètres utilisés pour décrire l’endommagement ont été : • la densité numérique de pores et la fraction volumique de particules endommagées pour quantifier la nucléation, • le volume des pores pour suivre la croissance, • la fraction volumique des pores pour mesurer l’endommagement global résultant, • les trois paramètres d’endommagement principaux permettant de quantifier l’anisotropie de l’endommagement. L’analyse menée présente l’originalité d’être directement située à l’échelle des mécanismes locaux de l’endommagement. Au plan de la méthode de caractérisation proprement dite, nous avons montré qu’une résolution de 0,7 µm est suffisante pour analyser des alliages industriels dont les 3intermétalliques sont pourtant de faible taille (quelques dizaines de µm ). La méthode pâtit cependant encore d’un manque d’automatisation des procédures de traitement des données rassemblées. Le développement de telles procédures d’automatisation sont une première perspective essentielle de prolongement de ce travail pour que la caractérisation 3D en micro-tomographie X devienne, à terme, le puissant outil d’exploration de la matière solide. Trois types d’essais mécaniques ont été utilisés pour décrire le ...

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• Publié par: Sawyong
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Extrait

Conclusion et perspectives Dans ce mémoire, nous avons décrit et quantifié l’endommagement dans des tôles d’aluminium d’alliages industriels3103, 5182 et 6181 àl’aide d’une technique novatrice d’imagerie 3D : la microtomographie X haute résolution. Les paramètres utilisés pour décrire l’endommagement ont été : •ladensité numériquedeporeset lafraction volumiquedeparticulesendommagées pour quantifier lanucléation, •levolumedesporespour suivre lacroissance, •lafractionvolumiquedesporespour mesurer l’endommagement globalrésultant, •les troisparamètres d’endommagement principauxde quantifier permettant l’anisotropie de l’endommagement. L’analyse menée présente l’originalité d’être directement située à l’échelle des mécanismes locaux de l’endommagement. Au plan de la méthode de caractérisation proprement dite, nous avons montré qu’une résolution de 0,7 µm est suffisante pour analyser des alliages industriels dont les 3 intermétalliques sont pourtant de faible taille (quelques dizaines de µm ). La méthode pâtit cependant encore d’un manque d’automatisation des procédures de traitement des données rassemblées. Le développement de telles procédures d’automatisation sont une première perspective essentielle de prolongement de ce travail pour que la caractérisation 3D en microtomographie X devienne, à terme, le puissant outil d’exploration de la matière solide. Trois types d’essais mécaniques ont été utilisés pour décrire le domaine de la formabilité : la traction,la traction plane et le gonflement hydraulique. Nous avons montré que, en traction, l’endommagement évolue de façon quasiment linéaire avec la déformation longitudinalee 1 , dans tout le domaine préalable à la striction. Le rythme de nucléation semble être sensiblement le même pour les trois alliages (les courbes sont quasiment parallèles). Le taux d’endommagement initial joue donc un grand rôle dans le niveau final de porosité atteint en fin de sollicitation homogène. L’orientation de cet endommagement initial a également une notable influence sur l’évolution ultérieure du dommage, comme l’a montré la comparaison (in situ) de tractions selon différentes orientations. La nucléation de nouveaux pores est plus tardive en traction transverse qu’en

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traction dans le sens de laminage, c’est à dire plus aisée dans l’orientation du dommage pré éxistant.. Lanucléationpeu influencée par la déformation s’avèree 2  alorsque pluse 2  estforte dans le test et plus lacroissancerapide. L’endommagement global atteint dépend est principalement de l’ouverture des pores. Nucléation, croissance et morphologie des particules influencent la morphologie des pores, de laquelle résulte une anisotropie de l’endommagement, variable selon le trajet de chargement. L’anisotropie de l’endommagement est appréciée en termes de fractions surfaciques de section poreuse, normalement aux direction principales de contrainte dans le matériau. Surla base de ces paramètres microstructuraux, il est possible de définir un tenseur représentatif du dommage instantané, et une évolution. Nous avons réalisé une modélisation micromécanique à base microstructurale de l’endommagement, au sens de leurs microstructures expérimentalement caractérisées en termes de particules et de porosités. Cette modélisation de l’endommagement a été mise en œuvre dans un modèle de simulation du comportement local de matériaux hétérogènes, construit sur le principe des méthodes d’homogénéisation, en élastoplasticité petites déformation. Dans le cas de rupture de particules, le code permet de suivre les contraintes dans les particules, d’en déduire une fraction de particules endommagées et de déterminer l’ouverture des pores résultants de la perte de propriétés mécaniques liées aux ruptures. Le mécanisme de décohésion a été simulé soit comme une rupture soit par une porosité matricielle dont le développement est alors piloté par la contrainte matricielle. Cette seconde option semble mieux convenir que l’assimilation à un mode rupture. La modélisation a permis de montrer que l’endommagement peut être décrit raisonnablement bien à la fois en intensité et en anisotropie en relation avec la nocivité des particules initialement présentes. Ceci est satisfait selon les principaux chemins de déformation caractéristiques de la formabilité . Une seconde perspective de ce travail est le complément de ces simulations, par celles correspondant à d’autres trajets, avec notamment une meilleurs prise en compte des transitions de mode de rupture (directionnelle ou non), des particules. De manière similaire la décohésion mérite d’être mieux représentée que par une porosité matricielle ignorant la particule associée, qui conserve forcément une raideur locale non négligeable selon certaines

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directions. Le même type de loi offre par ailleurs une voie possible de prise en compte de la coalescence finale, dans le cadre de la modélisation existante. En ce qui concerne la relation entre dommage et formabilité des alliages, à défaut d’avoir pu pousser la présente étude jusqu’à l’implantation du modèle d’endommagement à un outil de simulation de la formabilité, nos nous sommes efforcés de dégager quelques tendances fortes, et de suggérer quelques voies d’utilisation. En reportant les évaluations de dommage faites selon le chargement, sur des diagrammes de type CLF, on voit clairement comment la contribution du dommage à une CLF de référence, varie avec le type de sollicitation, même si là encore, des résultats expérimentaux plus riches seraient utiles. L’analyse mériterait d’approcher davantage le domaine de la coalescence, pour la décrire soit en termes de contact de pores voisins ou de cisaillement de ligaments intermédiaires. L’observation de coalescence reste à faire. Elle pourrait se faire à partir d’échantillons recouverts de grilles de mesure de déformation, qu’il faudrait mener à striction avancée. Toutefois, même des zones proches du faciès de rupture ne présentent pas forcément de coalescences caractérisées. Les essais in situ pourront servir de base pour essayer de mesurer les déformations locales automatiquement en 3D en utilisant les particules comme marqueurs dans les méthodes de corrélations d’image déjà utilisées en 2D. La quantification des pertes de modules en traction serait utile pour confronter aux D i mesurés dans les images 3D. En l’état de nos résultats, on peut retenir qu’avec l’évaluation de la part de dommage selon le chargement, on peut remonter à un gain de formabilité par réduction de ce dommage, ce qui suggère la possibilité, selon l’alliage, d’agir ou non sur l’état initial et la procédure de mise en forme pour réduire, sinon supprimer, l’effet dommage. En termes de modélisation, on a vu que les critères d’instabilité finale portent d’avantage sur le comportement effectif que sur le comportement local. L’essentiel est donc que le comportement effectif intègre raisonnablement le dommage subi. Le modèle utilisé apparaît bien approprié à la description de l’endommagement dans le domaine de stabilité de la déformation. Parmi les éléments qu’il n’a pas encore pris en compte, on peut mentionner l’effet de la répartition spatiale des particules, les amas étant reconnus comme sites faibles pour l’endommagement, et notamment pour la coalescence. Le modèle permet en l’état cette

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prise en compte, mais l’étude n’a pu être menée. Les taux de particules ont été jugés suffisamment faibles pour écarter cet effet dans une première phase. Une partie des désaccords entre les résultats dumodèle et ceux de l’expérience vient probablement du fait que les alliages ne sont pas strictement isotropes, principalement en raison de leur texture mais aussi par l’écrouissage. La prise en compte de lois, incorporant un comportement anisotrope de la matrice via l’écrouissage et les évolutions de textures, permettrait un ajustement plus fin des lois d’endommagement. On peut envisager la détermination d’un seuil critique d’endommagement en terme de fraction volumique de porosité ou de paramètres d’endommagement principaux au delà duquel le matériau serait suffisamment endommagé pour être considéré comme un matériau poreux. Les étapes de coalescence et de rupture pourraient être gérées par des modèles plus classiques. L’utilisation du modèle proposé dans un code Marciniak est possible, ainsi qu’il a été fait dans la littérature. Il s’agirait de donner un sens physique au paramètre f 0 du modèle Marciniak en le reliant à la fraction volumique de porosité f p  ouau paramètres d’endommagement Di. Nous avons évoqué la relation f 0 = 1  f pCTP avec f pCTP la fraction de porosité à striction en traction plane pouvant être calculée par le modèle en fonction des paramètres microstructuraux. On pourrait également utiliser les images 3D comme matériau modèle pour enrichir les données 2D d’entrée du code de Worswick [WOR01] repris par CHEN [CHE02]. L’analyse de l’endommagement suscite une abondante production scientifique depuis de nombreuses années, celleci progressant à mesure que l’échelle d’analyse s’affine et que les moyens de caractérisation comme de modélisation progressent de manière concomitante. Le présent travail est donc une étape supplémentaire sur un chemin encore long, dont l’ambition est d’avoir apporté quelques éclairages utiles aux progressions à venir.

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