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

Grenier Jean-Christophe

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• Publié par: Thyam
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Extrait

Introduction La demande croissante pour des véhicules propres consommant moins de carburant et limitant la pollution atmosphérique est un défi pour l’industrie automobile, et donc pour la science des matériaux. Les caractéristiques de l’aluminium de bonne résistance mécanique rapportée à sa densité, bonne formabilité, résistance à la corrosion et recyclabilité en font un bon candidat pour remplacer l’acier dans l’automobile [MIL00]. Les automobiles sont de plus en plus dotées en équipements lourds pour le confort et la sécurité. Réduire le poids des véhicules est une des voix pour diminuer les effluents et ainsi respecter les nouvelles normes européennes. Le fait d’incorporer dans un véhicule «100 kg d’aluminium réduit de 0,6l/100km la consommation » [DUB03] La tendance actuelle est d’alléger au maximum les parties ouvrantes dans les voitures. Ainsi 1,3 million de capots ont été réalisés en aluminium en 2002. L’aluminium coûte plus cher que l’acier, mais les allégements obtenus sur certaines pièces justifient les substitutions. Par ailleurs, l’incorporation d’alliages de recyclage tend à faire diminuer le prix de cette substitution. Toutefois, pour être économiquement intéressant, le recyclage doit intégrer les résidus des lignes de fabrication et des véhicules en fin de vie. L’aptitude finale au formage est fortement liée à l'endommagement par formation de cavités au voisinage des particules dures (intermétalliques) présentes dans l'alliage. Il faut donc developper des alliages à haute tolérance au Fer et au Silicium, éléments dont la concentration augmente immanquablement par l’incorporation de résidus aciers. Le Fer et le Silicium se trouvent en effet en majorité dans des phases intermétalliques (1 à 10µm) issues de la coulée puis rompues et redistribuées pendant le laminage à chaud puis à froid [BAL03]. Ces particules sont des sites d’endommagement privilégiés préjudiciables à la formabilité [DAN02]. Les particules intermétalliques diminuent fortement la limite à rupture des alliages en traction [MOR81] comme en pliage [SAR01]. La formabilité est fortement réduite par une forte fraction de Fer [FOR83] et des concentrations très faibles de l’ordre de 0,15% de Fe sont parfois recommandées pour améliorer cette formabilité [MUR95]. Dans certains cas, une complète redissolution des phases Si et Mg 2 Si est recommandée avant l’emboutissage [BOT98].

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Une meilleure caractérisation du processus de rupture et surtout la compréhension des effets complexes de la microstructure et du chargement (multiaxialité et trajet) permettraient de proposer des voies d’optimisation de ces matériaux par rapport à leur microstructure et à la manière de les mettre en forme. L'étape finale de mise en forme est donc cruciale car c’est à ce moment que peuvent apparaître des ruptures. Cependant les étapes précédentes (laminage) conditionnent la microstructure obtenue avant formage et c’est donc d’un point de vue global qu’il faut aborder le problème. Le présent travail s’inscrit dans un ensemble de trois programmes européens en voie d’achèvement, regroupant les différents producteurs européens d’aluminium, dont Pechiney. Ce programme, schématisé figure 1, a eu pour ambition d’étudier tous les stades de transformation des produits en alliage d’aluminium : •prédiction de la structure et de la morphologie des intermétalliquesVirCast : après la coulée du lingot et mise en température avant laminage à chaud, •VirFab :prédiction de la microstructure finale après laminage à chaud en terme de taille des intermétalliques et de répartition spatiale avant mise en forme à froid, •VirForm :prédiction pendant la mise en forme à froid des évolutions microstructurales en terme d’écrouissage, de texture et d’endommagement, et de la formabilité. La représentation Figure 1 représente l’enchaînement des 3 projets européens et décrit l’organisation en Work Package thématique du projet Virform dans lequel ce travail s’est inscrit. Les objectifs globaux de ces programmes VIR* sont d’améliorer la formabilité, d’augmenter la tolérance au Fe et Si afin d’augmenter la part d’aluminium de recyclage sans perte de formabilité, de mieux prédire la faisabilité des pièces embouties dès la conception afin de limiter les tests préliminaires. Les deux premières phases du projet conditionnent l’obtention des microstructures avant formage et la dernière étudie le formage à froid proprement dit. Nous avons été impliqué dans la partie mise en forme à froid pour étudier l’influence du type d’alliage et du mode de chargement sur le développement de l’endommagement à la fois expérimentalement WP3 (Figure1droite) et en terme de modélisation WP4. Les matériaux étudiés sont principalement les alliages industriels 3103, 5182 et 6181, en chargement multiaxial. Les essais mécaniques utilisés pour caractériser la mise en forme sont la traction, la traction plane et l’expansion équibiaxiée. 4

Figure 1 : Représentation schématique des programmes européens Vir*, à gauche l’enchaînement des 3 projets, à droite découpage en Work Packagedes travaux dans Virform. Une partie des essais mécaniques et certaines caractérisations ont été réalisées par Pechiney. La caractérisation a été menée essentiellement en volume, par microtomographie X haute résolution, à l’ESRF de Grenoble. Des essais de traction in situ ont été réalisés, à l’aide d’un montage conçu au GEMPPM. Les simulations numériques des mécanismes observés d’endommagement ont été effectuées à l’aide d’un code (Fortran) conçu au GEMPPM, équipe de Modélisations Mécaniques Multiéchelles pour Matériaux. Il s’agit d’un modèle de comportement local pour matériaux multiphasés, agrégats ou structures inclusions/matrice, à phases élastoplastiques ou élastiques endommageables, construit sur les principes de l’homogénéisation, et dans le formalisme des petites déformations.

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Cette thèse s’organise en cinq chapitres. Le chapitre Iprésente de façon non exhaustive l’état de l’art autour de notre sujet. Il traite, dans une première section, de l’endommagement ductile à travers ses divers stades communément admis que sont l’amorçage, l’extension et la coalescence menant à la rupture finale. Les méthodes expérimentales de détermination de l’endommagement et les différents paramètres d’endommagement sont présentés. Ensuite, dans une seconde section, nous détaillons les modèles microstructuraux d’endommagement applicables aux matériaux hétérogènes, et les méthodes d’homogénéisation nécessaires à la mise en œuvre de ces modélisations, notamment celles en fonction dans le code de simulation utilisé. Une troisième section présente le concept de Courbe Limite de Formage (C.L.F.), représentation d’une zone de formabilité « sans risque » dans un diagramme de déformations principalese 1 ete 2, d’une tôle. Les travaux présentés illustrent l’influence attribuée à l’endommagement sur le niveau de cette CLF, et montrent quelques méthodes usuelles de simulation de ces comportements, vis à vis desquelles le présent travail est susceptible d’apporter des enseignements. Le chapitre I se conclue par une présentation de la méthodologie du présent travail. Le chapitre II est consacré aux méthodes expérimentales utilisées dans cette étude. Tout d’abord, nous présentons la microtomographie X haute résolution permettant une perception tridimensionnelle de la microstructure. Ensuite, nous verrons les différents paramètres quantitatifs extraits par analyse d’image des données 3D recueillies. Enfin, les divers essais mécaniques pratiqués seront présentés. Le chapitre III présente les matériaux étudiés dans leur état initial, i.e. après laminage et traitement thermique, la composition des divers alliages, ainsi que leurs propriétés mécaniques fondamentales (seuil de plasticité, écrouissage, déformation à rupture,…). Ensuite, nous analysons en détails les microstructures et leurs dispersions pour ces alliages, à l’échelle des particules et des porosités présentes dans chacun d’eux.

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Le chapitre IV étudie, en cinq sections, les évolutions microstructurales de ces matériaux en terme d’endommagement pendant la mise en forme. Les premières sections analysent la représentativité des essais de traction in situ puis les résultats des différents essais mécaniques. Nous détaillons, pour chaque alliage et chaque chemin de déformation, la nucléation et la croissance des porosités, la fraction volumique de porosité résultante et l’anisotropie de cet endommagement. Une analyse qualitative reprend, sur des diagrammes (e 1 ,e 2 ) de type CLF, les résultats précédents afin de mieux se représenter les évolutions de l’endommagement en relation avec la formabilité. Le chapitre V présente, en premier lieu, le modèle micromécanique d’endommagement qui a été utilisé pour décrire les évolutions microstructurales observées et analysées. Les résultats de la mise en œuvre de ce modèle d’endommagement, par son implantation dans un code de simulation de comportement mécanique pour matériaux hétérogènes, sont présentés. Sont étudiés, l’état d’endommagement atteint dans un matériau donné pour différents trajets de chargement,la réponse de différents alliages à une même sollicitation. Ces sollicitations sont de celles subies lors de procédés de mise en forme. Les résultats de simulation numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux présentés dans le chapitre précédent. Les points d’accord et ceux de désaccord sont distingués et discutés. Une dernière partie fait un retour sur les corrélations entre dommage et formabilité que l’étude a permis d’observer. Un dernier chapitre conclut et dégage quelques perspectives pour poursuivre le présent travail.

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