Ce travail s'intéresse à l'étude du soudage par faisceau laser de l'alliage de magnésium de désignation AM60. Il concerne un volet expérimental et un autre numérique. L'étude expérimentale vise l'investigation des conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé sur l'alliage utilisé et la validation des résultats numériques du modèle thermique développé. En premier lieu, une étude paramétrique a permis de déterminer les paramètres du soudage par faisceau laser CO2 de plaques en alliage AM60 de 3 mm d'épaisseur. En deuxième lieu, la mise en œuvre d'une chaîne d'acquisition de la température, par des thermocouples implantés à proximité du cordon, a permis l'enregistrement de la température en fonction du temps au cours du soudage. En troisième lieu, l'étude métallographique de l'assemblage, a révélé que la structure à gros grain du métal de base est transformée en une structure dendritique au niveau de la zone fondue. Alors qu'au niveau de la zone affectée thermiquement de faible taille, une diminution de la taille de grain de la phase primaire est remarquée. En dernier lieu, la détermination expérimentale des caractéristiques mécaniques a montré une augmentation de la dureté dans la zone fondue et une diminution de l'allongement maximal pour l'assemblage. Mais par contre les caractéristiques de résistance dans la soudure et dans le métal de base sont semblables. L'étude numérique a pour objectif de prédire l'histoire thermique et l'évolution des caractéristiques mécaniques des tôles soudées par faisceau laser. Nous avons développé, sur un code de calcul par éléments finis Cast3M, deux modèles numériques, tridimensionnels non stationnaires et non linéaires. Le premier a permis de simuler la distribution spatio-temporelle de la température. Dans ce cas, le chargement appliqué est dépendant des paramètres du procédé et des caractéristiques du faisceau laser et il est associé à des conditions aux limites mobiles. Les résultats du modèle thermique développé ont été en accord avec les évolutions de la température mesurée expérimentalement. Le deuxième modèle a permis de déterminer la distribution des contraintes et des déformations résiduelles. Pour le modèle mécanique, nous avons considéré un comportement élasto-plastique avec un chargement thermique transitoire qui est le résultat du modèle thermique. L'analyse transitoire non linéaire a permis de prédire l'évolution des contraintes et des déformations en fonction du temps ainsi que la distribution des contraintes et des déformations résiduelles générées dans les pièces soudées par faisceau laser. La comparaison du profil de contraintes résiduelles simulées avec des résultats bibliographiques a conduit à une validation qualitative de valider qualitativement la réponse du modèle mécanique développé.

Dans ce projet, le matériau est l'alliage de magnésium AZ31-O en tôle. L'épaisseur de tôles est de 1,2 mm. Les essais de traction à chaud sont réalisés afin d'étudier la ductilité de l'alliage de magnésium AZ31-O, la température et l'influence la vitesse de déformation sont incluses dans tous les tests. Le résultat d'analyse montre que la ductilité est renforcée avec une température croissante et une vitesse de déformation décroissante, le phénomène d'adoucissement est évident à la température élevée. La propriété anisotrope n'est pas considérée dans ce projet. Les essais Nakazima à chaud avec le poinçon d'hémisphère sont réalisés pour étudier la formabilité de l'alliage de magnésium AZ31-O. Enfin, la FLD (Forming Limit Diagram) est identifiée et les comparaisons montrent que la formabilité est préférable à une température plus élevée. En outre, les prédictions des limites de formage sont effectuées dans le modèle M-K. La comparaison montre clairement avec la prédiction théorique ne convient pas avec l'expérience. Les simulations des éléments finis sont effectuées pour un emboutissage par poinçon hémisphérique et un emboutissage en croix. Tout d'abord, les simulations d'emboutissage de poinçon hémisphérique sont réalisés sur FORGE® et sur ABAQUS®. Les résultats des simulations de FORGE et de ABAQUS sont comparés afin d'étudier la différence de divers codes de simulation des éléments finis. Deuxièmement, le comportement de d'endommagent est étudié dans FORGE par modèle d'endommagement Lemaitre. Enfin, la simulation d'emboutissage en croix qui est un benchmark de la conférence 2011 NUMISHEET est réalisée avec FORGE. La charge de poinçon, l'épaisseur et la distribution de température sont obtenues et comparées pour chaque simulation. En outre, ces résultats de la simulation de benchmark (FORGE) sont également comparés à d'autres logiciels de simulation en conférence. Les résultats des analyses détaillées sont présentés dans cette thèse.

Résumé : Ce projet fait partie du projet MFERD (Magnésium Front End Research and Development) qui vise à développer les technologies permettant de rendre les alliages de Magnésium (Mg) comme un principal matériau structural pour les voitures (aujourd'hui essentiellement constituées d'acier quatre fois plus lourd que le Mg) afin d'en réduire leur masse pour des raisons environnementales et sécuritaires. Dans ce travail de maîtrise nous avons regardé la partie acoustique dans le cas d'un tablier (structure métallique derrière le tableau de bord) en magnésium. En effet, le confort acoustique à l'intérieur des voitures est devenu un argument de marketing d'une grande importance. Le tablier en séparant le compartiment moteur, source de bruit, de l'habitacle, joue un rôle important dans l'isolation acoustique de l'intérieur de la voiture. Ainsi le passage d'un tablier en acier à un tablier en Mg ne doit pas entraîner une baisse de performance. Dans ce travail, nous avons d'abord effectué une revue de la littérature sur les types de traitements acoustiques utilisés dans l'industrie automobile ainsi que des différentes techniques de leur modélisation. Nous avons ensuite comparé les performances acoustiques du tablier en Mg sur lequel on a appliqué des traitements classiques (à une couche, deux couches et trois couches) à celles des tabliers en acier et en aluminium et ce, à masse surfacique, raideur et/ou fréquences de résonnances égales. Finalement nous avons optimisé différents concepts de traitements acoustiques innovants appliqués sur le tablier en Mg en vue d'avoir des performances acoustiques semblables ou supérieures à celles du tablier en acier classique. L'optimisation s'est faite à partir d'un modèle SEA (Statitical Energy Analysis) couplé à un code d'optimisation basé sur un algorithme génétique||Abstract : This work is part of the MFERD (Magnesium Front End Research and Development) project which goal is to develop enabling technologies for the use of magnesium alloys as a principal structural material for cars (mainly made in steel which is four time heavier than magnesium) in order to reduce their mass for both, environmental and security concerns. In this work we have focused on the acoustic part, in the case of a magnesium alloy dash panel. The dash board, by separating the engine compartment from the interior cabin, plays a critical role in the insulation of the car interior. Since the acoustic comfort inside the car has become a marketing argument of great importance, the passage from steel to magnesium dash panel should not deteriorate acoustic performances. In this work, we first conducted a literature review on the types of acoustic treatments used in the automotive industry as well as various techniques of their modeling. We then compared the acoustic performances of a Mg dash with attached traditional acoustic treatments (single-layer, two layers and three layers) to those of a steel and aluminum dash panels with the same mass density, stiffness and/or frequency of resonances. Finally, we optimized different concepts of innovative sound packages applied on the Mg dash panel to achieve a noise performance similar or superior to those of a conventional steel dash. The optimization was done using a SEA (Statitical Energy Analysis) model, coupled with an optimization code based on a genetic algorithm.

Le sujet de thèse s’inscrit dans une problématique d’allègement de structures des moyens de transport civils et militaires. Actuellement, les pièces de structures métalliques de ces moyens sont principalement composées d’alliages d’aluminium et d’aciers. Avec une densité inférieure et des propriétés mécaniques spécifiques similaires à ces métaux, l’alliage de magnésium AZ91 représente une solution de substitution prometteuse. En dépit de son durcissement structural par précipitation, ses propriétés mécaniques relativement faibles limitent son emploi actuel comme matériau de structure. Une amélioration de ces propriétés pourrait être permise au travers d’un affinement de la microstructure et d’un renforcement par l’ajout de particules céramiques. La métallurgie des poudres, en particulier le procédé Spark Plasma Sintering (SPS), permettrait d’allier ces deux voies d’amélioration en produisant un composite à fine microstructure avec un renforcement particulaire contrôlé. Cette thèse a pour objectifs le développement par SPS d’alliages AZ91, l’optimisation de leurs propriétés mécaniques par un contrôle de leur microstructure et l’étude de leur renforcement potentiel par l’ajout de particules de SiC. Le contrôle microstructural a été réalisé par l’intermédiaire des paramètres du procédé SPS et a porté principalement sur la densification de l’alliage, sa taille de grains et sa teneur en précipités. La caractérisation mécanique des matériaux produits a été composée d’essais de dureté, d’essais de compression en conditions quasi-statiques et dynamiques, ainsi que d’essais de traction. Les essais de traction ont été réalisés à l’issue d’un changement d’échelle de production, passant de pièces cylindriques Ø30 mm à des pièces Ø80 mm. Outre la réalisation d’essais de traction, le changement d’échelle a permis d’étudier la reproductibilité des conditions de production. Alors que l’optimisation mécanique des matériaux frittés a porté sur leurs propriétés en compression, les essais de traction ont permis d’évaluer leur cohésion et leur ductilité. Afin de montrer les améliorations permises par l’affinement microstructural et le renforcement particulaire, les matériaux élaborés par SPS ont été comparés à des alliages AZ91 produits par fonderie / The present PhD thesis falls within a structure lightweighting issue in the transport field for civil and military applications. Today, the metallic structural parts in transports are mainly composed of aluminum alloys and steels. With an inferior density and a similar specific mechanical strength to these metals, the AZ91 alloy appears to be a promising alternative. Despite its precipitation strengthening, its relative low mechanical properties limit its current use as engineering material. An improvement could be reached via microstructure refinement and ceramic particle strengthening. Powder metallurgy, involving Spark Plasma Sintering (SPS), will be used as an effective way to improve the AZ91 properties using these two approaches. AZ91 alloys were produced by SPS and reinforced by SiC particles. Their mechanical properties were optimized by microstructure control. This control was carried out by adjusting the SPS processing parameters to optimize the alloy densification, its grain size and its precipitate content. The mechanical properties of the materials were evaluated via hardness testing, compression tests in quasi-static and dynamic conditions as well as quasi-static tensile tests. The tensile tests were carried out after an up-scaling of the production process from Ø30 mm cylindrical pieces to Ø80 mm pieces. In addition to the tensile tests, the up-scaling step allowed to study the repeatability of the process conditions. While the mechanical optimization of the SPS processed materials was paid on their compressive properties, their tensile properties gave information on their cohesion and ductility. In order to highlight the mechanical improvement got by microstructure refinement and particle strengthening, the SPS processed materials were compared with cast AZ91 alloys

En raison de la faible densité des alliages de magnésium, un intérêt grandissant est apparu pour leur application dans l'industrie aéronautique. De ce fait, il s'est avéré nécessaire de développer l'assemblage de ces matériaux, notamment par des procédés de soudage innovants, tels le soudage par Friction malaxage (FSW) et le soudage laser. Le but de ce projet est d'étudier les relations entre les paramètres de soudage, les températures et les déformations générées et enfin la microstructure et le comportement mécanique des joints soudés. Ce projet fait partie du projet européen AEROMAG qui a pour objectif de promouvoir l'utilisation des alliages de magnésium corroyés dans l'industrie aéronautique. Les alliages étudiés sont l'AZ31, l'AZ61 et le WE43 sous forme de tôles de 2mm d'épaisseur. Le matériau de base présente une forte texture de fibre par rapport au plan basal. Les soudures ont été effectuées par FSW par laser Nd:YAG et par laser CO2. Le domaine de soudabilité opérationnel (DSO) a été déterminé pour chacun des procédés. Ensuite, l'analyse des joints soudés s'est plus spécialement focalisée sur les soudures optimisées d'AZ31. Une relation entre les paramètres de soudage et la microstructure des joints soudés a pu être trouvée. Le procédé de FSW entraîne une évolution de la microstructure et de l'état de contraintes résiduelles qui ont montré une influence déterminante sur le comportement mécanique des joints soudés. En ce qui concerne le soudage laser, l'influence prépondérante se situe dans l'évolution des textures et de l'état de précipitation. Des localisations de déformation assimilables à des bandes de cisaillement ont été identifiées dans chacun des procédés. Une comparaison a été menée en vue d'établir le procédé le mieux adapté à l'assemblage de tôles de magnésium laminées. Le FSW provoque une diminution très importante des propriétés mécaniques et l'utilisation de traitements thermique n'a pas permis de recouvrer les propriétés du matériau de base; tandis que les propriétés mécaniques des joints soudés laser après traitement thermique sont proches de celles du matériau de base. Une comparaison a été effectuée avec les propriétés mécaniques des joints soudés d'alliages de magnésium à durcissement structural (AZ61 et surtout WE43). Enfin, leur potentialité pour remplacer les alliages d'aluminium a été étudiée.

Dans ce projet, le matériau est l'alliage de magnésium AZ31-O en tôle. L'épaisseur de tôles est de 1,2 mm. Les essais de traction à chaud sont réalisés afin d'étudier la ductilité de l'alliage de magnésium AZ31-O, la température et l'influence la vitesse de déformation sont incluses dans tous les tests. Le résultat d'analyse montre que la ductilité est renforcée avec une température croissante et une vitesse de déformation décroissante, le phénomène d'adoucissement est évident à la température élevée. La propriété anisotrope n'est pas considérée dans ce projet. Les essais Nakazima à chaud avec le poinçon d'hémisphère sont réalisés pour étudier la formabilité de l'alliage de magnésium AZ31-O. Enfin, la FLD (Forming Limit Diagram) est identifiée et les comparaisons montrent que la formabilité est préférable à une température plus élevée. En outre, les prédictions des limites de formage sont effectuées dans le modèle M-K. La comparaison montre clairement avec la prédiction théorique ne convient pas avec l'expérience. Les simulations des éléments finis sont effectuées pour un emboutissage par poinçon hémisphérique et un emboutissage en croix. Tout d'abord, les simulations d'emboutissage de poinçon hémisphérique sont réalisés sur FORGE® et sur ABAQUS®. Les résultats des simulations de FORGE et de ABAQUS sont comparés afin d'étudier la différence de divers codes de simulation des éléments finis. Deuxièmement, le comportement de d'endommagent est étudié dans FORGE par modèle d'endommagement Lemaitre. Enfin, la simulation d'emboutissage en croix qui est un benchmark de la conférence 2011 NUMISHEET est réalisée avec FORGE. La charge de poinçon, l'épaisseur et la distribution de température sont obtenues et comparées pour chaque simulation. En outre, ces résultats de la simulation de benchmark (FORGE) sont également comparés à d'autres logiciels de simulation en conférence. Les résultats des analyses détaillées sont présentés dans cette thèse. / In this project, the material is AZ31-O magnesium alloy sheet. The sheet thickness is 1.2mm. Warm tensile tests are performed to study ductility of AZ31-O magnesium alloy, the temperature and strain rate influence are included in all tests. The analysis result shows the ductility is enhanced with temperature increasing and strain rate decreasing, and the softening phenomenon is obvious at high temperature. The anisotropic property is not considered in this project. Warm Nakazima tests with hemisphere punch are performed to study formability of AZ31-O magnesium alloy. Finally, the FLD (Forming Limit Diagram) is identified and the comparisons distinctly show that the formability is better at higher temperature. Moreover, the forming limits predictions are performed in M-K model. The comparison clearly shows the theoretical prediction do not fit well with experiment. Finite element simulations are performed for a hemisphere punch deep drawing and a cross-shaped deep drawing. Firstly, the hemisphere punch deep drawing simulations are performed in FORGE® and ABAQUS®. The simulation result from FORGE and ABAQUS are compared in order to study the difference of various finite element simulation codes. Secondly, the damage behavior is studied in FORGE by Lemaitre damage model. Finally, the cross-shaped deep drawing simulation which is a benchmark of NUMISHEET 2011 conference is performed with FORGE. The punch load, thickness and temperature distribution are obtained and compared for each simulation. Furthermore, this benchmark simulation results (FORGE) are also compared with other various simulation software in conference. The detailed analysis results are presented in this thesis.