Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2005. Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Université de Pitesti (Roumanie) : 2005. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. , 6 p.

La demande croissante pour les véhicules à haute efficacité énergétique a fait de l'aluminium (Al) un candidat de premier choix pour l'industrie automobile. Dans le but de rencontrer les objectifs actuels de réduction de masse, l'Al sous sa forme extrudée est introduit dans la conception de composants d'absorption d'impact. Ceux-ci incluent notamment les pare-chocs, qui requièrent une résistance mécanique, une ténacité et une résistance à la corrosion élevées. Alors que certains alliages de la série 7XXX (Al-Zn) permettent de rencontrer les devis des constructeurs automobiles, leur coût élevé, leur soudabilité médiocre et leur mauvaise recyclabilité rend leur utilisation non viable. Parmi les autres alliages d'extrusion, ceux de la série 6XXX (Al-Mg-Si) sont de bons candidats vu leur facilité de fabrication, leur extrudabilité et leur plus grande possibilité à être recyclés. Cependant, aucun d'eux ne permet actuellement de rivaliser avec les alliages Al-Zn en matière de résistance mécanique pour l'application considérée. Conséquemment, de nouveaux alliages Al-Mg-Si aux propriétés améliorées doivent être développés, un processus long et coûteux. La stratégie adoptée dans le cadre de ce projet consiste à utiliser un appareil d'extrusion à échelle réduite pour réaliser l'extrusion d'une série d'alliages expérimentaux Al-Mg-Si en laboratoire. Cette approche a permis de réduire au minimum le nombre d'essais d'extrusion à être effectués en usine, limitant ainsi le coût et le temps requis au développement d'alliages. Les travaux abordés concernent le développement de cet appareil, qui doit permettre de simuler le procédé industriel. Ce dernier est conçu et fabriqué, puis utilisé pour extruder un alliage expérimental Al-Mg-Si à l'aide duquel les paramètres d'opération de l'appareil ont été optimisés. Ce même alliage a également été extrudé en usine. Les profilés produits à partir des deux procédés sont comparés en termes de propriétés mécaniques, de microstructure et de résistance à la corrosion intergranulaire. Finalement, le comportement en extrusion de l'alliage étudié est comparé à celui d'alliages commerciaux. Les extrusions produites en laboratoire possèdent des propriétés mécaniques et une résistance à la corrosion supérieures à celles produites en usine. La solubilisation complète des éléments d'alliage et l'atteinte d'un taux de refroidissement élevé sont majoritairement responsables de la résistance élevée obtenue. En plus, les conditions thermomécaniques moins sévères pour l'extrusion en laboratoire permettent l'obtention d'une structure de grains fibreuse et homogène, idéale pour la résistance à la corrosion intergranulaire. Comparativement à l'alliage commercial AA6082, l'alliage expérimental étudié possède une limite élastique 12% supérieure. En revanche, sa formabilité est 10% moins élevée et sa plage de mise en solution est plus étroite. L'extrudabilité attendue est donc plus faible. L'appareil développé pourra être utilisé pour comparer le potentiel de plusieurs alliages expérimentaux pour l'application considérée, facilitant ainsi le développement d'alliages Al-Mg-Si. Les conditions optimales obtenues en laboratoire, de même que les propriétés qui en découlent pourront être utilisés comme référence pour guider l'optimisation du procédé industriel. / The growing demand for fuel efficient vehicles renders aluminum a top candidate for the substitution of steel in the automotive industry. To fulfill the current need for weight reduction, Al in its extruded form is introduced into the design of crash components, such as bumpers, requiring high strength, high toughness and excellent corrosion resistance. As some 7XXX (Al-Zn) series alloys satisfy the requirements of car manufacturers in terms of tensile properties, their poor weldability, recyclability and high cost make them uninteresting to use. Among other Al extrusion alloys, the 6XXX (Al-Mg-Si) series alloys are promising due to their ease of recycling and processing. However, none of them can currently compete with Al-Zn alloys for the considered application with respect to tensile properties. As a result, novel Al-Mg-Si alloys with enhanced properties must be developed, which in some instances can be an expensive and time-consuming procedure. The alloy development strategy adopted consists of using a lab-scale extrusion apparatus to extrude a series experimental Al-Mg-Si alloys. This approach allows to minimize the number of experiments conducted at the industrial level, therefore the cost and lead time of alloy development process. This work focuses on the development of the lab-scale Al extrusion setup, which aims to simulate the industrial process. The machine was designed and fabricated. It was then used to extrude an experimental Al-Mg-Si alloy and optimize the process parameters. Afterwards, the same alloy was also extruded on an industrial extrusion press. Profiles produced using both processes are compared in terms of mechanical properties, microstructure and intergranular corrosion resistance. Finally, the extrusion behavior of the experimental alloy investigated is also compared with that of other commercial alloys. The lab-scale process led to higher tensile properties and intergranular corrosion resistance than the industrial process. The less severe thermomechanical conditions generated through lab-scale extrusion generated a homogeneous and totally fibrous grain structure, while extrusions produced in industry exhibit coarse recrystallized grains at the surface of the extruded specimens (PCG). Furthermore, the lab-scale setup allowed complete dissolution of alloying elements and its quench system can attain high cooling rate. Elevated tensile properties and intergranular corrosion resistance can therefore be attained. Compared to the commercial alloy AA6082, the experimental alloy studied exhibit a yield strength 12% superior. However, its formability is 10% lower and its solutionizing temperature range is narrower. Hence, the expected extrudability is decreased. The lab-scale apparatus developed may be used to compare the potential of many experimental AA6XXX alloys for the considered application, thus facilitating alloy development. The optimal conditions obtained at the lab-scale as well as the resulting properties may be used as a reference to guide the optimization of the industrial process.

L'optimisation de la mise en forme de tôles d'aluminium nécessite l'utilisation de logiciels d'éléments finis en grandes déformations comme LS-DYNA. La précision des simulations numériques dépend grandement de la qualité du modèle constitutif utilisé. Afin d'améliorer la qualité des simulations, Frédéric Barlat a proposé un critère d'écoulement, YLD2000, qui permet de prendre en compte le comportement anisotrope des tôles, anisotropie induite lors du laminage des plaques d'aluminium. Le présent travail consiste à identifier les différents paramètres matériels essentiels à l'utilisation du critère d'écoulement YLD2000 disponible dans LS-DYNA. Pour y arriver, différents essais mécaniques ont été réalisés, comme des essais de tractions et de gonflement hydraulique. L'essai de gonflement hydraulique a par ailleurs servi à obtenir une courbe d'écrouissage expérimentale pour des conditions de grande déformation. / The optimization of aluminum sheet and tube forming needs the use of large strain finite elements software such as LS-DYNA. The precision of the results from computer simulations depends mainly on the quality of constitutive modeling of the material. In order to improve quality of these simulations, Frédéric Barlat suggested a new yield function, YLD2000-2d. This criterion describes the anisotropic behavior of the rolled aluminum plates. This work consists to determine the various material parameters of the yield function of YLD2000-2d. In order to get these parameters, various mechanical tests were performed such as bulge test and tensile tests. Moreover, the bulge test is also used to obtain an experimental work hardening curve in large strain condition.

Thèse (M.Sc.E.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2003. / Bibliogr.: p. 231-233. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

L'aluminium est l'un des métaux non ferreux les plus utilisés dans le monde avec une large gamme d'applications de la batterie de cuisine simple au vaisseau spatial avancé. Au fait, avec des applications où des propriétés mécaniques élevées sont nécessaires, comme dans l'industrie automobile, une considération technique est requise pour améliorer les propriétés mécaniques. Comme la distribution finale des précipités joue un rôle crucial dans les propriétés mécaniques de ces alliages, une meilleure compréhension de l'évolution de la microstructure et cinétique des précipitations peut aider sensiblement la conception du procédé de traitement thermique des alliages d'aluminium. Cependant, en raison de la taille et de la morphologie des précipités, les études expérimentales de la précipitation et les méthodes de caractérisation avancée requises comme la microscopie électronique à transmission sont coûteuses et nécessitent beaucoup d’expertises techniques. Les méthodes numériques, lorsqu’elles sont à point, peuvent s’avérer comme étant un outil très utile pour évaluer l'évolution des précipités et les propriétés mécaniques correspondantes. Cette étude présente un modèle cinétique de précipitation. Contrairement à de nombreuses études qui portent principalement sur la diffusion et l’énergie de d’interface, nous considérons la mobilité interfaciale comme étant la variable ayant un réel impact dans la cinétique de croissance des différents types de précipités. Cette variable, non seulement offre la possibilité d’étudier l’évolution des précipités des alliages multi éléments, mais permet aussi d’améliorer les performances de calcul. En outre, l'autre aspect positif de ce modèle est la possibilité de travailler avec des alliages industriels complexes multiphasés en considérant la croissance et la dissolution de différents types de précipités simultanément. / Aluminum is one of the most used non-ferrous metal in the world with an enormous range of applications from simple kitchenware to advanced spacecraft. In applications where high mechanical properties are needed, like in the car industry, it is strongly required to improve the mechanical properties. As the final distribution of precipitates plays a crucial role in mechanical properties of these alloys, a better understanding of the microstructural evolution and kinetics of precipitation can help noticeably the design of the heat treatment process of aluminum alloys. However, due to the size and morphology of the precipitates, experimental studies of the precipitation required advanced characterization methods like transmission electron microscopy which is not an industrially favorable technique since it is costly and required a lot of technical expertise. Numerical investigation can be a desirable tool to model the evolution of the precipitates and the corresponding mechanical properties. This study presents a kinetic model of precipitation. Unlike many studies that mainly focus on the diffusion and surface energy, we consider interfacial mobility as an effective variable in a mixed-mode model. This variable not only provides us the possibility to study the precipitates’ evolution in multicomponent alloys but also can boost the calculation performance. Moreover, the other superiority of this model is the possibility of working with complex multiphase industrial Al alloys by considering the growth and the dissolution of different types of precipitates simultaneously.

La fissuration à chaud est un problème récurrent et critique pouvant mener à des défaillances lorsque les pièces formées sont soumises à diverses sollicitations dans leurs conditions d'utilisation comme dans le secteur automobile. Cette étude permet d'une part de valider la géométrie d'un moule destiné à évaluer la susceptibilité à la fissuration à chaud d'alliages d'aluminium moulés avec cette technique et d'autre part de définir un nouveau critère permettant d'expliquer la cause principale de l'apparition de fissuration à chaud. La fissuration à chaud ne se produit seulement lorsque le semi-solide se situe dans son intervalle de fragilité situé entre la fraction critique de solide et le point de rigidité de l'alliage. Un alliage avec une forte susceptibilité à la fissuration à chaud (Al-1%mCu) a été comparé avec un alliage ayant une plus faible fréquence d'apparition de fissure (Al-5%mCu). L'analyse par éléments finis opérée avec le logiciel ABAQUS/Explicit a permis de montrer que la pression hydrostatique est le facteur permettant d'expliquer l'apparition de fissurations à chaud et lorsqu'elle atteindrait une valeur critique de -0.1 MPa, les porosités prendraient tellement d'expansion qu'elles se propageraient sous la forme d'une fissure dans le semi-solide. La valeur de la pression hydrostatique critique dépend donc de la fraction critique de solide, du taux de refroidissement, de la quantité d'hydrogène dissout dans le liquide, de la microstructure et des contraintes de traction. Cette théorie peut ainsi être généralisée à tous les alliages d'aluminium. / Hot tearing is a critical problem which occurs very often during solidification process and can lead to failure when the part is exposed to different stresses like automotive field. First, the geometry of the mold allowing the hot tearing susceptibility study for aluminium alloys used in High Pressure Vacuum Die Casting technic has been verified. Then, a new criterion is proposed to explain hot tearing arrival and its propagation into the semi-solid. Hot tearing occurs only during a weakness interval of temperature depending on the cooling rate, the microstructure, and the solid fraction of the alloy. An alloy with a high hot tearing sensitivity (Al-1%wtCu) is compared with another alloy with a smaller hot tearing sensitivity (Al-5%wtCu). Finite Element Analysis were performed with the software ABQUS/Explicit to prove that hydrostatic pressure is the criterion allowing to explain hot tearing formation and when the hydrostatic pressure is more negative than the critical value of -0.1MPa, porosities can grow up and propagate it into the semi-solid with the shape of a tear. In this case, the value of the critical hydrostatic pressure depends on the critical solid fraction, the microstructure, the cooling rate, dihydrogen concentration dissolved in the liquid fraction and the tractions stresses. This theory can be applied to all of the aluminium alloys.

No description available.

La déchirure à chaud est un défaut important observé lors de la coulée de certains alliages d'aluminium. Elle se produit au cours de la solidification lorsqu’une petite quantité de phase liquide reste emprisonnée dans la phase solide, affaiblissant la résistance en tension et conduisant à la fissuration de l’alliage. Dans le cas de la coulée semi-continue d’alliages d'aluminium (coulée avec refroidissement intensif et continue), la fissuration à chaud s’initie à la surface des lingots de laminage, là où la microstructure est particulièrement vulnérable, c’est-à-dire juste après la zone du refroidissement primaire. Afin d'étudier le comportement thermomécanique de ces alliages lors de la fissuration à chaud et l'impact de l’utilisation d’affineurs de grains, des essais de traction ont été effectués à de faibles taux de déformation sur des échantillons solidifiés dans un état semi-solide (fraction solide ~90-95% vol.) avec l'aide d'un appareil appelé DCSS (Direct Chill Surface Simulator). Cet appareil est constitué d’un banc d’essai reproduisant les conditions existantes pendant le refroidissement primaire du procédé de coulée semi-continue d’alliages d’aluminium. Le comportement thermomécanique des échantillons partiellement solidifiés sous l’application de charges en tension a été analysé et la formation de fissures à chaud a été observée. La température à différents endroits dans les échantillons, la charge appliquée et la déformation en surface ont été mesurées lors d’essais de traction effectués sur les alliages d'aluminium AA5182, AA6111 et AA3104. La microstructure de chaque spécimen a été examinée et analysée à l'aide d’un microscope optique afin d’évaluer l’aspect colonnaire ou équiaxe des grains et de son effet sur le comportement thermomécanique de l'alliage. Une importance particulière a été portée sur l'évaluation de la fraction solide présente dans chaque échantillon coulé au début des essais de traction, tenant compte de la température locale, du gradient thermique et des taux de refroidissement appliqués. Il a été observé que des concentrations excessives d’affineur de grains diminuaient la résistance mécanique en tension des coquilles solidifiées en raison d’une porosité plus élevée induite par une nucléation plus facile des nouvelles phases (gaz inclus). On a aussi constaté que les taux de refroidissement de l’alliage augmentaient avec la quantité d’affineur de grains, relié à un phénomène associé au nombre plus élevé des points de contact avec la surface du moule causés par les nombreux petits grains équiaxes. Finalement, la conception d’un critère basé sur la contrainte thermomécanique pour expliquer la fissuration à chaud a été renforcée par l’observation d’une meilleure résistance mécanique en tension obtenue sur des coquilles avec des microstructures non affinées pour les alliages AA5182 et AA6111 ayant des fractions solides similaires, mais avec des tailles de grain significativement différentes. / Hot tearing is a severe defect in aluminum castings which is produced during solidification when a certain amount of liquid phase remains and weakens the tensile resistance of the alloy. In direct chill casting of aluminum alloys, hot tears initiate at the surface of sheet ingots just after the primary cooling zone, where the microstructure is particularly vulnerable. In order to study the thermomechanical properties of these alloys and the effect of grain refiners on their thermo-mechanical behaviour, tensile tests were carried out on specimens in the semi-solid state (~90-95% solid fraction) and at low strain rates using an apparatus called Direct Chill Surface Simulator (DCSS). This apparatus is an instrumented rig test reproducing the conditions prevailing during the primary cooling stage of the DC casting process. The thermomechanical behavior of solidifying shells and the hot tear formation under applied tensile loads was analyzed and the occurrence of hot tearing was observed. The temperature in different locations of the casting, applied load and surface strain were monitored during the tensile tests conducted on aluminum alloys AA5182, AA6111 and AA3104. The microstructure of the tested specimens was examined using the optical microscope to evaluate the columnar or equiaxed aspect of grains and their effect on the thermomechanical response of the alloy. A special emphasis has been given to the evaluation of the solid fraction existing in the castings at the start of the tensile tests, taking into account the local temperature, thermal gradient and cooling rates experienced. It was found that excessive grain refiner additions decreased the strength of solidifying shells because of the increased level of porosity induced by easier nucleation of new phases (gas included). It was also observed that cooling rates increased with the level of grain refiner, a phenomenon that was associated to the higher number of contact points with the mould obtained with numerous small equiaxed grains. Finally, the concept of a stress based criterion for hot tearing was reinforced by the strengths obtained on not grain refined AA5182 and AA6111 alloys showing similar solid fraction near the surface, but with significantly different grain sizes.

Thèse de doctorat : Sciences physiques pour l'ingénieur. Mécanique et ingénierie : Bordeaux 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Ce mémoire introduit une approche globale de modélisation de l’usinage des alliages d’aluminium à haute résistance (grade aéronautique). Un modèle Éléments Finis 2D de coupe orthogonale d’un alliage d’aluminium en formulation Lagrangienne permettant la formation d’un copeau, le calcul des efforts de coupe ainsi que la prédiction de la surface générée est présenté. Ce modèle a été obtenue en utilisant le logiciel commercial, ABAQUS / Explicit V6.13. La loi de comportement de Johnson-Cook (JC) avec endommagement a été utilisée pour décrire le comportement du matériau de la pièce à usiner. L’équation d’endommagement de JC a été utilisée pour tenir compte de la localisation de cisaillement lors de la formation du copeau segmenté. Les coefficients de la loi de comportement de JC sont identifiés par des tests mécaniques et des essais d'usinage spécifiques. Le modèle de frottement de Coulomb-Orowan a été utilisé pour caractériser les effets collant/glissant au niveau de l'interface outil-copeau, le coefficient de frottement et les flux de cisaillement ont été déterminés par des essais d'étalonnage et d’usinage, respectivement. Une étude de sensibilité a montré une précision raisonnable dans la géométrie du copeau et dans les efforts de coupe prédites en utilisant les propriétés des matériaux déterminées expérimentalement et le modèle de friction proposé. Mots-clés : usinage, alliages d’aluminium, élément Finis, formulation Lagrangienne, coupe orthogonale, loi de comportement de Johnson-Cook (JC), loi d’endommagement de JC, modèle de frottement de Coulomb-Orowan, copeau segmenté, efforts de coupe. / Ce mémoire introduit une approche globale de modélisation de l’usinage des alliages d’aluminium à haute résistance (grade aéronautique). Un modèle Éléments Finis 2D de coupe orthogonale d’un alliage d’aluminium en formulation Lagrangienne permettant la formation d’un copeau, le calcul des efforts de coupe ainsi que la prédiction de la surface générée est présenté. Ce modèle a été obtenue en utilisant le logiciel commercial, ABAQUS / Explicit V6.13. La loi de comportement de Johnson-Cook (JC) avec endommagement a été utilisée pour décrire le comportement du matériau de la pièce à usiner. L’équation d’endommagement de JC a été utilisée pour tenir compte de la localisation de cisaillement lors de la formation du copeau segmenté. Les coefficients de la loi de comportement de JC sont identifiés par des tests mécaniques et des essais d'usinage spécifiques. Le modèle de frottement de Coulomb-Orowan a été utilisé pour caractériser les effets collant/glissant au niveau de l'interface outil-copeau, le coefficient de frottement et les flux de cisaillement ont été déterminés par des essais d'étalonnage et d’usinage, respectivement. Une étude de sensibilité a montré une précision raisonnable dans la géométrie du copeau et dans les efforts de coupe prédites en utilisant les propriétés des matériaux déterminées expérimentalement et le modèle de friction proposé. Mots-clés : usinage, alliages d’aluminium, élément Finis, formulation Lagrangienne, coupe orthogonale, loi de comportement de Johnson-Cook (JC), loi d’endommagement de JC, modèle de frottement de Coulomb-Orowan, copeau segmenté, efforts de coupe. / This study introduces a global solution for modelling machining process of high-strength‎ aluminium alloy (aeronautical grade). A 2D finite element model, based on a Lagrangian approach, for orthogonal cutting of an aluminum alloy allowing the formation of a chip, the calculation of the cutting forces as well as generated surface is presented. The solution was achieved using a commercial software package, ABAQUS/Explicit V6.13. The Johnson-Cook (JC) equation with damage evolution is used to describe the workpiece material behavior. The JC damage equation was used to take into account for the shear localization during the segmented chip formation. The JC coefficients are identified by material tests and machining data. The JC coefficients are identified by material tests and machining data. Coulomb-Orowan friction model has been used to characterize the sliding/sticking effects on the tool-chip interface with the friction coefficient and shear flow stress determined by force calibration and machining data, respectively. A sensitivity analysis has shown a reasonable accuracy for predicted chip geometry and cutting forces using the experimentally determined material properties and the proposed friction model. Keywords: machining, aluminum alloy, finit element, Lagrangian approach, orthogonal cutting, Johnson-Cook (JC) equation, JC damage equation, Coulomb-Orowan friction model, segmented chip, cutting forces. / This study introduces a global solution for modelling machining process of high-strength‎ aluminium alloy (aeronautical grade). A 2D finite element model, based on a Lagrangian approach, for orthogonal cutting of an aluminum alloy allowing the formation of a chip, the calculation of the cutting forces as well as generated surface is presented. The solution was achieved using a commercial software package, ABAQUS/Explicit V6.13. The Johnson-Cook (JC) equation with damage evolution is used to describe the workpiece material behavior. The JC damage equation was used to take into account for the shear localization during the segmented chip formation. The JC coefficients are identified by material tests and machining data. The JC coefficients are identified by material tests and machining data. Coulomb-Orowan friction model has been used to characterize the sliding/sticking effects on the tool-chip interface with the friction coefficient and shear flow stress determined by force calibration and machining data, respectively. A sensitivity analysis has shown a reasonable accuracy for predicted chip geometry and cutting forces using the experimentally determined material properties and the proposed friction model. Keywords: machining, aluminum alloy, finit element, Lagrangian approach, orthogonal cutting, Johnson-Cook (JC) equation, JC damage equation, Coulomb-Orowan friction model, segmented chip, cutting forces.