Cold pilgering is a challenging tube forming process in terms of modeling due to the complexity in kinematic of tools, friction condition and material behavior. The process development has mostly been based on simple formulas and costly full-scale tryouts. The aim in this study is to develop validated Finite element models of cold pilgering to increase the understanding of influence of the process parameters on the produced tubes. In the course of this thesis, three-dimensional mechanical and thermo-mechanical Finite element models of cold pilgering were developed. The commercial code MSC.Marc was used in the simulations. General 3D models are needed to be able to capture asymmetric deformation in cold pilgering. It was found that tool deflections together with elastic deformation of roll dies have considerable influence on the rolling force. Furthermore, the strain rate and temperature effects on the response of the material and thereby on the rolling force were evaluated.

Les tubes d’alliage Ti-3Al-2.5V laminés à pas de pèlerin sont utilisés à l’état dit « détendu » dans l’aérospatiale commerciale et militaire depuis la deuxième moitié du 20ème siècle. Malgré leur application très répandue, certains points de la relation entre le procédé de fabrication et les propriétés des tubes sont encore méconnus. Les propriétés à maîtriser dans ces produits sont la limite d’élasticité et l’allongement en traction, le CSR (Contractile Strain Ratio) et la résistance à la fatigue. Les premiers fabricants de ce type de tubes ont réalisé dès très tôt l’influence du procédé sur la texture cristallographique, puis des études plus approfondies ont montré l’influence des textures sur les propriétés clés. Cependant, la littérature ouverte au publique omets l’influence de la restauration et de la recristallisation, phénomènes que surviennent à plusieurs reprises au cours du procédé. Afin de répondre au besoin de comprendre l’influence de ces phénomènes, cette thèse se focalise sur la caractérisation fine des microstructures et textures locales par EBSD couplée aux analyses globales par diffraction de rayons X. Les résultats de ces travaux montrent que la recristallisation produite lors du recuit final est de nature discontinue et suit une cinétique locale variable en fonction des hétérogénéités de l’état écroui, qui sont quant à elles une conséquence de l’anisotropie de la phase alpha. La fraction volumique recristallisée influence le comportement mécanique en traction des tubes. Il a été montré que l’apparition d’un faible adoucissement suivi d’un plateau de Lüders sur les courbes de traction est accentuée par l’avancement de la recristallisation. De même, il a été montré que les composantes principales des textures de déformation restent stables jusqu’à des états très avancés de la recristallisation. On observe cependant un affaiblissement de l’intensité de la texture et une microstructure de grains fins et équiaxes. Ce résultat suggère que la phase beta inhibe la croissance de grains et les évolutions de texture qu’y seraient associées. Ce travail analyse aussi l’effet des séquences de déformation et recristallisation sur les textures et microstructures finales. Il a été confirmé que la texture peut être modifiée par le rapport de réduction au laminage et que les textures déterminent la valeur du CSR. Ce dernier résultat a été bien reproduit par des simulations de plasticité cristalline. Quant aux microstructures, l’analyse de tubes de dimensions variées suggère que la taille des grains recristallisés peut être contrôlée par le choix du chemin de déformation de toute la gamme de transformation. Enfin, la résistance à la fatigue des tubes a été étudiée par des tests de fatigue à pression pulsée. Les résultats indiquent que les tubes à texture tangentielle ont une meilleure tolérance aux défauts de surface et à la propagation des fissures. Il apparait cependant que la texture radiale améliore la limite d’endurance sous les conditions de ces essais / Cold pilgered Ti-3Al-2.5V alloy tubes are used in a stress relieved condition in commercial and military aircraft since the late 20th century. Despite the extensive use of these tubes, some aspects of the relations between processing and properties are still misunderstood, restricting the possibilities for the development of new products. The key properties are the tensile yield stress and elongation, the Contractile Strain Ratio (CSR) and the fatigue resistance. While early studies have shown how the pilgering process impacts texture and some of the effects of texture on these properties, public literature dismisses the effects of recovery and recrystallization, which both occur during the various annealing treatments of the transformation schedule. To fill this gap, this work focuses on the fine characterization of the local microstructures and textures of tubes produced in industrial trials. EBSD maps presented in this work show that the stress relieving treatment produces discontinuous recrystallization with variable local kinetics depending on the heterogeneity of the deformed condition, which is caused by the high anisotropy of the hexagonal alpha phase. The recrystallized fraction Rx is shown to influence the tensile deformation behavior, as anomalous yield point phenomena are more pronounced when Rx increases. Under the studied conditions, strong recrystallization is shown to produce fine equiaxe grains and a weak texture although without significant modification of the deformation texture components. This result suggests that grain growth is inhibited by the beta phase present in the microstructure. This work also analyses the influence of the sequences of deformation and recrystallization on the final texture and microstructure. It was confirmed that texture can be modified by the ratio of thickness to diameter reduction and that texture determines the CSR. The latter result is well reproduced in crystal plasticity simulations. The microstructural analysis of a wide range of tube dimensions suggested that the sizes of recrystallized grains in the final microstructures can be tailored through the choice of the overall strain path. Finally, the fatigue behavior of tubes with similar microstructure and different texture were studied under internal pulsed pressure tests. The results suggest that tangentially textured tubes are more tolerant to surface damages and crack propagation at high and medium stress amplitudes. The radial textures, however, improve the endurance limit under the conditions of these trials

Ce travail vise à accélérer les calculs lors de la simulation numérique du laminage à pas de pèlerin. Pour ce faire, nous nous sommes penchés sur la méthode Multimaillages Multiphysiques Parallèle (MMP) implémentée au sein du code Forge®, et destinée à accélérer les calculs pour des procédés de mise en forme à faible où la déformation est très localisée sur une petite zone du domaine. Dans cette méthode, un maillage localement raffiné dans la zone de déformation et plus grossier sur le reste du domaine est utilisé pour résoudre les équations mécaniques, alors qu'un maillage uniformément raffiné est retenu pour le calcul thermique. Le calcul mécanique étant le plus coûteux, la réduction du nombre de nœuds de son maillage permet d'obtenir des accélérations très importantes. Le maillage de calcul thermique étant uniformément fin, il sert aussi de maillage de stockage pour les champs calculés pour les deux physiques. Pour appliquer la efficacement méthode MMP au laminage à pas de pèlerin, plusieurs aspects importants ont été pris en compte. Tout d'abord la géométrie complexe du tube nécessite le développement d'une technique de déraffinement spéciale afin d'assurer un déraffinement maximal tout en garantissant un maillage convenable pour des calculs. Une technique de déraffinement de maillage utilisant une métrique anisotrope cylindrique a été alors développée. Ensuite, avec la loi de comportement élastoplastique utilisée, des perturbations importantes sont observées sur les contraintes dues aux diffusions numériques engendrées par les différents types de transports des champs P0 (constants du maillage thermique vers le maillage mécanique. Pour y remédier, une approche combinant deux techniques a été développée. La première consiste à effectuer la réactualisation des variables d'état directement sur le maillage mécanique plutôt que sur le maillage thermique et de les transporter ensuite. La deuxième technique est l'utilisation d'un opérateur de transport P0 basé sur un recouvrement super convergent (SPR) et la construction de champs d'ordre supérieur recouvrés. De bonnes accélérations sont alors obtenues sur les cas de laminage à pas de pèlerin étudiés, allant jusqu'à un facteur 6,5 pour la résolution du problème thermomécanique. Les accélérations globales de simulation vont jusqu'à un facteur 3,3 sur un maillage contenant environ 70 000 nœuds en séquentiel. En parallèle les performances chutent légèrement, mais elles restent semblables (2,7). / This work aims at speeding-up the calculations of the numerical simulation of the cold pilgering process. To this end, it is focused on a Parallel Multiphysics Multimesh (MMP) method that bas been implemented in the Forge® code; this method is dedicated to speeding-up the calculations for processes in which the deformation is localized within a small area of the computational domain. A locally refined mesh is used to solve the mechanical equations while a uniformly refined mesh serves as basic mesh to store state variables and is preferred for thermal calculations. The mechanical computations being the most expensive, reducing the number of nodes of its mesh provides high speed-ups. To effectively apply MMP method to cold pilgering process, many important aspects have been taken into account. Firstly the complex geometry of the tube requires the development of a special mesh coarsening technique, in order to ensure a maximum coarsening while guaranteeing a suitable mesh for calculations. A technique using a cylindrical anisotropic metric is then introduced. Afterwards, with the elastoplastic behaviour law used for the considered process, inaccuracies were observed on the stress field. They are mainly due to the numerical diffusion generated by the different transfers operations of P0 variables (constant per element) from the thermal mesh to the mechanical one. To remedy this issue, an approach combining two techniques has been developed. Firstly state variables are directly updated on the mechanical mesh, instead of doing it on the thermal mesh before transferring them on the the mechanical mesh. The second technique consists in using a P0 transfer operator based on super convergent recovery (SPR) technique, which improves the accuracy of the transported field through introduction of higher order recovered fields. High speed-ups are obtained on the studied cold pilgering cases, up to a factor 6,5 for the resolution of the thermomechanical problem, and the global simulation speed-up is up to a factor of 3,2, on a mesh with about 70 000 nodes in sequential calculations. For parallel calculations performances slightly drop but remain quite good.

Cold pilgering is a challenging tube forming process in terms of modeling due to the complexity in kinematic of tools, friction condition and material behavior. The process development has mostly been based on simple formulas and costly full-scale tryouts. The aim in this study is to develop validated Finite element models of cold pilgering to increase the understanding of influence of the process parameters on the produced tubes. In the course of this thesis, three-dimensional mechanical and thermo-mechanical Finite element models of cold pilgering were developed. The commercial code MSC.Marc was used in the simulations. General 3D models are needed to be able to capture asymmetric deformation in cold pilgering. It was found that tool deflections together with elastic deformation of roll dies have considerable influence on the rolling force. Furthermore, the strain rate and temperature effects on the response of the material and thereby on the rolling force were evaluated.

Afin de faire face aux besoins croissants en énergie, les réacteurs de 4ème génération sont envisagés mondialement. Un premier prototype de réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium (appelé ASTRID) est à l'étude au CEA. Le matériau de référence retenu pour le gainage combustible du premier coeur est l'acier austénitique 15-15Ti - AIM1 (Austenitic Improved Material). <br/>L’objectif de la thèse est d’étudier des voies d’optimisation de la gamme de mise en forme à froid du gainage permettant d’améliorer la résistance au gonflement. Les investigations portent principalement sur les conditions de transformation à froid et les traitements thermiques appliqués au cours de la mise en forme (notamment lors du dernier traitement d’hypertrempe). Les effets de ces paramètres sont étudiés en lien avec la microstructure (notamment l’affinement structural, l’état de précipitation, la remise en solution des éléments d’addition et l’arrangement des dislocations).<br/>La démarche adoptée se divise en trois étapes principales :<br/>- une analyse des gammes de fabrication mises en oeuvre par le passé ainsi qu’une étude des conditions d’étirage à froid et des traitements thermiques appliqués ;<br/>- une évaluation de nouveaux procédés de mise en forme tels que le laminage à pas de pèlerin et le martelage visant à valider la fabrication des tubes finis selon les spécifications requises ;<br/>- une optimisation des gammes de fabrication à froid et de la microstructure du matériau final. Les résultats de caractérisation de la microstructure et du comportement mécanique permettent d’envisager favorablement l’utilisation d’un procédé alternatif tel que le laminage à pas de pèlerin pour fabriquer les tubes de gaine. / In order to face the next century energy demand growth, the worldwide development of the 4th generation of nuclear reactors is considered. The construction of a sodium-cooled fast reactor prototype (ASTRID) is currently envisaged at the CEA. The reference material selected for the fuel cladding of its first core is the 15-15Ti-AIM1 austenitic steel (Austenitic Improved Material).<br/>The goal of this PhD thesis work is to investigate the different ways of optimization for the coldworking steps undergone by the claddings during their manufacture in order to improve their swelling resistance. The main investigations are focused on the conditions of the cold-working steps and the thermal treatments applied throughout the shaping of the claddings, especially of the last solution annealing treatment. The effects of these parameters on the microstructure are investigated (structural refinement, precipitation and the additive elements dissolution and arrangement of the dislocations).<br/>This study is divided into three main steps:<br/>- an analysis of the fabrication routes applied in the past along with the study of the “coldwork” and the thermal treatments conditions;<br/>- an assessment of new shaping processes, such as the “cold-pilgering” and the hammering, in order to verify the conformity of the manufactured tubes with respect to the required specifications.<br/>- an attempt of optimization of the cold-work routes and the microstructure of the final material. The results of microstructure characterization and the mechanical behavior allow envisaging favorably the use of an alternative process such as the cold pilgering to manufacture claddings.