La détermination précise du comportement plastique des tôles métalliques anisotropes est un élément clé d'une simulation numérique fiable des procédés de mise en forme par emboutissage. Dans cette étude, nous avons mis au point une procédure d'identification paramétrique d'un modèle de surface de plasticité anisotrope à 8 paramètres, qui s'appuie sur des essais classiques de traction uniaxiale selon différentes orientations de l'éprouvette, mais aussi sur des essais de traction biaxiale hétérogènes. Ces derniers ont d'abord nécessité la conception de 2 types d'éprouvettes cruciformes qui, sollicitées en traction biaxiale, sont soumises à des champs de déformation couvrant le domaine allant de la traction uniaxiale à la traction équibiaxiale. L'analyse des essais de traction permet tout d'abord de déterminer les paramètres d'écrouissage ainsi que certains des paramètres de la fonction de charge liés à l'anisotropie en déformation et l'anisotropie en contrainte des matériaux. Les autres paramètres de la fonction de charge, qui interviennent dans la définition de la forme de la surface de plasticité dans le domaine de l'expansion, sont ensuite obtenus à l'aide d'une méthode d'identification minimisant l'écart entre les champs de déformation obtenus expérimentalement par une méthode d'analyse d’images, et ceux déterminés par simulation des essais à l'aide d'un code de calcul par éléments finis. La procédure d'identification a été appliquée à deux nuances d'aciers pour emboutissage, un acier inoxydable AISI304, et deux alliages d'aluminium. Les résultats montrent la grande sensibilité de la méthode d'identification proposée. Des essais de validation sont également présentés / The precise determination of the plastic behaviour of anisotropic sheet metals is a key element for obtaining reliable results in numerical simulations of forming processes. In this study, an identification procedure has been developed using an 8- parameter yield surface model. The procedure is based on the analysis of both classical uniaxial tension tests performed along different directions, and heterogeneous biaxial tensile tests. Two types of cruciform specimens have been designed to this end. Under biaxial stretching, the specimens are submitted to strain fields covering the range from uniaxial tension to equibiaxial tension. First, the analysis of uniaxial tensile tests allows us to determine strain-hardening parameters, and yield function parameters related to strain- and stress-anisotropy. Then, the other yield function parameters defining the shape of the yield surface in the biaxial stretching range are obtained using an identification procedure which minimizes the difference between strain fields obtained experimentally by an image correlation method, and strain fields determined by numerical simulations using a finite element code. The identification procedure has been applied to 2 steels of deep-drawing quality, an AISI304 stainless steel and two aluminium alloys. The results display the high sensitivity of the proposed identification method. Validation tests are also presented

De nombreux revêtements sont actuellement disponibles pour les aciers emboutis à chaud et trempés pour le domaine de la construction automobile. Afin d’augmenter les performances des produits actuels en termes d’aptitude à la mise en forme à chaud, de résistance contre la corrosion et de compatibilité avec les procédés de fabrication ultérieurs, les constructeurs automobiles et les sidérurgistes ont développé de nombreux types de matériaux alternatifs. Peu de produits ont trouvé une place importante dans l’utilisation industrielle. L’objectif de ce travail est de procéder à une vue d’ensemble des performances des produits actuels, d’identifier de nouveaux concepts de revêtements et d’étudier leur compatibilité pour l’application de la mise en forme à chaud. Cette étude porte sur les revêtements d’alliages de Zn-Mn. De nombreux bains électrolytiques et paramètres électriques ont été étudiés afin de déterminer des conditions de déposition optimales pour obtenir des alliages Zn-Mn avec une forte teneur en Mn. Les propriétés cristallographiques, microstructurales et anticorrosives de couches obtenues sur des plaques d’acier de grandes dimensions ont été caractérisées avec de nombreuses techniques. La compatibilité des couches protectrices pour le traitement d’austénitisation a été évaluée après des traitements thermiques à différentes températures et durées de chauffe. Une attention particulière a été portée sur l’évolution de la composition et des phases d’interdiffusion formées, ainsi que sur l’apparition de mécanismes d’oxydation et d’évaporation à haute température. Enfin, l’aptitude à la mise en forme à chaud et notamment la susceptibilité à la fissuration par métaux liquides de ces nouveaux revêtements ont été évaluées par des essais d’emboutissage / Various coatings are currently available for press-hardened steels used for the automotive construction, mainly with the aim of providing good anticorrosive properties to the body components. In order to improve performance of the coated products in terms of hot formability, corrosion protection and suitability for subsequent manufacturing processes, steelmakers and car manufacturers investigated various alternative coating materials. Only a few solutions resulted in a serial production. The aim of this study is to proceed to a screening of the performance of current coating variants, to identify new concepts for alternative coating materials and assess their suitability for the hot stamping application. The present work is focused on the study of Zn-Mn alloy coatings. Various electroplating baths and electric parameters were studied in order to determine optimal deposition conditions for obtaining Zn-Mn alloys with high Mn contents. The deposits obtained on large-scale steel plates were characterized with regards to their crystallographic, microstructural and anticorrosive properties. The behavior of the coating materials during austenitizing treatment was studied after heat treatment to different temperatures and heating durations. A particular attention was given to the evolution of the composition, the interdiffusion phases formed as well as to the presence of oxidation and evaporation mechanisms at high temperature. At last, the forming properties of the alternative coating materials and their susceptibility for liquid metal embrittlement were assessed on the basis of direct hot stamping experiments

Dans l'industrie aéronautique, les alliages de titane sont utilisés pour leur excellent comportement mécanique associé à une faible masse volumique. Ils sont largement employés sous forme de tôles dont la mise en forme peut se faire par le biais de trois procédés : à température ambiante par opération d'emboutissage, à très hautes températures (T≈900°C) par formage superplastique (SPF) et à des températures intermédiaires (T=730°C, 880°C) par formage à chaud (HF). Le projet repose sur le développement du procédé d'emboutissage à chaud d'une tôle d'alliage de titane Ti-6Al-4V en conditions isothermes à des températures inférieures à 700°C. Par conséquent, la détermination des paramètres procédés et matériaux constitue une étape importante pour la mise en œuvre de simulations numériques et contribue à la réussite des opérations d'emboutissage de pièces industrielles. Ces paramètres procédés sont liés à la vitesse du poinçon, aux efforts de serre-flan et au frottement induit entre le flan et l'outillage. Leur analyse a permis de déterminer deux niveaux de températures (400°C et 500°C) offrant une chute drastique du coût énergétique, en comparaison des procédés HF ou SPF, tout en conservant des niveaux d'allongement suffisants. Les paramètres matériaux influençant le comportement de l'alliage sont analysés et quantifiés. Ils peuvent être influencés par plusieurs mécanismes : élasticité, viscosité, anisotropie (Hill48, Barlat91) et nature de l’écrouissage (isotrope, cinématique). Dans cette étude, un modèle de comportement élasto-viscoplastique anisotrope, capable de considérer les trajets de chargement subis par la tôle lors de sa mise en forme, a été formulé pour les deux niveaux de température. L’implantation du modèle de comportement a été réalisée dans le code de calcul éléments finis Abaqus/Standard 6.14® interfacé avec le logiciel ZMAT®. Elle a permis d’une part des simulations d’emboutissage de profil Omega pour lesquelles des comparaisons avec les expériences ont été réalisées et d’autre part, des calculs sur une pièce de forme complexe. / In the aerospace industry, titanium alloys are used for their excellent mechanical behavior associated with low density. They are widely available in sheet form and the final shape can be obtained through three processes: at room temperature by stamping operation, at very high temperatures (T≈900°C) by superplastic forming (SPF) and at intermediate temperature (T=730°C, 880°C) by hot forming (HF). The project is based on the development of the hot stamping process of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet under isothermal conditions at temperatures below than 700°C. Therefore, the determination of the process and material parameters constitutes an important stage for implementing the numerical simulation while contributing to the success of the stamping operation at the scale of an industrial part. The process parameters are related to the punch speed, the blank holder forces and the friction induced between the sheet and the tool. Their analysis allowed to determine two temperature levels (400°C et 500°C) leading a drastic drop in energy cost, compared to HF or SPF processes, while maintaining enough elongation levels. The material parameters influencing the behavior of the alloy are analyzed and quantified. They can be influenced by several mechanisms: elasticity, viscosity, anisotropy (Hill48, Barlat91) and nature of hardening (isotropic, kinematic). In this study, an anisotropic elasto-viscoplastic behavior model, able to consider the loading path undergone by sheet during forming, has been formulated for both temperature levels. The implementation of the behavior model is achieved in Abaqus/Standard 6.14® Finite Element code with the material library plugin ZMAT®. It enables, on the one hand, stamping numerical simulations of a simple shape Omega profile for which experimental comparisons were done, on the other hand, calculations on an industrial part with a complex shape.

Le but premier de notre étude a été d'améliorer la technique de mesure de déformation, à la surface d'une éprouvette polycristalline, par microextensométrie. Cette méthode a été appliquée à un acier d'emboutissage, à petite taille de grains, déformé en traction simple jusqu'à 30%. La stéréographie nous a permis de connaître plus précisément trois composantes du tenseur de Green Lagrange, pour chaque cellule, aux six étapes de déformation étudiées. La technique de l'EBSD a aussi été utilisée, afin de déterminer l'évolution de l'orientation cristalline d'environ 130 grains. Un calcul en vitesse a servi à corréler ces deux types d'information pour tenter d'étudier la nature des systèmes de glissement actifs dans ces aciers. Enfin, une confrontation entre ces résultats expérimentaux et ceux obtenus par divers modèles polycristallins (Taylor, autocohérent élastoplastique et viscoplastique), à l'échelle du grain, a été faite. Les conclusions découlant de cette étude sur la déformation de ces aciers sont: -l'existence de bandes de déformation inclinées à 45° par rapport à l'axe de traction, traversant plusieurs grains, -le fait, que la plupart des grains se comportent, au niveau de la rotation cristalline, comme des grains isolés et que dans ce cas, les modèles donnent d'assez bons résultats, -l'existence d'un écrouissage faiblement anisotrope.

L'objectif de la thèse effectuée dans le cadre du projet européen « Intelligent system for NET shape FORming of Sheet MEtal Product » est la recherche de procédures optimisées pour la mise au point de simulations numériques d'opérations industrielles d'emboutissage. Ce travail a pour but d'apporter des réponses efficaces, applicables au sein d'une entreprise en regard de la mauvaise perception de ce type de procédé dans le milieu industriel.<br />La procédure met en avant le rôle clé de l'identification des lois de comportement élastoplastiques définissant le comportement de la tôle pendant la simulation.<br />Dans un premier temps on s'intéresse à l'identification classique à partir d'essais de traction utilisés habituellement à cet effet.<br />Différentes techniques et protocoles sont alors retenus pour tirer le meilleur parti de ce type d'essais en utilisant notamment les techniques expérimentales d'analyse d'images.<br />Ces choix conduisent à une amélioration notable des résultats concernant l'effet du retour élastique, l'état de contraintes résiduelles et la prédiction de la localisation de la déformation.<br />Cependant les limites de ce type d'identification réalisé sur des essais homogènes apparaissent clairement.<br />C'est pourquoi, nous proposons une méthode originale d'identification des paramètres de la loi de comportement à partir d'essais hétérogènes voisins du cas réel de mise en forme. L'optimisation des coefficients de la loi de comportement est alors fondée sur l'utilisation de réseaux de neurones. Les avantages de cette méthode sont démontrés sur un exemple d'emboutissage de pièces axisymétriques à flan bloqué.

Face aux exigences concurrentielles et économiques actuelles dans le secteur automobile, l'emboutissage a l'avantage, comme étant un procédé de mise en forme par grande déformation, de produire, en grandes cadences, des pièces de meilleure qualité géométrique par rapport aux autres procédés de fabrication mécanique. Cependant, il présente des difficultés de mise en œuvre, cette dernière s'effectue généralement dans les entreprises par la méthode classique d'essai-erreur, une méthode longue et très coûteuse. Dans la recherche, le recours à la simulation du procédé par la méthode des éléments finis est une alternative. Elle est actuellement une des innovations technologiques qui cherche à réduire le coût de production et de réalisation des outillages et facilite l'analyse et la résolution des problèmes liés au procédé. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif est de prédire et de prévenir, particulièrement, le retour élastique et la rupture. Ces deux problèmes sont les plus répandus en emboutissage et présentent une difficulté en optimisation puisqu'ils sont antagonistes. Une pièce mise en forme par emboutissage à l'aide d'un poinçon sous forme de croix a fait l'objet de l'étude. Nous avons envisagé, d'abord, d'analyser la sensibilité des deux phénomènes concernés par rapport à deux paramètres caractéristiques du procédé d'emboutissage (l'épaisseur du flan initial et de la vitesse du poinçon), puis par rapport à quatre (l'épaisseur du flan initial, de la vitesse du poinçon, l'effort du serre flan et le coefficient du frottement) et finalement par rapport à la forme du contour du flan. Le recours à des méta-modèles pour optimiser les deux critères était nécessaire.

Le procédé de thermo-estampage est une voie intéressante pour la production en grande série de pièces composites. Cependant ce procédé est complexe à maitriser et simuler, en raison des phénomènes multi-physiques mis en jeu (déformation textiles, choc thermique, frottements...) ce qui engendre des campagnes par essai-erreurs qui peuvent être très coûteuses. Cette étude s'intéresse à la mesure et à la caractérisation du procédé d'estampage et des matériaux utilisés afin de simuler le refroidissement de la matrice et la mise en forme du textile. Des défauts récurrents sont évoqués ainsi que des solutions industrielles afin de les résoudre. La simulation thermique permet de déterminer le temps de consolidation nécessaire afin d'optimiser les temps de production en fonction des matériaux et de leur épaisseur. La simulation de la mise en forme textile permet de prédire la faisabilité d'une pièce et l'orientation des fibres afin de définir au mieux les pièces suivant les cas de charges statiques et dynamiques. Les apports de ce travail sont les suivants : la réalisation de mesures thermiques du flan durant un estampage et du choc thermique en surface du stratifié, la réalisation d'une méthodologie efficiente pour analyser la faisabilité d'une pièce complexe dans un contexte industriel grâce à des simulations de mise en forme couplées à des essais expérimentaux. Enfin une méthode d'analyse du comportement en cisaillement plan, pour des renforts dont les fils de chaîne et de trames ne sont pas orthogonaux est proposée. / The thermo-stamping process is a promising way for the mass production of the composite parts. However this process is complex to master and simulate due to the multi-physics background (textile deformation, thermal shock, rubbing...) and trial and error tests campaigns can be expensive. This study focuses on the measurement and assessment of the process and materials behaviour, to simulate the cooling down of the matrix and the forming of the woven. Typical defects are mentioned as well as associated industrial solutions to solve them. The simulation makes it possible to determine the consolidation time necessary in order to optimize the manufacturing time as a function of the material used and of its thickness. Furthermore the forming simulation shows the feasibility of the part and the fibre orientation to design the product for the static and crash cases. The contributions of this work are the following: thermal measurements of the pre-consolidated plate during the stamping phase and the thermal chock at the surface of the composites, an efficient method to analyse the feasibility of a complex shape in an industrial context is proposed through forming simulations compared to the experiment. Finally, a methodology for the analysis of the in-plane shearing behaviour of a woven fabric with non-orthogonal warp and weft yarn is proposed.

Face aux exigences concurrentielles et économiques actuelles dans le secteur automobile, l'emboutissage a l'avantage, comme étant un procédé de mise en forme par grande déformation, de produire, en grandes cadences, des pièces de meilleure qualité géométrique par rapport aux autres procédés de fabrication mécanique. Cependant, il présente des difficultés de mise en œuvre, cette dernière s'effectue généralement dans les entreprises par la méthode classique d'essai-erreur, une méthode longue et très coûteuse. Dans la recherche, le recours à la simulation du procédé par la méthode des éléments finis est une alternative. Elle est actuellement une des innovations technologiques qui cherche à réduire le coût de production et de réalisation des outillages et facilite l'analyse et la résolution des problèmes liés au procédé. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif est de prédire et de prévenir, particulièrement, le retour élastique et la rupture. Ces deux problèmes sont les plus répandus en emboutissage et présentent une difficulté en optimisation puisqu'ils sont antagonistes. Une pièce mise en forme par emboutissage à l'aide d'un poinçon sous forme de croix a fait l'objet de l'étude. Nous avons envisagé, d'abord, d'analyser la sensibilité des deux phénomènes concernés par rapport à deux paramètres caractéristiques du procédé d'emboutissage (l'épaisseur du flan initial et de la vitesse du poinçon), puis par rapport à quatre (l'épaisseur du flan initial, de la vitesse du poinçon, l'effort du serre flan et le coefficient du frottement) et finalement par rapport à la forme du contour du flan. Le recours à des méta-modèles pour optimiser les deux critères était nécessaire. / The processing of sheet metal forming is of vital importance to a large range of industries as production of car bodies, cans, appliances, etc. It generates complex and precise parts. Although, it is an involved technology combining elastic-plastic bending and stretch deformation of the workpiece. These deformations can lead to undesirable problems in the desired shape and performance of the stamped. To perform a successful stamping process and avoid shape deviations such as springback and failure defects, process variables should be optimized.In the present work, the objective is the prediction and the prevention of, especially, springback and failure. These two phenomena are the most common problems in stamping process that present much difficulties in optimization since they are two conflicting objectives. The forming test studied in this thesis concern the stamping of an industrial workpiece stamped with a cross punch. To solve this optimization problem, the approach chosen was based on the hybridization of an heuristic and a direct descent method. This hybridization is designed to take advantage from both disciplines, stochastic and deterministic, in order to improve the robustness and the efficiency of the hybrid algorithm. For the multi-objective problem, we adopt methods based on the identification of Pareto front. To have a compromise between the convergence towards the front and the manner in which the solutions are distributed, we choose two appropriate methods. This methods have the capability to capture the Pareto front and have the advantage of generating a set of Pareto-optimal solutions uniformly spaced. The last property can be of important and practical.

Le procédé de mise en forme des tôles métalliques, généralement oxydées, par emboutissage est en pleine évolutionpour répondre à de nouveaux besoins : intervalles de tolérances dimensionnelles de plus en plus étroits, productionen grande série à faible coût, apparition de nouvelles nuances de matériaux, souci écologique. La réussite d’une telleopération est prédominée par le contrôle du frottement au niveau du contact entre tôle à former et outil enmouvement relatif. Pour ce faire, nous proposons dans cette thèse de fonctionnaliser la surface de la tôle en ygreffant des molécules organiques auto-assemblées, par simple immersion dans une solution contenant les moléculesréactives. Le couple métal/molécule retenu pour cette étude est un substrat massif de cuivre pur avec des moléculesd’acides alkylphosphoniques (CnH2n+1PO(OH)2) dans le but d’établir une corrélation entre les propriétésphysicochimiques des films ainsi formés et leur comportement tribologique. La réponse en frottement a été étudiéepar deux moyens de simulation expérimentale des conditions de contact (tribomètres bille/plan et étirage-plan). Nousavons considéré l’influence des trois facteurs de préparation de substrat suivant μ la nature de surface juste avant safonctionnalisation (présence d’une couche d’oxyde ou d’hydroxyde), le nettoyage de surface aux ultrasons après safonctionnalisation (élimination des espèces physisorbées) et la longueur de chaîne alkyle de la moléculeorganophosphonique (n=4, 12 et 16). Bien que la formulation de cette fonctionnalisation soit simple (élaborée àpartir d’une seule molécule), les techniques d’investigation de surface (PM-IRRAS, XPS, électrochimie, MEB,…)montrent que les films auto-assemblés sont constitués d’une bicouche de bonne qualité de greffage et de propriétésanticorrosion. Cette bicouche est composée d’une première monocouche de molécules chimisorbées à la surface (ouSAM) sur laquelle est déposée une deuxième couche d’amas physisorbés. D’autre part, notre étude a montréégalement que les amas physisorbés ont un rôle primordial dans le comportement tribologique du film auto-assemblé(abaissement et stabilité du coefficient de frottement et prévention contre le grippage). / Sheet metal forming processes are quickly evolving to meet new requirements of deep drawing such as: continuousminimization of dimensional tolerances intervals, cost efficiency at mass production, appearance of new materialstypes, environmental concern. The success of such operation is predominated by controlling friction at the contactbetween the metal sheet and forming tool in relative motion. In the present work, we propose to functionalize themetal sheet surface using grafting of self-assembled organic molecules by simple immersion in a solution containingthe reactive molecules. Consequently, thin film of alkylphosphonic acid (CnH2n+1PO(OH)2) was grafted on copperoxide substrate in order to establish a correlation between the physicochemical properties of the films andtribological behavior. Frictional response was studied by two experimental means of contact conditions (stripdrawing testing and ball-on-plane tribometer). The influence of three factors for the preparation of substrate wasconsidered. Firstly, the nature of its surface just before functionalization including the presence of an oxide orhydroxide layer was studied. Then, the ultrasonic surface cleaning after functionalization (removal physisorbedspecies) and finally, the alkyl chain length of the organophosphonic molecule (n = 4, 12 and 16). Although theformation of this functionalization is simple (made from a single molecule), the surface investigation techniques(PM- IRRAS , XPS, electrochemistry , SEM, .., etc.) show that self-assembled films consist of a bilayer with a goodgrafting quality and anticorrosion properties. The bilayer is composed of a first monolayer of molecules chemisorbedon the surface (or SAM) on which a second layer of physisorbed species is deposited. Furthermore, this study alsoshowed that the physisorbed species have a key role in the tribological behavior of self-assembled film (lower andstable friction coefficient and high resistance to galling).

Les travaux de recherche que je mène depuis une dizaine d'années, au Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux de Bretagne, portent principalement sur deux domaines : la modélisation des procédés de mise en forme des matériaux métalliques et la simulation du comportement de matériaux polymères. Sachant que les conditions d'emplois et de mise en forme des matériaux sont de plus en plus sévères, l'objectif de ces thématiques est d'améliorer la caractérisation et la modélisation du comportement mécanique des matériaux. Tout d'abord, en cherchant à intégrer des phénomènes mécaniques mal maîtrisés (effets de la vitesse de chargement élevée, sensibilité à la température et dépendance du chemin de chargement) ensuite, en développant des méthodes expérimentales ad hoc permettant de mesurer ces phénomènes, et enfin, en mettant en oeuvre des stratégies numériques originales, en tentant de simuler au mieux ces phénomènes. Ces travaux, s'effectuant dans des domaines de transformations finies, un formalisme en grandes transformations s'appuyant sur la description du mouvement du solide par les coordonnées matérielles entraînées a d'abord été précisé. L'étude de l'intégration temporelle du taux de déformation dans différents repères objectifs a montré l'importance du repère en rotation logarithmique et que la dérivée dans le repère corotationnel n'en était qu'une approximation. Ces restrictions à l'esprit, la modélisation de la prédiction du retour élastique lors de la mise en forme des alliages d'aluminium et de la prise en compte de la température au cours de ces étapes a pu être évaluée à travers le test d'ouverture d'un anneau découpé dans un godet cylindrique. L'influence combinée des modèles de comportement, des paramètres numériques, des modes de découpe numérique et du type de modélisation thermomécanique a été analysée, montrant qu'il reste encore des progrès à réaliser pour la modélisation du retour élastique. Enfin, un modèle de comportement d'Hyperélasto-Visco-Hystérétique, discernant les phénomènes mécaniques observés grâce à plusieurs contributions en contrainte, a été appliqué sur deux matériaux polymères. Une méthode d'identification simple, rapide et nécessitant un seul essai de chargement interrompu par des phases de relaxation a permis de montrer l'existence dans ces matériaux des effets de la viscosité, de l'hyperélasticité et d'une partie hystérétique non-visqueuse. La prise en compte des effets de la température s'est également avérée concluante.