Cette thèse porte sur la modélisation par éléments finis des procédés de mises en forme à froid, que sont le tréfilage et le laminage. Tout d'abord le comportement mécanique des aciers haut carbone a été mesuré grâce à une large campagne d'essais expérimentaux tout au long de cette gamme de mise en forme et une progressive anisotropie mécanique a été observée au cours du tréfilage. Puis, la simulation numérique du tréfilage et du laminage a été réalisée à l'aide de FORGE2005®. Le résultat principal concerne la prédiction de l'élargissement en fin de laminage qui est très imprécise avec une loi isotrope (sous estimation de la largeur de 10%). Cette sous-estimation passe à 5% avec une loi de comportement anisotrope. Ensuite, une troisième partie a porté sur l'étude microstructurale couplée à une analyse des mécanismes d'endommagement des aciers perlitiques au cours du tréfilage et du laminage. L'anisotropie mécanique provient de l'alignement des colonies de perlite au tréfilage et par l'apparition d'une orientation cristallographique préférentielle. Trois mécanismes d'endommagement ont pu être identifiés au cours du tréfilage. Lors du passage au laminage, les cinétiques de propagation de l'endommagement sont modifiées. La simulation a permis d'apporter des informations supplémentaires et de valider les observations expérimentales. Enfin, des calculs d'optimisation du tréfilage ont été effectués et ont permis d'étudier la sensibilité des fonctions objectifs (endommagement et force de tréfilage) aux paramètres d'optimisation (géométrie de filière). De plus, cette étude a mis en évidence que les solutions optimales diffèrent en fonction du choix de la fonction coût et qu'il est possible de diminuer l'endommagement sans trop augmenter la force de tréfilage et le risque de rupture.

Despite of their costs, titanium alloys are often used for structural applications due to their high performance to density ratio that allows the manufacturers to reach the aimed mechanical properties. Users are more and more inclined to turn towards the ƓÒ-metastable alloys since they provide a wider range of processing conditions, very attractive corrosion resistance and higher strength levels in comparison to the ƓÑƓyƓÒ alloys. Nevertheless, these alloys present a high sensitivity to the variation in the applied heat- or thermomechanical treatment influencing the final mechanical properties. That is why the understanding of the relationships existing between these heat- or thermomechanical treatments and the corresponding modifications of the microstructures, as well as the influence of several characteristics of the microstructure on the mechanical properties under static and cycling loading conditions is of primary importance. This research allows to characterise and to better understand the precipitation and growth sequences of the ƓÑ phase in the Ti-LCB alloy during classical heat- and thermomechanical treatments in order to be able to predict the microstructure resulting from a defined treatment. Furthermore, to improve the understanding of the relationships existing between the manufacturing process, the corresponding microstructures modifications, and the mechanical properties, tensile tests are performed on the different microstructures and microstructural parameters playing an important role on the static properties are identified. Microstructural features governing the static fracture process in two different microstructures are determined by using a micromechanical model based on a physical understanding of the mechanisms of damage. Finally, the crack initiation and the first stage of crack propagation under high cycle fatigue conditions are investigated at a local scale on two different microstructures.

Despite of their costs, titanium alloys are often used for structural applications due to their high performance to density ratio that allows the manufacturers to reach the aimed mechanical properties. Users are more and more inclined to turn towards the ƓÒ-metastable alloys since they provide a wider range of processing conditions, very attractive corrosion resistance and higher strength levels in comparison to the ƓÑƓyƓÒ alloys. Nevertheless, these alloys present a high sensitivity to the variation in the applied heat- or thermomechanical treatment influencing the final mechanical properties. That is why the understanding of the relationships existing between these heat- or thermomechanical treatments and the corresponding modifications of the microstructures, as well as the influence of several characteristics of the microstructure on the mechanical properties under static and cycling loading conditions is of primary importance. This research allows to characterise and to better understand the precipitation and growth sequences of the ƓÑ phase in the Ti-LCB alloy during classical heat- and thermomechanical treatments in order to be able to predict the microstructure resulting from a defined treatment. Furthermore, to improve the understanding of the relationships existing between the manufacturing process, the corresponding microstructures modifications, and the mechanical properties, tensile tests are performed on the different microstructures and microstructural parameters playing an important role on the static properties are identified. Microstructural features governing the static fracture process in two different microstructures are determined by using a micromechanical model based on a physical understanding of the mechanisms of damage. Finally, the crack initiation and the first stage of crack propagation under high cycle fatigue conditions are investigated at a local scale on two different microstructures.

Thèse de doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

No description available.

L'objectif initial de la thèse était de proposer une nouvelle modélisation simplifiée du laminage permettant un calcul rapide, si possible en temps réel, afin que le modèle soit éventuellement intégré à un outil de pilotage des machines de production. Ce modèle ne doit pas négliger les déformations élastiques afin de pouvoir être éventuellement appliqué à l'étude de phénomènes associés à la variation de largeur de la bande ou à des phénomènes de planéité. Il doit par ailleurs être assez ouvert pour que l'on puisse y intégrer éventuellement une description de la microstructure du matériau polycristallin et prendre en compte la déformation des cylindres de laminage. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé de tenter de construire un modèle simplifié semi-analytique du laminage. Dans ce type de modèle, le gradient de la transformation globale peut alors être décomposé multiplicativement en un produit d'une première transformation locale " plastique " , qui transforme le voisinage local initial de dans la configuration relâchée, par une seconde transformation locale " élastique " qui transforme la configuration relâchée dans la configuration actuelle . Cette décomposition est à la base de l'analyse thermodynamique de l'évolution mécanique lorsque le matériau subit de grandes transformations élastoplastiques, laquelle analyse fournit les concepts d'efforts intérieurs et de variables d'état nécessaires à l'écriture de ce comportement. Nous avons montré deux approches permettant le calcul analytique de ces champs lorsque l'histoire de est connue au voisinage d'une particule .Nous avons ensuite proposé l'étude d'une classe particulière d'évolutions élastoplastiques que nous avons appelées " simples radiales " et nous avons montré que les évolutions obéissaient à un principe de minimum énergétique. Nous avons enfin conjecturé que ce principe pouvait être étendu en régime permanant pour permettre de construire une modélisation simplifiée des processus de laminage

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).

Le laminage à chaud de l’acier inoxydable est une étape du procédé de fabrication agissant significativement sur la qualité de surface des produits. Les nuances ferritiques stabilisées sont largement utilisées dans les applications automobiles et de décoration mais sont concernées par le phénomène de collage à chaud. Ces nuances, ayant des résistances élevées en corrosion sèche et en fluage, sont riches en éléments tels que le Cr, le Nb ou le Ti, limitant aussi l’oxydation des brames lors du laminage. Or, l’oxydation maitrisée de la brame permet de protéger la surface du métal de tout contact direct avec les cylindres de laminage.Afin de comprendre l’initiation du collage, une première campagne d’étude sur la topographie et la dégradation de l’état de surface des cylindres a été réalisée. Il a été mis en évidence que l’initiation du collage ne serait pas du à des rayures d’usure en surface des cylindres et dont la profondeur serait supérieure à la couche d’oxyde, car la probabilité que la profondeur d’une rayure de cylindre soit plus importante que la couche d’oxyde est très faible.Ensuite, un banc d’essai reproduisant les conditions tribologiques de l’emprise du laminoir a été conçu afin de mieux appréhender les mécanismes à l’origine du collage. Etant donné l’importance de l’état de surface des brames et des cylindres, ce banc d’essai a permis de travailler sur des échantillons pris en production, permettant d’étudier la surface oxydée des tôles. Cette deuxième campagne d’étude a mis en évidence l’importance des oxydes de silicium sur l’adhérence partielle de la couche d’oxyde, ainsi que la relative hétérogénéité en épaisseur et en composition chimique. / Hot rolling of stainless steel is one of the most important steps in manufacturing process regarding surface quality of the product. Stabilised ferritic stainless steels are widely used in automotive and cosmetic appliances but are also concerned by sticking phenomenon. These grades, having high dry corrosion and creep resistance, are enriched in specific chemical elements such as Cr, Nb or Ti, limiting also slab oxidation during hot rolling. Nevertheless, the mastered oxidation of slab surface is a way to protect metal surface from direct contact with rolls.In order to better understand initiation of sticking, a first campaign was based on topography and rolls surface state wear analysis. This study revealed that sticking initiation is not due to the presence of roll scratches which depth is higher than oxide layer thickness. Indeed, the probability that roll scratches are deeper than oxide layer thickness is very low.In a second time, a pilot was designed, reproducing tribological conditions of a roll bite, to better understand mechanisms that initiate sticking. Keeping in mind the importance of rolls and slab surface state, this pilot is able to use specimen taking from industrial products, having the original oxide layer surface. This second study highlighted the major role of silicium oxides on scale adherence and the high heterogeneity of this scale layer in thickness and in chemical composition.

Pour les nouveaux réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium de Génération IV, les matériaux de gainage de référence pour les très forts taux de combustion sont les nuances ferritiques et martensitiques renforcés par une dispersion d'oxydes nanométriques (ODS). A l'heure actuelle le tube de gainage est mis en forme à froid à partir d'une ébauche tubulaire par une succession de passes de laminage à pas de pèlerin et de traitements thermiques intermédiaires. La modélisation numérique du procédé de laminage à pas de pèlerin pour ces nuances a été entreprise. Le modèle numérique d'élément finis tient compte de la cinématique complexe du procédé ainsi que du comportement du matériau sous chargements cycliques élasto-plastiques. Pour cela, le comportement cyclique des aciers ODS a été modélisé à l'aide d'un modèle élasto-plastique développé par Chaboche. Une procédure d'identification des paramètres du modèle a été proposée en utilisant une méthode d'analyse inverse. Cette procédure a été appliquée aux données expérimentales issues d'un essai cyclique sur une seule éprouvette. Utilisant une séquence de différentes amplitudes de déformations. Par ailleurs, l'utilisation de capteurs numériques a permis de suivre le chemin de déformation d'un élément de volume au cours du procédé afin d'estimer la nature et l'amplitude des déformations cycliques. L'identification du chemin de déformation est la première étape vers une meilleure compréhension des conditions critiques menant à des dommages et de fissures. L'acier ODS est également fortement texturé et mécaniquement anisotrope. Par conséquent, la possible influence de cette anisotropie sur le chemin de déformation est analysée en utilisant (i) une loi de comportement isotrope, et (ii) une loi anisotrope basée sur le critère de Hill quadratique. L'intégration d'une loi adaptée pour la prédiction de dommages ainsi que le choix d'une loi de comportement appropriée dans le modèle numérique proposé conduisent à la possibilité d'analyser les conditions pour lesquelles les fissures peuvent se développer, et la recristallisation peut avoir lieu au moment des traitements thermiques.

Ce travail vise Ce travail vise à améliorer la performance du code éléments finis FORGE®. En effet, la modélisation du contact dans ce code s'avère insatisfaisante pour simuler les procédés de mise en forme des matériaux à faible zone de contact. On présente dans ce mémoire les développements qui ont été réalisés pour améliorer le modèle de contact existant. Dans la première partie, partant de ce modèle, on s'intéresse à un problème spécifique qui est le procédé de laminage circulaire. Un nouveau modèle de traitement du contact dédié à ce procédé est développé. Il repose sur un schéma de réactualisation temporelle en coordonnées cylindriques, une formulation implicite et une description analytique des obstacles. La condition de contact incrémentale est alors imposée exactement en fin d'incrément. On valide ces développements sur plusieurs cas de procédé de laminage circulaire où l'on montre l'apport du nouvel algorithme en terme de précision de gestion de contact et aussi en terme d'amélioration des résultats de simulation et des temps de calcul. Dans la deuxième partie, on a généralisé cette approche à l'ensemble des procédés à faible zone pour lesquels une représentation analytique des outils n'est pas possible. On a développé alors un modèle implicite général basé sur la réactualisation de la condition de contact au cours des itérations de Newton-Raphson. Cette méthode permet de tenir compte exactement de l'évolution de la position relative de la pièce et de l'outil. Ensuite, on généralise le lissage des outils à des pièces de géométrie plus complexes. On étudie alors l'influence de la discrétisation de l'outil sur la précision de la simulation des procédés de mise en forme et particulièrement pour des procédés à faible zone de contact. Une méthode d'interpolation quadratique proposée par Nagata est alors implémentée pour le lissage de la surface des outils discrétisés par des éléments plans. La nouvelle surface interpolée est déterminée d'une façon locale à partir seulement de la position des nœuds et des normales nodales. Ces normales sont calculées à partir des normales aux facettes entourant le nœud considéré en utilisant la méthode des normales votées. L'efficacité de cette méthode combinée à schéma d'intégration implicite est testée pour plusieurs procédés de mise en forme.