Ce travail, qui a été réalisé dans le cadre d'un projet européen, avait pour objectif de faire la simulation numérique de l'injection d'un alliage d'aluminium (A356) à l'état semi-solide. Pour atteindre cet objectif, nous avons travaillé sur deux principaux axes qui sont l'expérience et la simulation numérique. Sur le plan expérimental, l'objectif était de trouver une loi de comportement et ses paramètres pour caractériser le comportement de notre alliage à l'état semi-solide. Cette étude nous a conduit d'une part à passer en revue les différentes classes de loi disponibles dans la bibliographie et à utiliser une loi de comportement viscoplastique, et d'autre part à réaliser un nouveau test rhéologique, le test de l'écoulement de Stephan. Les résultats expérimentaux ont été satisfaisants et l'identification des paramètres a pu être faite, en utilisant une stratégie de type essai-erreur. Ceci nous a permis de trouver pour notre cas des paramètres en concordance avec ceux trouvés dans la bibliographie et d'obtenir un accord raisonnable entre simulation numérique et mesures sur l'ensemble des essais effectués. Sur le plan purement numérique, nous avons dans un premier temps adapté le code de calcul R3 à la mise en forme à l'état semi-solide. Ce travail nous a conduit à y introduire un module de contact matière/matière et à développer le module de contact matière/outil existant. Nous avons alors été confrontés au problème de préconditionnement de la matrice hessienne, dont le conditionnement est fortement dégradé par l'ajout de la condition de non-interpénétration du contact matière/matière. Ce problème a été résolu grâce à l'utilisation du préconditionneur par factorisation incomplète de Crout. Nous avons ensuite travaillé sur la formulation eulérienne lagrangienne arbitraire et sur la procédure de remaillage automatique. Malheureusement, ces travaux ne nous ont pas permis de pouvoir simuler jusqu'au bout le remplissage de pièces industrielles. Nous sommes alors passés dans un deuxième temps à une formulation eulérienne en utilisant le code de calcul Rem3D, initialement développé pour l'injection de thermoplastiques. Nous y avons introduit les termes d'inertie, ainsi que notre loi de comportement. Ce dernier code de calcul nous a alors permis de simuler l'injection de notre alliage d'aluminium à l'état semi-solide. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance avec le procédé industriel et le logiciel peut constituer un outil précieux d'aide à la conception.

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de déformation intervenant durant l'étape de mise en forme par thixoforgeage. L'étude porte sur un alliage à bas point de fusion, un alliage de Plomb-Etain (Sn-15%Pb) et sur des alliages à haut point de fusion, deux aciers (C38 et C80). L'état semi-solide et la structure globulaire sont obtenus par refusion partielle. Divers essais rhéologiques (indentation, filages axial et radial) ont été menés afin de connaître les différents facteurs ayant une influence forte sur les mécanismes de déformation. Ainsi, la structure primaire a une influence directe sur la valeur de l'effort durant la mise en forme et deux domaines d'écoulement, dépendant de la vitesse de déformation, ont été mis en évidence. Suite à un travail bibliographique, aux observations microstructurales et aux essais expérimentaux réalisés, une modélisation du comportement des matériaux semi-solides a été développée. Elle repose sur un nouveau modèle trois phases basée sur une transition d'échelle. Celui-ci prend en compte une distribution bimodale des phases liquide et solide permettant de mettre en avant les mécanismes de déformation très localisés mais contrôlant le comportement global du matériau semi-solide. L'introduction d'une variable interne et le choix spécifique d'un motif morphologique représentatif permettent de traduire l'évolution de la microstructure durant la déformation et la localisation de la déformation. Le modèle a été appliqué à divers alliages (Plomb-Etain, Magnésium, Aluminium, Acier) et donne des résultats prédictifs très satisfaisants.

La fissuration à chaud est un défaut majeur intervenant en fin de solidification d'alliages métalliques, lorsque le matériau est encore à l'état semi solide. L'objectif de cette thèse est d'apporter une contribution à la prévision de ce phénomène. Pour cela il est nécessaire de caractériser la déformabilité de la phase solide d'un matériau à l'état semi solide et d'apporter des informations au niveau local sur la microstructure lors de sa déformation (fractions de liquide et de pores, épaisseur de films de liquide, vitesses d'écoulement du liquide, indice de coalescence des pores...). Le comportement macroscopique de la phase solide sur la ligne de solidus a été déterminé et validé par des essais de compression à chaud. Cette loi de comportement a également été comparée avec plusieurs modèles analytiques. La différence de comportement mécanique entre une microstructure de composition homogène et une microstructure à gradient de composition a été mise en évidence. Des informations microscopiques en temps réel sur des échantillons à l'état semi solide soumis à un effort de traction ont été obtenues par microtomographie in situ standard en conditions isothermes et en solidification. Un modèle analytique prédictif de la fissuration à chaud a été modifié pour mieux rendre compte des valeurs expérimentales. Pour gagner en résolutions temporelle et spatiale, un dispositif de traction destiné à l'utilisation de la microtomographie in situ rapide ou ultra rapide a été conçu et réalisé. Les essais en conditions isothermes et en solidification sont désormais reproductibles sur une microstructure obtenue par refusion. Des phénomènes rapides au sein d'une microstructure très fine sont maintenant observables.

La fissuration à chaud est un défaut majeur intervenant en fin de solidification d'alliages métalliques, lorsque le matériau est encore à l'état semi solide. L'objectif de cette thèse est d'apporter une contribution à la prévision de ce phénomène. Pour cela il est nécessaire de caractériser la déformabilité de la phase solide d'un matériau à l'état semi solide et d'apporter des informations au niveau local sur la microstructure lors de sa déformation (fractions de liquide et de pores, épaisseur de films de liquide, vitesses d'écoulement du liquide, indice de coalescence des pores...). Le comportement macroscopique de la phase solide sur la ligne de solidus a été déterminé et validé par des essais de compression à chaud. Cette loi de comportement a également été comparée avec plusieurs modèles analytiques. La différence de comportement mécanique entre une microstructure de composition homogène et une microstructure à gradient de composition a été mise en évidence. Des informations microscopiques en temps réel sur des échantillons à l'état semi solide soumis à un effort de traction ont été obtenues par microtomographie in situ standard en conditions isothermes et en solidification. Un modèle analytique prédictif de la fissuration à chaud a été modifié pour mieux rendre compte des valeurs expérimentales. Pour gagner en résolutions temporelle et spatiale, un dispositif de traction destiné à l'utilisation de la microtomographie in situ rapide ou ultra rapide a été conçu et réalisé. Les essais en conditions isothermes et en solidification sont désormais reproductibles sur une microstructure obtenue par refusion. Des phénomènes rapides au sein d'une microstructure très fine sont maintenant observables. / Hot tearing is a defect which forms at high solid fraction in solidifying alloys, when the material is still semi solid. This work aims at bringing a contribution to the prevision of this phenomenon. To be able to do that, it is necessary to characterize deformability of the semi-solid alloy solid phase, and also bring local information on microstructure during its straining (liquid and pore fractions, liquid films thickness, liquid flow velocity…). Solid phase macroscopic behaviour on solidus line has been determined and validated by hot compression tests. The calculated behaviour law has also been compared with several analytical models. Mechanical behaviour differences between homogeneous and composition gradient microstructure has been put in evidence. Real time microscopic information on tensile tested semi solid samples have been obtained by in situ standard microtomography, in isothermal and solidification conditions. An analytic hot tearing predictive model has been modified to better fit the experimental data. An experimental device has been developed and realized to be able to carry out high and ultra high speed microtomography. These two methods bring better both time and space resolution. High velocity phenomenons in very fine microstructures can thus be visible. Isothermal and solidification conditions tests and now reproducible on remelted samples.

Les métaux à l’état semi-solide présentent un comportement rhéofluidifiant caractérisé par une forte chute de la viscosité avec la vitesse de déformation facilitant le remplissage des matrices lors de la mise en forme. L’exploitation de ce comportement donne lieu à un procédé de mise en forme appelé « thixoforgeage ». L’état semi-solide est obtenu en refusion partielle à partir de l’état solide et la fraction de solide est supérieure à 0.8. Les plus hautes températures mises en jeu dans le cas des matériaux à haut point de fusion comme les aciers rendent la maîtrise du procédé plus complexe. Cependant, les travaux antérieurs sur le thixoforgeage d’aciers ont montré le potentiel de ce procédé pour réduire la consommation en matière première et en énergie. La thèse s’inscrit dans le cadre du projet TACA «Thixoforgeage d’Aciers pour la fabrication de Composants Automobiles» piloté par l’IRT-M2P. Il ambitionne le développement industriel du thixoforgeage des aciers pour la fabrication de pièces automobiles. La maîtrise et le développement du thixoforgeage nécessite une bonne connaissance du comportement mécanique du matériau à l’état semi-solide et le développement d’outils de simulation numérique adaptés. Ce travail de thèse a pour objectifs de (i) caractériser expérimentalement le comportement thermomécanique des aciers à l’état semi-solide, (ii) développer un modèle de comportement destiné à être implanté dans le logiciel FORGE® pour simuler le thixoforgeage. Une attention particulière a été portée sur le comportement en traction pour caractériser l’intervalle de température dans lequel le matériau devient très sensible à la fissuration à chaud. Des essais en traction menés à différentes températures ont permis de déterminer la température à partir de laquelle la résistance et la ductilité du matériau chutent drastiquement. Les mécanismes conduisant à ces chutes ont été identifiés et sont conformes à ceux décrits dans la littérature. Un modèle basé sur une approche d’homogénéisation qui prend en compte explicitement le rôle mécanique des phases liquide et solide a été développé. Ce modèle repose sur une approche viscoplastique établie antérieurement puis enrichie afin (i) d’intégrer le comportement élastique du squelette solide saturé en liquide et (ii) distinguer les évolutions de distribution spatiale des phases liquide et solide selon le trajet de chargement en traction ou en compression. Il permet de décrire avec succès, pour la première fois, les trois stades de la réponse mécanique en traction (augmentation, stabilisation puis chute de la contrainte en fonction du déplacement). Le modèle a ensuite été implanté dans le code éléments finis FORGE®. Les simulations des essais de traction GLEBBLE ont permis d’identifier les paramètres du modèle. Des comparaisons des résultats expérimentaux et numériques ont permis de reproduire des phénomènes de localisation de la déformation réelle. Après la validation sur des essais de traction, des simulations de procédés de thixoforgeage industriel, tels que le forgeage de U, ont été étudiées et comparées aux résultats expérimentaux réalisés sur la plateforme Vulcain de l'ENSAM de Metz. Un critère permettant de définir des zones sensibles à la fissuration à chaud a été proposé. La comparaison avec des observations expérimentales a montré que ce critère constitue une première approche encourageante pour prédire les zones de fragilité de la pièce en thixoforgeage. / Semi-solid metals and alloys exhibit a shear thinning behavior characterized by a sharp drop in viscosity with increasing strain rate. This property promotes a smooth die filling during forming. To exploit this advantage, several semi-solid forming process have been developed. Among these processes, we find the thixoforging when the semi-solid state is obtained by a partial remelting from solid state. The solid fraction is above 0.8. Thixoforging of high melting point alloys such as steels is particularly challenging because of about 1400°C temperatures involved. However, previous works showed that this process reveals high potential to reduce material as well as energy consumption. The present PhD thesis is part of a French research project named TACA «Thixoforging of steels for fabrication of automative parts» leaded by IRT-M2P. It aims at industrial development of steel thixoforging for manufacturing automotive components. The mastery and the development of steel thixoforging require a good knowledge of the mechanical behavior of semi-solid steels and appropriate numerical tools to simulate the process. The PhD work aims to (1) characterize the thermomechanical behavior of semi-solid steels and (2) develop constitutive equations that have to be implemented into the commercial code FORGE® to simulate thixoforging. A special attention was paid to the tensile behavior to investigate the temperature range in which the material is very sensitive to hot cracking. Tensile tests provided the temperature from which the material lost its tensile strength and its ductility. Mechanisms leading to the drop of these two properties were identified and were found to be consistent with mechanisms described in literature. A model based on homogenization approach, namely taking explicitly into account the mechanical role of the liquid and solid phases was developed. This model is based on a viscoplastic approach previously developed that was enhanced to (1) include the elastic response of the solid skeleton saturated with liquid and to (2) distinguish the evolution of the spatial liquid/solid distribution according to the tensile or compressive loading path. It successfully describes the three stages of the response in tension: increase, stabilization and decrease of the stress with increasing displacement. The model was implemented in the FORGE® finite element code. The experimental tensile tests were simulated to provide identification of the model parameters. The simulation results showed that strong deformation localization zones were predicted consistently with experiments. Simulations of thixoforging industrial processes such as forging U were studied and compared with experimental results achieved on the Vulcan platform (ENSAM Metz). In addition, a criterion determining the zones without any tensile strength and so sensitive to hot cracking was proposed. Comparison with experimental observations showed that this criterion is an encouraging first approach to predict the brittle zones of thixoforging parts.

Une étude sur le comportement mécanique des verres métalliques massifs et leurs nanocomposites a été réalisée. Elle traite la déformation hétérogène des verres métalliques et les perspectives de ductilisation par la dispersion fine des nanocristaux dans la matrice métallique amorphe. La déformation plastique des verres métalliques est fortement localisée dans des bandes de cisaillement. Un réarrangement atomique menant à une croissance rapide de volume libre local et à l'activation d'une ‘Zone de Cisaillement' constitue le mécanisme élémentaire de nucléation de bandes de cisaillement dans les verres métalliques. Dans ces bandes, la température augmente et la viscosité chute provoquant un adoucissement local et une rupture macroscopique quasi-fragile. Le volume libre d'excès dans les verres métalliques est mesuré pour la première fois par la méthode de diffraction de rayons-X en transmission. Cette méthode permet de donner une évidence expérimentale directe d'une croissance de volume libre dans la proximité des bandes de glissement au cours de la déformation et d'étudier les cinétiques de relaxation structurale. L'introduction des nanocristaux de tailles inférieures à l'épaisseur de la bande de glissement élémentaire par recuit contrôlé, réalisé sous faisceau de lumière synchrotron, permet d'améliorer la ductilité des BMG par durcissement de matériau dans les bandes de cisaillement et délocalisation de la déformation. Des essais de déformation in-situ dans le MET montrent que ce mécanisme est directement lié à la croissance des nanocristaux préexistants au cours de la déformation ainsi qu'à la germination autocatalytique de nouveaux cristaux. Le comportement du matériau dans les bandes de cisaillement actives contenant une dispersion de nanocristaux est comparé à celui d'un milieu semi-solide où le verre métallique est dans un état de liquide surfondu sous cisaillement et la phase solide est constituée des nanocristaux dont la fraction volumique augmente durant le cisaillement.

L'industrie cherche en permanence à minimiser le temps et les coûts, à simplifier leur processus de fabrication tout en maximisant la qualité de leurs produits. Cette démarche s'applique pour l'industrie de la mise en forme des métaux. Dans ce contexte, un procédé innovant de mise en forme, le thixoforgeage, s'est développé, permettant d'obtenir des pièces de formes complexes aux qualités mécaniques élevées en minimisant le nombre de phases du processus de fabrication. Ce procédé utilise les propriétés de l'état semisolide des alliages métalliques, cet état étant obtenu par fusion partielle du solide. Dans le cadre de la mise en forme de l'acier à l'état semi-solide, les difficultés liées à la température de travail et la méconnaissance du comportement mécanique et thermomécanique du matériau rendent difficile le développement industriel du procédé. Cette thèse a l'ambition d'améliorer la compréhension du comportement de l'acier lors de sa mise en forme par thixoforgeage. L'objectif est également de développer l'exploitation du modèle original deux phases multiéchelle « micro-macro », et son implémentation dans les solveurs 2D et 3D de Forge 2007®. Pour atteindre cet objectif, des essais expérimentaux avec des dispositifs spécifiques et innovants ont été réalisés. Une étude paramétrique de l'opération de thixoforgeage a été mise en place. Les principaux paramètres de conduite du procédé ont été identifiés. Ces paramètres sont la vitesse de mise en forme, la température initiale de l'acier et la température initiale de l'outil. Pour chaque essai, l'évolution des efforts de mise en forme, la nature de l'écoulement et la qualité des pièces produites au travers de l'observation macrographiques et micrographiques de leur structure métallurgique et d'essais mécaniques, ont été étudiées. Des essais avec des outillages instrumentés ont également permis une caractérisation des échanges thermiques entre l'outil et la pièce lors de la mise en forme. Ce nombre important d'essais a permis de décrire l'influence et de montrer l'importance de ces paramètres dans la mise en forme par thixoforgeage. Ces essais ont également servi de base au recalage du modèle multiéchelle « micro-macro » et des coefficients d'échange thermique entre l'outil et la pièce. Les essais et les simulations ont été comparés afin de déterminer et améliorer la capacité prédictive du modèle implémenté dans le logiciel Forge2007®.

Orientador: Maria Helena Robert / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / These (docteur) - Universite de Savoie, Ecole Superiore D'Ingenieurs D'Annecy, France / Made available in DSpace on 2018-08-08T16:12:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pires_GiselePuime_D.pdf: 10020252 bytes, checksum: d17ac3ccc26b5a239dcb6fa99c211603 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Este trabalho apresenta estudo sobre a viabilidade da estampagem, no estado semisólido, de chapas da liga A5052. Inicialmente, para a obtenção de chapas tixofundidas, chapas comerciais laminadas foram submetidas ao processo de fusão parcial controlada, variando-se os parâmetros tempo e temperatura, com o objetivo de analisar a estampabilidade das chapas no estado sólido. Os parâmetros utilizados foram: fusão parcial a 627°C por 5 e 10 minutos, e 634°C, por 5 e 15 minutos, em chapas com 0,8 mm; fusão parcial a 624°C por 5 e 10 minutos, e 631°C por 5 e 15 minutos, em chapas com 2,0 mm; e fusão parcial a 625, 630 e 635°C por 15 minutos em chapas de 4,0 mm de espessura. As chapas foram caracterizadas com relação à microestrutura, sendo observada homogeneidade estrutural em toda a chapa. Também foram caracterizadas quanto às propriedades mecânicas, sendo que o material tixofundido (obtido por fusão parcial) apresentou diferenças significativas em relação ao material laminado. Para a caracterização da estampabilidade do material, foram feitos ensaios de Erichsen e obtidas curvas limite de conformação de chapas nos estados laminado, recozido e tixofundido, utilizando o método Marciniak e um método de análise de imagens para a obtenção das deformações principais da liga nos diferentes estados. Os resultados mostraram que o material tixofundido apresenta formabilidade semelhante à do material recozido. Foi buscada a caracterização do arranjo espacial de glóbulos em pastas tixofundidas; os resultados mostraram a presença de aglomerados tridimensionais de partículas com evidente interação entre elas, indicando a possibilidade da estrutura suportar esforços de tração. Portanto, para estudos da viabilidade de tixoestampagem, foi construída matriz com geometria tal a apresentar condições severas de conformação. As chapas foram tixoestampadas (temperaturas acima da solidus) e comparadas com chapas estampadas a quente. Observou-se que a tixoestampagem é um processo perfeitamente viável, levando a excelentes resultados de acabamento da peça e redução da força necessária para a obtenção do produto / Abstract: This work presents an analysis of the viability of drawing A5052 sheets in the semisolid state. Initially, to produce thixocast sheets, rolled commercial sheets were submitted to partial melting by different temperatures and holding times, to analyse the sheets draw ability in the solid state. The parameters utilised were: 627°C for 5 and 10 minutes, and 634°C, for 5 and 15 minutes, in sheets of 0,8 mm; 624°C for 5 and 10 minutes, and 631°C for 5 and 15 minutes, in sheets of 2,0 mm; and 625, 630 and 635°C for 15 minutes in sheets of 4,0 mm thickness. The sheets had their microstructure characterised; results showed high homogeneity of the structure throughout the test piece. Mechanical properties of the thixocast material (obtained by partial melting) were also characterised, showing significant differences when compared to the rolled condition. For drawing ability characterisation, Erichsen tests were performed and forming limit diagrams of the sheets in the rolled, annealed and thixocast states were obtained, using Marciniak's technique and image analysis to obtain the main deformations of the alloy in the different conditions. Results showed that the thixocast material shows good formability, similar to the annealed material. Characterisation of the spatial structure of thixocast slurry showed the presence of tridimensional agglomerates of globular solid particles, with evident interaction among globules, indicating the possibility of the structure to stand tensile stresses. Therefore, for thixodrawing tests, a die was especially designed to impose severe flow conditions. The sheets were formed by thixodrawing (temperatures above the solidus) and compared to hot drawing tests. It was observed that thixodrawing is a perfectly viable process, requiring lower forces than conventional solid processing and resulting in excellent finishing products / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica