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I denna rapport beskrivs en undersökning och jämförelse av två olika sorters segjärn. Detvå materialen som har studerats har varit det segjärnet som används i Parker Hannifinsnuvarande hydraulikmotorer och ett nytt segjärn, vars mekaniska egenskaper har påståttsvara mer fördelaktiga. Målet med arbetet var att få fram en tillförlitlig jämförelse av de olikamaterialen och avgöra om det fanns ett tydligt underlag för att inleda processen av ett byteav material i vissa komponenter i Parker Hannifins produkter.Det utfördes jämförelser mellan de olika materialens mekaniska egenskaper baserade delspå information som redan fanns om materialen och dels på data insamlad vid tester medskärande bearbetning. Förslitning på verktygen vid fräsning studerades tillsammans medskärkraften med olika sorters skärdata. Restspänningar efter ingreppen i de båda materialenmättes med en röntgendiffraktometer.Resultaten gav inga signifikanta indikationer på att ett materialbyte skulle innebära en lägreproduktionskostnad, dock visade analyser att det nya materialet tål att bearbetas fortare ändet traditionella segjärnet och att fler undersökningar bör göras. Efter att ha analyseratmekaniska egenskaper så som hållfasthet, hårdhet, hårdhetsspridning och styvhet kundeslutsatser dras. Det visade sig att det nya segjärnet hade högre hållfasthet och jämnarehårdhet, men det hade även lägre styvhet. Styvheten i materialet är en viktig faktor dåläckage kan uppstå i hydraulikmotorer om materialen inte har tillräckligt hög styvhet.Mätningarna av skärkraften hos de båda materialen tydde på att det kunde uppstå högrestandardavvikelse, eller variationer av skärkraften vid fräsning av det traditionella segjärnet.Eftersom dessa variationer endast visade sig ett fåtal gånger går det inte att entydigtkonstatera att det nya materialet har mer fördelaktiga bearbetningsegenskaper. För att draen sådan slutsats hade det krävts ytterligare analyser på fler detaljer. / This report describes a study and comparison of two different types of ductile iron. Thetwo materials that have been studied have been the ductile iron used in Parker Hannifin'scurrent hydraulic motors and a new ductile iron, whose mechanical properties are said tobe more advantageous. The goal of this study was to obtain a reliable comparison of thedifferent materials and determine if there were clear grounds for initiating the process of achange of material in certain components of Parker Hannifin’s products.Comparisons between the mechanical properties of the materials were based partly oninformation that was already available and partly on data collected through machining trails.The wear on the tools after milling was studied along with the cutting force from variouskinds of cutting data. Residual stresses after the operation in both materials were measuredby an X-ray diffractometer.The results yielded no significant indication that a change of material would result in lowerproduction cost, however, analyses showed that the new material can withstand beingprocessed faster than the traditional ductile iron and that more studies should beconducted. After analyzing the mechanical properties, such as strength, hardness, hardnessvariation and stiffness, conclusions could be drawn. It turned out that the new ductile ironhad higher strength and more uniform hardness, but it also had lower stiffness. Thestiffness of the material is an important factor because if the materials do not havesufficient rigidity, leakage can occur in hydraulic motors. Measurements of the cutting forceof the two materials indicated that there could be a higher standard deviation, orfluctuation of the cutting force during milling of the traditional ductile iron. Since thesevariations only appeared a few times, it is difficult to conclude that the new ductile ironwould be more advantageous when it comes to machining. To be able to draw that kind ofconclusion would require more collected data.

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Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l'introduction d'une étape préliminaire d'exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l'interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d'exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l'acier par le sodium est bon. L'utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l'oxygène joue un rôle primordial dans l'amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l'existence d'une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L'étude de cette transition suggère qu'une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d'orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l'acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l'acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d'une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d'activation d'environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l'acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d'une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration.

Ce travail de thèse vise à une meilleure compréhension et prise en compte des mécanismes d'endommagement ductile au cours des procédés de mise en forme à froid. Le tréfilage, le laminage de fils et le laminage à pas de pèlerin sont pris comme exemples d'application. Une grande attention est portée également à la méthodologie d'identification des paramètres des modèles d'endommagement implémentés. Trois approches de l'endommagement ductile ont été étudiées : des critères de rupture phénoménologique, des modèles phénoménologiques couplés et des modèles micromécaniques. Ces modèles ont été implémentés dans Forge®, et les algorithmes ont dû être adaptés à sa formulation mixte vitesse-pression et à son élément fini (P1+/P1). Parallèlement aux développements numériques, différents essais mécaniques ont été effectués sur trois matériaux différents (acier haut carbone, acier inoxydable et alliage de zirconium) pour identifier les paramètres des modèles d'écrouissage et d'endommagement. Des essais de traction in situ sous micro-tomographie aux rayons X ont été exploités pour l'identification des mécanismes d'endommagement ductile (germination, croissance et coalescence), ainsi que l'identification du modèle micromécanique. Enfin, la dernière partie de ce travail a consisté à réaliser des études comparatives de ces différents modèles d'endommagement pour les différents procédés de mise en forme et différents matériaux. Concernant le tréfilage et le laminage de l'acier inoxydable, un bon accord entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux a été obtenu. Pour l'acier à haute teneur en carbone (perlitique), le modèle micro-mécanique GTN a donné le meilleur résultat à la fois qualitativement et quantitativement pour le tréfilage ultime. Par ailleurs, la comparaison entre les différents modèles sur différents procédés (laminage du fil avec l'acier haut carbone, laminage à pas de pèlerin avec l'alliage de zirconium) a aidé d'une part à mettre en évidence le rôle important du troisième invariant de la contrainte déviatorique sur la localisation de l'endommagement dans les procédés de mise en forme où le cisaillement est dominant. D'autre part, elle montre que le processus d'identification lui-même devrait se fonder sur la mesure de la microstructure afin de garantir un résultat précis lors de l'application aux procédés.

Dans le cadre du développement de nuances d'aciers toujours plus performantes en termes de résistance à l'effort et à l'endommagement, les aciers Dual-Phase (DP) présentent un bon compromis résistance/ductilité. Cependant, il est nécessaire de disposer de meilleures connaissances concernant les mécanismes menant à la rupture de tels aciers. Les mécanismes d'endommagement ont ainsi été étudiés dans cette thèse à l'aide de la tomographie aux rayons X. Des essais de traction in-situ ont été réalisés sur plusieurs nuances d'aciers DP, un acier ferritique et un acier martensitique afin de caractériser chaque étape de l'endommagement ductile. Des observations qualitatives et des données quantitatives concernant la germination de l'endommagement, la croissance des cavités et la coalescence ont été recueillies lors de ces essais. Ces données quantitatives ont ensuite été utilisées pour le développement et/ou la validation de modèles d'endommagement. Une prédiction de la cinétique de germination a ainsi été proposée et la version du modèle de croissance de cavités de Rice et Tracey corrigée par Huang et prenant mieux en compte l'effet de la triaxialité a été validée expérimentalement. L'étape de coalescence des cavités menant à la rupture des matériaux a pour la première fois été caractérisée de façon quantitative dans un matériau industriel et des critères de coalescence ont été appliqués localement sur les couples de cavités présentes dans le matériau. L'utilisation de ces modèles analytiques a permis une meilleure compréhension des propriétés agissant sur les phénomènes mis en jeu. L'effet de la part cinématique de l'écrouissage sur la germination et la croissance de l'endommagement a notamment été souligné et validé par des essais de chargements complexes.

The pipeline industry has conducted a vast amount of research on the subject of mechanical damage. Mechanical damage makes up a large portion of the total amount of pipeline failures that occur each year. The current methods rely on engineering judgment and experience rather than scientific theory. The method for the assessment of mechanical damage introduced in this study uses a material property called critical strain to predict the onset of cracking within the pipe wall. The critical strain is compared to the strain within a dent using a ductile failure damage indicator (DFDI). To investigate the use of the DFDI to indicate the onset of cracking within a dent, the study attempted to accomplish three tasks. The first was to investigate the use of various techniques to locate the critical strain from the stress-strain curve. Five samples taken from the pipe material was used to generate both engineering and true stress-strain curves. A sensitivity analysis was conducted to show the effects of different variables on the critical strain value. The DFDI compares the critical strain value to the calculated strain at the deepest depth location within a dent. The strain calculations use the curvature of the dent and thus require a dent profile. A high resolution laser scanner was used to extract dent profiles from a pipe. The second task of the study was to investigate the reliability of the laser scanner equipment used for this study. The results from the investigation showed that the laser scanner could be used to scan the inside of the pipe despite its design for external scanning. The results also showed that the scans should be 1 mm in length along the axis of the pipe at a resolution of 0.5 mm and 360 degrees around the pipe. The final task was to conduct the denting test. The test used a spherical indenter to dent the pipe at increments of 3% of the outside diameter. The results from the test showed that a visible crack did not form on the inside pipe surface as expected from the DFDI method. This does not mean a crack did not form. During the denting test distinct popping sounds were observed possibly indicating cracks forming within the pipe wall.

Material failure plays an important role in human life. By investigating the failure mechanisms, people can more precisely predict the failure conditions to develop new products, to enhance product performances, and most importantly, to save lives. This work consists of three parts corresponding to three different failure mechanisms in metals, i.e., the localized necking in sheet metals, the bifurcation in bulk and sheet metals, and the ductile fracture induced by the void nucleation, growth, and coalescence. The objective of the first part is to model the localized necking in anisotropic sheet metals to demonstrate that localized geometric softening at a certain stage of deformation rather than the initial defects is the main cause of localized necking. The sheet is assumed to have no initial geometric defects. The deformation process is divided into two stages. The critical strains for a neck to form are obtained from a Considère-type criterion. The defect ratio at the neck formation is obtained using an energy-based approach. The neck evolution is considered. A novel failure criterion is proposed. Two types of necks are fond to be most competitive to cause material failure during continued deformation. The forming limit curves are hereby found to exhibit different characteristics in different region. The predicted forming limit curve for 2036-T4 aluminum is found to fit with the experimental results well. The sheet thickness, the strain hardening behavior, and plastic anisotropy are found to affect the sheet metal formability. More realistic yield criterions and strain hardening behaviors can be implemented into the proposed model. This part provides an alternative approach to modeling the localized necking in anisotropic sheet metals. The objective of the second part is to model the bifurcation in anisotropic bulk and sheet metals to couple plastic anisotropy and the strain hardening/softening behavior and also to identify different bifurcation modes in sheet metals. The material is assumed to exhibit a non-linear strain hardening/softening behavior and to obey the Hill-type Drucker-Prager yield criterion along with a non associated flow rule. The constitutive relations and the conditions for bifurcation in bulk and sheet metals are derived. The internal friction coefficient, plastic anisotropy, the terms introduced by the co-rotational stress rates, and the terms introduced by the stress resultant equilibrium are found to affect the onset of bifurcation. Two bifurcation modes are found to exist in sheet metals. More realistic material properties can be implemented into the proposed model. This part provides an applicable approach to modeling the bifurcation in anisotropic bulk and sheet metals. The objective of the third part is to derive the constitutive relations for porous metals using generalized Green’s functions to better understand the micromechanism of the ductile fracture in metals. The porous metals are assumed to consist of an isotropic, rigid-perfectly plastic matrix and numerous periodically distributed voids and to be subject to non-equal biaxial or triaxial extension. Two types of hollow cuboid RVEs are employed represent the typical properties of porous metals with cylindrical and spherical voids. The microscopic velocity fields are obtained using generalized Green’s functions. The constitutive relations are derived using the kinematic approach of the Hill-Mandel homogenization theory and the limit analysis theory. The macroscopic mean stress, the porosity, the unperturbed velocity field, and the void distribution anisotropy are found to affect the macroscopic effective stress and the microscopic effective rate of deformation field. The proposed model is found to provide a rigorous upper bound. More complicated matrix properties (e.g., plastic anisotropy) and void shapes can be implemented into the proposed model. This part provides an alternative approach to deriving the constitutive relations for porous metals.

Une géométrie d'éprouvette tubulaire de traction-torsion entaillée a été optimisée pour caractériser l'effet de l'état des contraintes (triaxialité et paramètre de Lode) sur la ductilité des métaux à faible taux de triaxialité. Des essais biaxiaux proportionnels ou non, accompagnés de mesures des champs cinématiques par stéréo-corrélation d'images ont été réalisés sur un acier 36NiCrMo16 revenu et un alliage d'aluminium 2024-T351. Les trajets de chargement à rupture (évolution au point critique de la déformation plastique équivalente, de la triaxialité des contraintes et du paramètre de Lode) ont été obtenus. L'évolution de la ductilité de l'alliage d'aluminium en fonction de la triaxialité obtenue en traction-torsion diffère notablement de celle obtenue par Bao et Wierbicki en 2004 qui suggérait une ductilité minimale en cisaillement, tandis que la technique de traction-torsion révèle une ductilité maximale en cisaillement. Un effet notable des trajets de chargement non monotones ou non proportionnels sur la ductilité a été mis en évidence au moyen d'essais séquentiels composés d'un pré-chargement en compression, torsion ou traction, suivi d'une séquence de chargement proportionnel en traction-torsion combinées. Des observations au MEB de coupes métallographiques à l'issue d'essais biaxiaux interrompus, ainsi qu'un suivi en temps réel de la déformation et de l'endommagement en surface, lors d'essais de torsion dans le MEB et un essai de fissuration couplé à un suivi 3D de l'endommagement par laminographie sous rayonnement synchrotron ont mis en évidence des phénomènes de localisation à de multiples échelles ainsi que la croissance de certaines cavités, même en cisaillement pur, qui contraste avec l'affaissement total prédit par les modèles de cellule élémentaire. Ceci semble lié à l'allongement axial significatif mesuré en torsion pure (effet Swift). La localisation par cisaillement apparaît comme le mécanisme prédominant de coalescence des cavités, ce qui justifie l'adoption d'un critère d'initiation de la rupture de type Hosford-Coulomb. Utilisé en conjonction avec un indicateur non-linéaire d'endommagement il permet de rendre compte des ductilités mesurées, y compris sous chargement potentiellement non-proportionnel.

L'objet du présent travail est la modélisation, par simulation numérique, de la tenue mécanique de flasques de sièges automobile obtenus par semi-découpe de tôle d'acier à haute limite élastique. Des essais de compression, de traction et de cisaillement sont mis en place pour étudier l'anisotropie plastique, l'écrouissage, l'endommagement et la rupture. Des essais non proportionnels de cisaillement suivi de traction et de semi-découpe suivie de poinçonnement permettent d'investiguer l'effet de prédéformations, à bas taux de triaxialité des contraintes, sur le comportement du matériau à nouveau sollicité à un taux de triaxialité des contraintes plus élevé. Basé sur les travaux de Xue et Wierzbicki, un critère de rupture permettant de rendre compte des observations expérimentales est proposé et comparé à un modèle d'endommagement de Lemaitre. Le critère de rupture proposé est implanté dans deux logiciels de calcul par éléments finis : le logiciel Forge® dédié à la simulation de la mise en forme et le logiciel LS-Dyna® dédié à la simulation de crash. Dans un premier temps, la mise en forme par semi-découpe est simulée avec Forge®. Dans un second temps, les champs de variables d'état sont transportés du maillage résultat obtenu avec Forge®, vers le maillage d'entrée pour LS-Dyna®. Ensuite les calculs de tenue mécanique sont réalisés avec LS-Dyna®. Les résultats de calculs de tenue mécanique sont enfin comparés à des résultats expérimentaux. Ces résultats expérimentaux sont des essais de mise en forme par semi-découpe suivis d'essais d'arrachement qui reproduisent, en laboratoire, les sollicitations observées sur les pièces industrielles.