Le forgeage de préformes fabriquées par métallurgie des poudres nous permet d’atteindre une densification voisine de la densité théorique ce qui a comme incidence directe une amélioration substantielle des propriétés mécaniques finales des pièces, notamment la résistance en fatigue. La démarche préconisée pour améliorer cette performance critique de pièces forgées par métallurgie des poudres consiste à optimiser leurs caractéristiques métallurgiques et leur densité concomitante. À ce propos, une nouvelle formulation d’acier MP a été développée et caractérisée. La stratégie de développement portait sur l’utilisation d’éléments de microalliage préalliés, comme le vanadium et le niobium. Pour ce faire, on a optimisé le paramètre de mise en œuvre primordial, qui est la température de forgeage, afin d’obtenir une fine taille de grains à la fin du cycle du traitement réalisé accompagnée d’une densité élevée des pièces forgées. Une série de traitements d’austénisation sur une gamme étendue de température variant entre 900 °C à 1250 °C a été effectuée ce qui nous a permis par la suite de connaître, pour chaque mélange, l’évolution de la taille des grains en fonction de la température d’austénisation. La nouvelle formulation de composition chimique a démontré un impact marqué quant au contrôle de la taille de grains en fonction de la température d’austénitisation. Une étude comparative nous a permis d’identifier la température de forgeage la plus appropriée pour ce type de pièces et de dégager la méthodologie à suivre en fonction des propriétés mécaniques et microstructurales. / Powder forging allows us to achieve a very high densification neighbouring that of full density causing a substantial improvement in final mechanical properties of the parts, particularly the fatigue strength. The approach advocated to improve this critical performance of powder forging parts is to optimize metallurgical characteristics and density simultaneously. In this regard, a novel PM steel powder was developed and characterized. The strategy relied on the utilization of prealloyed microalloying elements such as vanadium and niobium. To do this, we have optimized the primordial parameter of this operation, which is the forging temperature, to obtain a fine grain size at the end of the processing cycle carried out accompanied by a higher density of forged parts. A series of heat treatment over a range of temperature between 900 °C to 1250 °C was performed which allowed us later measure the evolution of grain size between this new alloy and a reference PM steel as a function of the austenitizing temperature. The difference in chemical composition between the two alloys had a fairly significant impact on their final grain size. The comparative study of these two materials allowed us to identify the most appropriate forging temperature for this type of pieces, to determine the most efficient alloy and therefore to identify the methodology to follow according to the mechanical properties and microstructure.

La simulation numérique des procédés de mise en forme joue un rôle important lors de la conception des gammes d'outils. Dans ce travail, nous utilisons la simulation éléments finis afin d'optimiser automatiquement les formes des outils de forgeage à chaud, par une approche de type inverse. Cette méthode a été appliquée à des gammes en deux passes, à symétrie axiale. Les outils à optimiser sont décrits par des courbes b_splines. Les problèmes majeurs de conception sont abordés: défaut de repli et d'aspiration, remplissage complet de la matrice de finition et amélioration des caractéristiques métallurgiques de la pièce forgée. Les solutions sont déterminées par l'utilisation d'algorithmes de quasi-newton, avec ou sans contrainte. Les dérivées des fonctions coût, par rapport aux paramètres de forme, sont obtenues par différentiation des équations discrètes régissant le problème de mise en forme. La méthode ainsi développée pour l'analyse de sensibilité tient compte de l'instationnarité du procédé et du caractère évolutif du contact. Le logiciel ainsi mis en œuvre a été appliqué à plusieurs problèmes industriels d'optimisation de forme d'outil.

Les alliages à base Nickel polycristallins sont largement utilisés pour les pièces aéronautiques soumises à des sollicitations extrêmes en service. Des objectifs toujours plus ambitieux en termes de rendement énergétique des moteurs d’avions ont conduit les constructeurs à augmenter leur température de fonctionnement. Les nuances utilisées jusqu’alors dans les parties chaudes, tels que l’Inconel 718, n’ont pas une tenue mécanique suffisante à ces températures. Le René 65 est un nouvel alliage à microstructure γ-γ’ élaboré spécifiquement pour ces applications. Il a été retenu par Safran Aircraft Engines comme constituant des disques de turbine basse pression du nouveau turboréacteur LEAP. Pour garantir la bonne tenue des disques, une microstructure fine et homogène est requise. Le procédé de forgeage de ces pièces est une séquence d’étapes de déformation à chaud et de traitements thermiques, durant lesquelles la microstructure évolue. Si les phénomènes physiques gouvernant les évolutions microstructurales sont connus, leurs mécanismes exacts et leurs cinétiques varient d’un alliage à l’autre.Des essais de déformation à chaud ont été réalisés en laboratoire dans différentes conditions de température, vitesse et taux de déformation représentatifs des procédés industriels. L’étude précise des mécanismes de recristallisation dynamique, ainsi que de leurs cinétiques, constitue la première partie de ce travail. La caractérisation fine des microstructures déformées a permis de mettre en évidence un nouveau mécanisme de recristallisation, dit de recristallisation en hétéroépitaxie, qui se superpose aux autres mécanismes conventionnels. L’interaction entre ces différents mécanismes ainsi que leurs cinétiques relatives ont été établies dans une vaste gamme de conditions de déformation. Il est démontré que ce mécanisme de recristallisation s'applique également à d'autres alliages γ-γ’. La deuxième partie de l’étude est consacrée à la stabilité des microstructures déformées lors de leur exposition à haute température. L'alliage René 65, comme d’autres alliages à base Nickel, est sensible à un phénomène indésirable dit de croissance sélective de grains. Ses conditions de déclenchement ont été déterminées, de manière à délimiter une fenêtre de forgeage critique. Les mécanismes microstructuraux à l’origine de ce phénomène ont été discutés, ainsi que la possibilité d’une solution préventive. / Polycrystalline Nickel-based alloys are widely used as components for rotative parts of jet engines submitted to extreme conditions. Endlessly increasing objectives in terms of energy efficiency have led the engine manufacturers to increase their service temperature. As a consequence, Inconel 718 and similar alloys -that were used until now- cannot withstand such severe conditions anymore, and lack mechanical resistance at the increased temperature. René 65 is a new γ-γ’ superalloy which has been designed specifically for that purpose by General Electric. It has been selected by Safran Aircraft Engines as the material for low-pressure turbine disks in the new LEAP engine. To reach the desired mechanical properties, a fine and homogeneous microstructure is required. The forging process is a complex sequence which involves various hot deformation stages and thermal treatments, during which the microstructure evolves. Although the underlying mechanisms governing the microstructure evolutions are quite known, their specific mechanism and kinetics may vary depending on the alloy.Interrupted compression tests were conducted at laboratory scale under thermomechanical conditions (temperature, strain and strain rate) in accordance with the industrial process. In the first part, the focus is placed on the dynamic recrystallization mechanisms. Accurate characterization of the deformed microstructures has enabled to highlight a new recrystallization mechanism which superimposes with more conventional ones. It was named heteroepitaxial recrystallization. The interactions between those mechanisms as well as their relative kinetics have been established in a wide range of deformation conditions. . It is demonstrated that this mechanism occurs in other γ-γ’ Nickel-based alloys. The second part of the study is dedicated to the stability of deformed microstructures when exposed to high temperature thermal treatments. René 65, as many other Nickel-based alloys, is subjected to the undesirable phenomenon of selective grain growth, which leads to very heterogeneous microstructures containing abnormally large grains in a fine matrix. Critical deformation conditions leading to heterogeneous microstructures during subsequent annealing have been determined in an aim to identify the critical forging window which should be avoided. The microstructural mechanisms responsible of this phenomenon have been investigated, and the possibility of a preventive solution is discussed.

Ce travail consiste en la mise au point d'une méthodologie simplifiée, utilisable industriellement, de réalisation virtuelle de procédés en formage de pièces massives avec la prise en compte de l'endommagement. Ceci permettra de prévoir l'apparition de l'endommagement ductile en cours de formage des pièces. On pourra agir sur les paramètres technologiques pertinents du procédé afin de retarder cet endommagement pour obtenir des pièces saines, ou au contraire favoriser celui-ci afin de simuler des procédés de coupe. Une formulation théorique générale du couplage comportement-endommagement est introduite, prenant en compte une loi d'évolution de l'endommagement ductile. Sur le plan numérique un soin particulier a été apporté à l'intégration locale des équations d'évolution couplées. Deux modèles sont proposés et discutés en détails: le couplage « fort » et le couplage « faible ». L'algorithme d'intégration utilisé est implicite et utilise une méthode classique de prédiction élastique-correction plastique pour le calcul des incréments des variables internes par un schéma de Newton-Raphson. Le calcul de la matrice tangente consistante prend en compte l'influence de l'endommagement ductile. Pour valider cette méthodologie, une large gamme de procédés dont certains sont issus de l'industrie, tels que le découpage de tôle, la compression de cylindres, le forgeage et l'extrusion d'un croisillon, la mise en forme d'un écrou six-pans, le filage,… est présentée, et comparée avec des essais expérimentaux quand cela est possible. La capacité de cette méthodologie à prédire correctement l'initiation et la propagation de l'endommagement en mise en forme est clairement démontrée

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.

La simulation numérique des procédés apparaît, de nos jours, comme un outil indispensable apportant des gains de temps et d'argent importants dans l'industrie. Le logiciel FORGE3® multicorps a été développé dans ce cadre, afin de pouvoir prendre en compte un grand nombre de corps déformables avec des lois de comportement non linéaires de type thermo-élastoviscoplastique en grandes déformations. Nous présentons dans ce mémoire les développements qui ont été réalisés pour prendre en compte et gérer plusieurs corps déformables de rhéologies différentes. Une partie de notre travail a donc consisté en l'implémentation d'un couplage mécanique entre plusieurs corps déformables dont les maillages sont incompatibles sur la zone de contact. Le couplage est basé sur une gestion du contact par la méthode de pénalisation et la technique du maître/esclave. Les équations du frottement sont intégrées aux points de Gauss en négligeant le mouvement relatif des corps. Une nouvelle écriture pseudo-symétrique des conditions de contact est proposée, sans surcontraindre le problème tout en améliorant le traitement du contact. Les méthodes utilisées pour résoudre le problème de contact mécanique entre corps déformables sont utilisées pour résoudre celui du repli de matière. Afin de diminuer le temps de calcul, la parallélisation du problème est abordée en utilisant la stratégie S.P.M.D. (Single Program Multiple Data). Les exemples d'applications proposés montrent la robustesse des développements effectués et offrent de nombreuses perspectives.

L'objectif de notre travail est de réduire le temps de calcul des procédés multiphysiques incrémentaux, tout en conservant avec précision l'histoire du calcul et en prenant en compte l'aspect multiphysique. Notre choix est tombé sur la méthode MultiMaillages MultiPhysiques (MMMP). Le principe de la méthode consiste à utiliser pour chaque physique un Maillage de Calcul qui lui est optimal, et à considérer un Maillage Référence pour le stockage des résultats. Étant donné que l'application principale de notre travail de thèse est le procédé de martelage qui est un procédé couplé thermomécaniquement, on a appliqué la méthode MMMP à ce procédé en considérant 2 maillages : un maillage pour le calcul mécanique et un autre pour le calcul thermique que l'on a aussi utilisé comme Maillage Référence. La particularité du procédé de martelage est que la déformation plastique est localisée dans la zone de contact avec les outils, et à l'extérieure de cette zone la déformation est négligeable. Le maillage Mécanique est généré en se basant sur cette particularité : il est divisé en deux zones, une zone qui a une taille de mailles fine, c'est la zone de déformation (zone de contact avec les outils) et une autre, constituée par le reste du maillage c'est-à-dire là où il ne se passe presque rien ; dans cette zone on a considéré une taille déraffinée égale à deux fois la taille fine. Pour améliorer la qualité du transport qui est fait par la méthode d'interpolation inverse on a utilisé trois techniques : la première consiste à grader la zone de déformation dans le Maillage Mécanique telle qu'elle est dans le Maillage Référence, la deuxième consiste à déraffiner la zone de faible déformation par un déraffinement emboîté par nœuds, c'est à dire en éliminant des nœuds sons ajouter ou bouger les nœuds existants et la troisième concerne les variables élémentaires telles que la déformation généralisée et consiste à ne pas transporter cette variable mais à la recalculer sur le maillage d'arrivée à partir de la vitesse. Le coût élevé du transport est réduit à moins de 1 % du temps total par une technique de transport sans relocalisation qui consiste à faire la localisation du maillage d'arrivée dans le maillage de départ uniquement au premier incrément et utiliser cette localisation pour les autres incréments. Le partitionnement du Maillage Mécanique est fait indépendamment du Maillage Référence, ce qui améliore l'efficacité parallèle de la méthode. L'accélération MMMP est excellente, elle varie entre 4 et 18 en fonction du nombre de degrés de liberté, du nombre d'incréments et de la configuration de calcul. En parallèle elle chute un peu puisque le Maillage Mécanique du calcul Multimaillage a moins de degrés de liberté que le Maillage du calcul Monomaillage, cependant la méthode continue à nous offrir des accélérations même sur un très grand nombre de processeurs.

Le procédé de forgeage à froid permet d'obtenir des pièces de géométrie complexe et présentant une très bonne précision dimensionnelle. La forme finale est obtenue en une ou plusieurs passes, et la matière est soumise à des chargements à la fois multiaxiaux et non monotones accompagnés de forts niveaux de déformation plastique qui peuvent l'amener à s'endommager : rupture de la pièce, fissures en surface ou à cœur, ... Il est alors tout à fait primordial de connaître et mieux comprendre les mécanismes qui peuvent produire ces défauts. Le sujet de thèse concerne donc la modélisation numérique de l'endommagement en forge à froid. Dans un premier temps, le contexte bibliographique concernant les mécanismes d'endommagement et leurs modélisations ont été étudiés. Un modèle d'endommagement, basé sur le modèle de Lemaitre, a alors été implémenté dans le logiciel éléments finis Forge2005®. Dans un deuxième temps, une étude expérimentale concernant la caractérisation de deux nuances en forge à froid a été réalisée. Différents essais de traction ont été menés afin d'étudier notamment l'influence de l'orientation des inclusions sur l'endommagement. Des essais de compression/traction ont également été réalisés dans le but d'examiner l'influence éventuelle de la pré-compression sur la matière. Enfin des essais in-situ (MEB et tomographie X) ont été menés pour analyser l'endommagement au cœur de la matière et mieux en comprendre les mécanismes. Sur la base de ces observations expérimentales, plusieurs améliorations ont été apportées au modèle de Lemaitre afin de le rendre plus adapté aux chargements complexes. Parmi ces améliorations, nous pouvons citer par exemple la prise en compte de l'endommagement en compression, l'introduction d'une limite en triaxialité des contraintes négative, l'introduction d'un nouveau potentiel d'endommagement et la prise en compte de l'orientation des inclusions. Pour finir, des simulations numériques ont été réalisées par le biais du logiciel Forge2005® afin de tester le modèle d'endommagement implémenté. Des cas de validations portant sur des essais mécaniques simples (traction, TELE) ainsi que sur des cas industriels ont alors été simulés et comparés aux résultats expérimentaux.

Ce travail se situe dans le cadre de la modélisation numérique par éléments finis du procédé de forgeage à chaud des métaux. Il a pour but l'optimisation du logiciel de simulation numérique tridimensionnelle Forge 3. Il s'oriente autour de deux points bloquants pour une utilisation de ce logiciel: des problèmes de précision sur la surface de contact entre la pièce et l'outil et un temps de calcul élevé. Dans la première partie, on étudie le problème du contact unilatéral. En partant de la méthode de pénalisation existant, on améliore l'algorithme de contact par la mise en place d'un algorithme implicite. On valide ces développements sur plusieurs cas de forgeage où l'on montre l'apport du nouvel algorithme en terme de précision de gestion de la surface entre la pièce et l'outil. Dans la seconde partie, on traite du problème de temps de calcul. Malgré la mise en place d'une méthode de calcul parallèle les délais de calcul pour une simulation tridimensionnelle restent très élevés. Nos travaux ont donc consisté à remplacer le solveur de type résidu minimal implémenté dans Forge 3 par une méthode asymptotiquement optimale basée sur l'utilisation de multigrilles. Nous avons développé une méthode originale utilisant la méthode de résidu minimal comme lisseur et une méthode de raffinement de maillage pour la construction des différents niveaux. Nous avons optimisé cet algorithme en introduisant en particulier un préconditionneur utilisant une factorisation de Crout incomplète pour les résolutions grille grossière. Les résultats obtenus en bigrille sur différents cas de forgeage sont excellents et les quelques résultats sur un calcul avec trois niveaux de maillage sont très encourageants.

Cette étude qui s'inscrit dans le cadre d'un projet ANR traitant du comportement en fatigue des pièces forgées a pour objectif, d'une part, de comprendre les effets des hétérogénéités microstructurales issues de la phase de mise en œuvre sur les mécanismes d'endommagement en fatigue, et d'autre part, de proposer un critère d'endurance anisotrope adapté à la spécificité des composants mécaniques forgés. Dans une première partie, l'analyse des effets des procédés de déformation plastique (forgeage et laminage) sur la tenue en fatigue des composants métalliques obtenus est abordée. A partir de différentes campagnes d'essai, le comportement anisotrope en Fatigue à Grand Nombre de Cycles (FGNC) de différents aciers est caractérisé. Une attention particulière est portée à la description et à l'analyse des mécanismes d'endommagement en FGNC. Les effets de la microstructure et du contenu inclusionnaire sur les mécanismes d'endommagement sont particulièrement analysés. Des essais d'auto-échauffement sont également menés afin de tester l'utilisation de ces méthodes de caractérisation des propriétés en fatigue dites rapides dans le cas d'acier dont le comportement en fatigue est anisotrope. Un critère de fatigue probabiliste anisotrope est ensuite proposé. Basé sur l'hypothèse du maillon le plus faible, il permet d'exprimer de façon simple la compétition possible entre différents types de mécanismes. Le critère obtenu est adapté pour les matériaux contenant ou non des défauts et les prévisions peuvent être entre autres illustrées par le tracé d'un diagramme de Kitagawa probabiliste. Grâce à ce nouveau critère, des paramètres microstructuraux issus de l'opération de mise en forme peuvent être intégrés dans le calcul de dimensionnement en fatigue. Une optimisation de la préforme du composant ou des paramètres de mise en forme peut dès lors être envisagée.