L’objectif de ce sujet de thèse est de prédire l’apparition des instabilités plastiques (striction diffuse et striction localisée) dans les matériaux métalliques. Ces matériaux sont décrits par des modèles de comportement élasto-plastique couplés à l’endommagement. L'approche de Lemaitre, reliant l'endommagement à la déformation plastique équivalente et au taux de restitution de la densité d'énergie élastique, est adoptée. Parmi les différents critères et indicateurs qui sont considérés pour la prédiction des instabilités matériau, la théorie de bifurcation et les critères de type force maximum sont tout particulièrement analysés et comparés. Un objectif important de cette étude consiste à déterminer les mécanismes déstabilisants clés associés à cette modélisation du comportement, ainsi que l’impact des différents aspects physiques et des paramètres matériau sur l’apparition de la striction. Les développements résultants sont appliqués à une sélection représentative de matériaux métalliques afin prédire leurs limites de formabilités. Cette approche combinant des lois de comportement et critères de striction peut être utilisée comme outil théorique et numérique d’aide à la conception de nouveaux matériaux à ductilité améliorée / The aim of the present work is to predict the occurrence of plastic instabilities (diffuse and localized necking) in thin sheet metals. The prediction of these plastic instabilities is undertaken using an elastic–plastic model coupled with ductile damage, which is then combined with various plastic instability criteria theory. The bifurcation-based criteria and the maximum force criterion used in this work are formulated within a general three-dimensional modeling framework, and then applied for the particular case of plane-stress conditions for sheet metals. Some theoretical relationships or links between the different investigated necking criteria are established, which allows a hierarchical classification in terms of their conservative character in predicting critical necking strains. The resulting numerical tool is implemented into the finite element code ABAQUS/Standard to predict forming limit diagrams, in both situations of a fully three-dimensional formulation and a plane-stress framework. This approach, that combines constitutive equations to necking criteria, serves as a useful tool in the design of new materials with improved ductility

Ce travail est consacré à l'étude du procédé de formage incrémental simple point (Single Point Incremental Forming, SPIF). Ce nouveau procédé de mise en forme de tôles à froid est surtout utilisé pour le prototypage et la réalisation de petites séries. Son principe est basé sur le repoussage local de la matière par un poinçon de petite taille devant les dimensions de la tôle et contrôlé en déplacement. Dans un premier temps, un pilote de SPIF équipé d'un capteur de forces tri-axes et d'un banc multi-caméras permettant l'utilisation de la mesure de champs par stéréo-corrélation a été développé au laboratoire. Au moyen de celui-ci, une étude paramétrique du procédé SPIF concernant entre autre la formabilité et l'emboutissabilité de tôles d'alliage d'aluminium a été tout d'abord réalisée. Ensuite, plusieurs méthodes d'identification ont été mises en œuvre afin d'identifier les paramètres de critères de plasticité (Hill48, Hill90 et Barlat) et de lois d'écrouissage isotrope permettant de modéliser le comportement élastoplastique anisotrope des tôles étudiées. La méthode d'identification à partir de mesures de champs par recalage de modèle Eléments-Finis a notamment été développée. Enfin, à partir des modèles identifiés, une simulation éléments finis d'une trajectoire simple en formage incrémental a été réalisée, ces résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux.

Le laminage transversal, procédé de mise en forme des métaux essentiellement développé " à chaud ", permet d'obtenir des bruts de haut niveau de qualité en réalisant un gain notoire sur l'engagement matière face à d'autres procédés. Les travaux de thèse dressent l'état de l'art de cette technologie complexe et mal connue en France ; ils s'appuient sur une bibliographie dense et diversifiée pour synthétiser les lois qui régissent ce procédé et identifier les paramètres significatifs. Les conditions du contact pièce/outil étant prépondérantes, la mesure de la pression de contact est développée sur des matrices instrumentées afin de caractériser la sévérité des efforts. Des préformes en acier, titane et alliage base cuivre-aluminium avec simple réduction de diamètre sont fabriquées pour mettre en évidence les spécificités du contact pièce-matrice au niveau tribologique et rhéologique. En vue de démontrer que la condition d'entrainement en rotation des pièces est un facteur clé de pilotage du procédé, de nombreux essais expérimentaux pointent le rôle de la texture de surface pour l'obtention de pièces sans défaut, ainsi que son influence sur l'histoire thermomécanique interne. Les nombreuses difficultés liées à la mise au point d'outillages sont identifiées sur la base d'observations expérimentales et ensuite intégrées dans une démarche de conception d'outillage. Une procédure de conception d'outillage est ainsi proposée en s'appuyant sur une synthèse de règles issues de la bibliographie ainsi que de règles déterminées par les travaux expérimentaux. Une étude de cas sur une préforme " balustre " est traitée ; elle intègre la conception des matrices, la simulation numérique avec le logiciel FORGE© ainsi que les essais de mise au point d'outillage sur un banc développé à l'ENSAM. Une vision d'ensemble sur le procédé et les paramètres qui le gouvernent est finalement proposée.

Cette thèse met l'accent sur la recherche scientifique pour développer une classe de procédés à hautesvitesses de déformation des tôles métalliques en alliages d'aluminium et en acier à haute résistance (AHR).Ces technologies emploient une impulsion de pression de courte durée qui propulse la tôle dans une matrice.Ces procédés sont généralement décrits comme procédés de formage par impulsion de pression (PPF). Letravail proposé dans ce mémoire de thèse a permis de surmonter trois obstacles pour l'utilisation desprocédés PPF et la fabrication à moindre coût de structures légères. Le premier obstacle a été le manque decorrélation entre formabilité et vitesses de déformation qui se développent lors d'un procédé PPF. Nous avonsproposé d'analyser la formabilité et la rupture des tôles, et de caractériser les vitesses de déformation et leurl'hétérogénéité pendant le procédé PPF. Le deuxième obstacle a été le manque de lois constitutives validéespour les métaux déformés par le procédé PPF. Nous avons étudié la microstructure et l'évolution despropriétés mécaniques durant le procédé PPF. Le troisième obstacle est le manque de modèles de formabilitéprédictifs validés pour le procédé PPF. Nous avons utilisé la méthode Marciniak-Kuczynski pour la prédictionde la formabilité de l'alliage AA5182 et de l'acier DP600 sous un large éventail de vitesses de déformation etsous différentes directions de ces vitesses. La combinaison de ces résultats de recherche permet une plusgrande capacité prédictive pour concevoir et développer des procédés PPF pour composants d'automobiledésirés à partir d'aluminium et d'acier AHR.

Le travail présenté intègre l'utilisation des vibrations mécaniques dans les procédés de mise en forme à froid des matériaux de comportement viscoplastique. Les avantages de procédé de mise en forme assisté par vibrations se mesurent par une réduction de l'intensité de la force de mise en forme, une diminution de la contrainte d'écoulement, la réduction du frottement entre l'outil et lopin, une distribution uniforme de la déformation viscoplastique et une amélioration de l'état de surface de la pièce finale. A cet effet, un modèle analytique avec une seule source de vibration a été développé pour le procédé de forgeage. Les vibrations sinusoïdale et triangulaire ont été intégrées dans le modèle et il se trouve que les vibrations triangulaire est plus avantageux comparer à les vibrations sinusoïdal a cause du contrôle sur le rapport cyclique. On observe également que les paramètres principaux qui contrôlent la réduction de la force de forgeage sont : le rapport de vitesse définie par l'amplitude de la vitesse de vibration et la vitesse moyenne de l'outillage et la sensibilité à la vitesse de déformation. Le modèle analytique a été validé au moyen des simulations éléments finis réalisés avec le code de calcul FORGE2011 ® et les essais expérimentaux en dispositif expérimentale de pot vibrant a été conçu et les essais ont été réalisé sur les machines Lloyd LR30K ou ZWICK / Roell 1200. L'étude a ensuite été enrichi avec les plusieurs sources de vibrations. L'étude cinématique montre que les vibrations multiples générés une onde progressive. Cette nouvelle cinématique a été intégrée dans un modèle numérique sur le code de simulation par éléments finis FORGE2011 ® pour étudier le forgeage assisté par plusieurs sources des vibrations. L'analyse de résultats montre une réduction considérable de la force de forgeage et de la contrainte de l'écoulement ainsi qu'une modification de la loi de frottement générer par le changement de la direction du vecteur de vitesse. / This work is focused on the application of mechanical vibrations in cold metal forming process for visco-plastic domain to improve it by obtaining mean forming load reduction, low stresses, less friction, uniform distribution of strains and good surface qualities. For this purpose, analytical model has been developed for vibration assisted forming process with single vibration source. Sinusoidal and triangular vibration waveforms have been integrated in these models and it is found that triangular vibration is more advantageous as compare to traditional sinusoidal due to the control on cycle duty time. It is also observed that the main parameters that control the amount of forging force reduction are: the speed ratio defined by the amplitude of the vibration speed over the mean speed of the die and the sensitivity to strain rate. Analytical model is verified with the help of Finite element simulations performed in FORGE2011 ® and experiments performed with the help of specifically design vibration pot and Lloyd LR30K Universal testing machine or ZWICK/Roell 1200. The scope of this work is further extended by the use multiple vibration sources in the metal forming process. Kinematic study is carried out and it is found that application of multiple vibrations generates progress wave. This kinematic is applied in FORGE2011 ® during the metal forging process with the help of generic press and the reduction in forging load has been observed along with reduction in stress in the material and the modification of the friction on the lower die due to the change in velocity vector direction.

La miniaturisation des composants est aujourd’hui un challenge mondial. La fabrication de ces composants est rendue difficile par un certain nombre de phénomènes liés aux effets d’échelle. Il est ainsi nécessaire de répondre à ces contraintes de réduction d’échelle en termes de conception, de réalisation et de fonctionnement de ces systèmes. Cette étude aborde la problématique de la miniaturisation des procédés et plus particulièrement du procédé de micro-formage incrémental « mono-point » (micro-SPIF) à travers des études expérimentales et numériques. Le micro-formage incrémental de tôles est présenté comme une approche intéres sante de fabrication de structures minces. La géométrie désirée est assurée par la trajectoire d’un outil imposant une déformation locale sur la tôle serrée en son contour. Dans un premier temps, une approcheexpérimentale consistant à analyser le comportement mécanique des éprouvettes en alliage de cuivre avec différentes tailles de grains par des essais de traction a été proposée. L’interaction entre la géométrie et la microstructure est évaluée à l’aide du ratio de l'épaisseur par la taille moyenne de grains Φ=t/d. Un pilote de formage incrémental « mono-point » instrumenté a été également développé. Une campagne d'essais expérimentaux de micro-SPIF a été ainsi réalisée sur des flans par différentes tailles de grains afin d'étudier les effets de la microstructure sur la géométrie, l’état de surface, la distribution des épaisseurs et sur l’évolution des efforts. Dans un second temps, un modèle paramétrique de type éléments finis simulant le micro-SPIF a été développé en langage MATLAB®. Le code de calculs LS-DYNA® a été utilisé pour simuler le procédé en adaptant une loi de comportement élastoplastique. Ensuite, les résultats obtenus en termes de géométrie,d’évolution de l’épaisseur et d’efforts de formage sont confrontés aux relevés expérimentaux afin de valider la procédure numérique. Dans un troisième temps, une loi élastoplastique endommageable décrivant les principaux phénomènes physiques intervenant durant le formage des métaux en grandes déformations a été présentée. Une procédure d'identification de cette loi basée sur une analyse inverse de l’effort au cours du procédé de micro-SPIF a été proposée et des tests de validation du modèle ont été discutés. Enfin, une analyse de l'identifiabilité locale basée sur un indice de multicolinéarité des fonctions de sensibilité est effectuée pour valider la procédure d’identification paramétrique et quantifier l’intérêt du procédé pour la caractérisation quantitative des tôlesminces en très grandes déformations / The miniaturization of components is now a world challenge. The manufacture of these componentsis difficult because of several phenomena related to the so-called size effect. It is thus necessary to fulfill theserequirements of scaling down in terms of design, implementation and operations. This study deals with theproblems of miniaturization processes, especially the “micro-Single Point" Incremental Forming process (micro-SPIF) through experimental and numerical studies. Micro-single point incremental forming process is presentedas an interesting approach for thin structures manufacturing. The desired geometry is provided by the tool pathrequiring a local deformation in a sheet clamped along its contour. Firstly, an experimental approach consistingin analyzing the mechanical behaviour of copper alloy specimens with various grain sizes by tensile tests hasbeen proposed. The interaction between the geometry and the microstructure is evaluated using the ratio of thethickness by the average grain size Φ=t/d. An instrumented micro-SPIF device was also developed. A set ofsingle point incremental sheet forming experimental tests were conducted on blanks with several grain sizesusing two forming strategies in order to study the effect of microstructure on the geometry, the surface topology,the thickness distribution and the forming forces evolutions. Secondly, a finite element parametric model capableof simulating the micro-SPIF process was developed in MATLAB® language. The commercial LS-DYNA® codewas used to simulate this process using an elastic-plastic constitutive law. Then, the results obtained in terms ofgeometry, thickness evolution and forming forces are compared with the experimental results in order to validatethe numerical procedure. Thirdly, an elastic-plastic damage model describing the main physical phenomenainvolved during metal forming by large deformation was presented. An identification procedure of thisbehaviour law based on the inverse analysis of the axial forming force during micro-SPIF process was proposedand several validation tests of the model were discussed. Finally, local identifiability analysis based on an indexof multicollinearity of the sensitivity functions was performed in order to validate the parameters identificationprocedure and quantify the advantage of the process for quantitative mechanical behaviour characterization ofthin metal sheets at large strains

Le Formage Incrémental (FI) est un procédé émergent de mise en forme de tôles. Par opposition aux procédés classiques mettant généralement en jeu des outillages complexes et des équipements onéreux, celui-ci met en œuvre un poinçon de faible taille par rapport aux dimensions de la pièce, dont le pilotage de la trajectoire permet de générer la forme désirée. Le principal frein au développement de cette technologie réside dans la difficulté d'obtention de géométries précises. L'objectif de cette étude est donc d'apporter une meilleure compréhension du procédé, par une double approche expérimentale originale qui vise à mettre en relation la mise en forme de la pièce par FI avec la réponse microstructurale du matériau, ici un titane pur T40. L'approche mécanique et cinématique du procédé est basée, d'une part sur la mesure des champs cinématiques par corrélation d'images numériques à la surface des pièces, et d'autre part sur la mesure des différentes composantes de l'effort de formage tout au long du processus. Les états globaux de déformations rencontrés sur la pièce formée ainsi que les déformations locales induites par le passage du poinçon ont ainsi été mis en évidence. Par ailleurs, les effets de plusieurs paramètres de formage sur la réponse du matériau en termes de développement des déformations et d'efforts de formage ont étés mis en lumière. L'analyse microstructurale des tôles formées a été effectuée à l'aide des techniques de microscopie électronique à balayage (MEB) et en transmission (MET), ainsi que la diffraction de rayons X (DRX). La caractérisation des microstructures par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) a mis en évidence l'apparition du maclage dans l'accommodation de la déformation générée par le procédé, les systèmes de maclages activés et leur occurrence dépendant de l'orientation de la sollicitation et du niveau de déformation. L'observation des arrangements de dislocations au MET a, quant à elle, permis de révéler une autre signature microstructurale des sollicitations de FI sur le T40.