La mise en forme de l'alliage d'aluminium de corroyage 7075 de pièces fonctionnelles à géométrie complexe se fait la plupart du temps par usinage. Pour un nombre de pièces important, le coût peut être réduit en réalisant une ébauche par forgeage. Il est cependant plus intéressant de réaliser une ébauche proche des dimensions finales pour limiter l'usinage (aspect near-net-shape). Pour mettre en forme une pièce à géométrie complexe en une seule étape, la résistance à la déformation de la matière doit être suffisamment faible. Cette faible déformation nécessite la génération d'une phase liquide, ce qui introduit des défauts dans l'alliage de corroyage tels que la fissuration à chaud, porosité, retassure, retrait important, macroségrégation solide-liquide. L'apparition de ces défauts peut être réduite en limitant la fraction volumique de la phase liquide à 0.1. AA 7075 étant particulièrement sensible à la fissuration à chaud, un faible retrait est un atout. Nous choisirons le procédé RAP pour obtenir une matière globulaire semi-solide. Ce procédé utilise la recristallisation d'une matière extrudée pour réaliser une matière qui a un comportement rhéofluidifiant-thixotrope. Le procédé de mise en forme de cette matière semi-solide globulaire à faible phase liquide est le thixoforgeage. Des essais de chauffage de la matière extrudée et de filage permettront d'étudier l'influence des divers paramètres du procédé sur l'effort de mise en forme et sur la qualité des pièces produites. Nous adapterons les paramètres de chauffage et de mise en forme sur un outillage spécialement conçu pour le thixoforgeage pour des pièces à géométrie simple et pour des pièces à géométrie complexe. Une étude de l'influence des paramètres sur les caractéristiques mécaniques et sur la qualité des pièces a montré le très bon potentiel de mise en forme de AA 7075 par thixoforgeage.

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.

Ce travail vise à mettre en évidence la robustesse du procédé de thixoformage des aciers via létude qualitative et quantitative de linfluence des différents paramètres impliqués dans le processus. Le thixoformage est la mise en forme des métaux à létat semi-solide et à microstructure globulaire. Dans ces conditions, il a été montré que la consistance du matériau lors de la mise en forme diminue quand la vitesse de cisaillement augmente et que les paramètres régissant son comportement sont dépendants du temps. Etape-clé de cette technologie, le chauffage est étudié au même titre que la déformation. Linfluence de la stratégie de chauffage, de la géométrie de linducteur et des conditions extérieures est déterminée à laide de modélisations et dessais de réchauffage de lopins. Le transport entre le four et la presse est également abordé. Pour étudier la sensibilité de létape de déformation, trois géométries sont utilisées : le filage direct, une pièce détude rhéologique et une pièce industrielle. Ici encore, les essais pratiques et la modélisation sont employés de manière complémentaire. Les effets de la température du lopin et de celle des outils, de la vitesse de déformation, de la lubrification et des effets thermiques sont ainsi analysés. Comme pour le chauffage, la répétabilité de la déformation est mise en évidence. Par ailleurs, les défauts et structures obtenus dans les pièces sont présentés avant de discuter de la thixoformabilité des différentes nuances dacier. En particulier, la qualification dalliages spécialement dessinés pour le thixoformage ou au contraire réputés difficiles à mettre en oeuvre par cette technique est discutée. Finalement, le problème de la durée de vie des outillages est abordé puisque celui-ci est le dernier obstacle au développement de la technologie. / This work aims to assess the robustness of the steel thixoforming process by a qualitative and quantitative study of the influence of the parameters involved in the process. Thixoforming is the shaping of metals in the semi-solid state and with a globular microstructure. In this case, one shows that consistency decreases when shear rate increases and that the process parameters leading the behaviour are time dependent. As a key-step of the technology, heating is studied as well as forming. Influences of heating strategy, inductors geometry and external conditions are determined by the help of modelling and heating experiments. Handling system between heating furnace and press is also tackled. To study the formings relability and sensitivity, three geometries are used : direct extrusion, a rheological study part and an industrial part. Again, practical experiments and modelling are used in a complementary way. Effects of slugs temperature, forming speed, lubrication and tools temperature are analysed. Repeatability of heating and forming are highlighted. The defects and structures obtained in the parts are presented before discussing the thixoformability of steel grades. In particular, qualification of especially designed grades as well as non adapted grades is discussed. Finally, the tooling wear and lifetime issues are detailed as it is one of the mean locks of the technology industrialisation.

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.

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®.

Le thixoforgeage est un procédé de mise en forme innovant permettant l'élaborationde pièces complexes à l'état semi-solide. Il nécessite moins d'opérations et des efforts plusfaibles que les autres procédés de mise en forme plus classiques. L'objectif de ce travail et decaractériser la microstructure de plusieurs nuances d'acier à chaque étape du procédé afin demieux comprendre l'influence des différents paramètres et mécanismes de déformation, car lamicrostructure à l'état semi-solide, et en particulier la fraction de liquide, est très importante.Plusieurs techniques 2D et 3D (analyses MEB-EDS, CSLM, microtomographie X) ont étéutilisées pour évaluer la fraction de liquide des aciers étudiés (M2, C38LTT et 100Cr6). Lesrésultats obtenus pour l'acier M2 montrent une bonne corrélation entre les observations 2DMEB-EDS et les analyses 3D en microtomographie après trempe, ce qui indique que ces deuxtechniques sont très efficaces pour caractériser l'état semi-solide des aciers fortement alliés. Lemicroscope CSLM est utilisé quant à lui pour observer directement l'état semi-solide à hautetempérature : apparition du liquide, processus de solidification etc. Des essais de thixoforgeageont ensuite été réalisés pour étudier l'influence des différents paramètres du procédé sur lamicrostructure, la géométrie finale des pièces, les écoulements de matière etc. Après avoiranalysé la microstructure des pièces thixoforgées, des mécanismes permettant d'expliquer lesécoulements de matière sont proposés. Qui plus est, la comparaison avec la simulation duprocédé de forgeage à chaud montre que ces écoulements sont très différents, ce qui est dû aucomportement du matériau. Ce dernier est très sensible aux paramètres du procédé : il estdonc nécessaire de bien maîtriser et contrôler toutes les étapes lors de la mise en forme.

Le thixoforgeage est un procédé de mise en forme innovant permettant l'élaborationde pièces complexes à l'état semi-solide. Il nécessite moins d'opérations et des efforts plusfaibles que les autres procédés de mise en forme plus classiques. L'objectif de ce travail et decaractériser la microstructure de plusieurs nuances d'acier à chaque étape du procédé afin demieux comprendre l'influence des différents paramètres et mécanismes de déformation, car lamicrostructure à l'état semi-solide, et en particulier la fraction de liquide, est très importante.Plusieurs techniques 2D et 3D (analyses MEB-EDS, CSLM, microtomographie X) ont étéutilisées pour évaluer la fraction de liquide des aciers étudiés (M2, C38LTT et 100Cr6). Lesrésultats obtenus pour l'acier M2 montrent une bonne corrélation entre les observations 2DMEB-EDS et les analyses 3D en microtomographie après trempe, ce qui indique que ces deuxtechniques sont très efficaces pour caractériser l'état semi-solide des aciers fortement alliés. Lemicroscope CSLM est utilisé quant à lui pour observer directement l'état semi-solide à hautetempérature : apparition du liquide, processus de solidification etc. Des essais de thixoforgeageont ensuite été réalisés pour étudier l'influence des différents paramètres du procédé sur lamicrostructure, la géométrie finale des pièces, les écoulements de matière etc. Après avoiranalysé la microstructure des pièces thixoforgées, des mécanismes permettant d'expliquer lesécoulements de matière sont proposés. Qui plus est, la comparaison avec la simulation duprocédé de forgeage à chaud montre que ces écoulements sont très différents, ce qui est dû aucomportement du matériau. Ce dernier est très sensible aux paramètres du procédé : il estdonc nécessaire de bien maîtriser et contrôler toutes les étapes lors de la mise en forme. / The thixoforging process is an innovative forming process for the manufacturing ofcomplex parts in the semi-solid state, in fewer forming steps and with a decreased formingforce. The objective of this work is to characterize the microstructure of different steel grades ateach step of the thixoforging process in order to better understand the influence of the processparameters and the mechanisms of deformation, as the microstructure of the material in thesemi-solid state, especially the volume fraction of liquid, is very important. Several 2D and 3Dtechniques (SEM-EDS analyses, CSLM, X-ray microtomography) have been used to evaluatethe liquid fraction of various steel grades (M2, C38LTT and 100Cr6). The results for M2 steelshow a good agreement between 2D SEM - EDS observations and 3D X-ray microtomographyafter quenching, which proves that both techniques are efficient in characterizing high-alloyedsteels in the semi-solid state. The CSLM technique is used to observe the microstructuredirectly at high temperature, with the apparition of liquid and the solidification. Thixoforgingexperiments are finally performed in order to study the influence of the process parameters onthe microstructure: the final part geometry, the material flow etc. After analyzing themicrostructure of the thixoforged parts, some mechanisms of material flow are proposed.Moreover, by comparing the results between the thixoforging experiments and the hot forgingsimulations, it is found that the material flow is very different from that of hot forging process,which results from the material behavior. The latter is very sensitive to the process parameters;an accurate process control is necessary.