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.

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 industries productrices de matériaux, que ce soit dans le domaine des polymères ou celui des métaux, conçoivent de nouveaux matériaux pour répondre à des fonctions spécifiques définies par leurs clients. Elles s'appuient sur les progrès spectaculaires des dernières années dans le domaine de la modélisation des procédés et de la prédiction des propriétés d'emploi. Cependant, des efforts importants restent encore à faire dans la compréhension des relations entre une microstructure et ses propriétés de mise en forme et de tenue en service pour développer et inventer les matériaux de demain. Pour mieux comprendre les relations entre microstructures et propriétés mécaniques, les modèles basés sur une démarche micromécanique par changement d'échelles sont très utiles par leur caractère prédictif étendu. Comment représenter au mieux cette microstructure ? Quel est le rôle de la topologie, c'est-à-dire de la morphologie et l'arrangement spatial des constituants ? Quel est le rôle du comportement propre de chaque constituant sur la réponse du matériau ? Ces questions sont au centre de mes activités de recherche. Ma contribution porte plus particulièrement sur le développement de modèles micromécaniques par changement d'échelles dans deux domaines ouverts : le couplage entre des mécanismes instantanés et dépendants du temps tels que l'élasticité et la viscoplasticité et la prise en compte de la topologie dans les matériaux hétérogènes à fort contraste mécanique.<br /><br />Dans le cas d'un fort contraste mécanique, l'arrangement des phases joue un rôle du premier ordre sur les propriétés mécaniques. Il induit en particulier que seule une fraction des phases, appelée fraction effective, est active mécaniquement. Cela amène à définir des «phases mécaniques» qui (i) ne sont pas forcément définies par une homogénéité chimique ou physique et (ii) peuvent évoluer avec les conditions de chargements. On parle alors de « motif morphologique évolutif ». Le modèle autocohérent appliqué au motif morphologique de l'inclusion enrobée a été appliqué avec succès aux semi-solides où inclusion et enrobage sont tous deux composés de liquide et de solide. Il a été implanté dans un code d'éléments finis afin de simuler la mise en forme d'alliages métalliques à l'état semi-solide et en particulier le thixoforgeage en collaboration avec ASCOMETAL CREAS.<br /><br />En ce qui concerne le couplage entre des déformations élastiques instantanés et des déformations viscoplastiques dépendants du temps, un modèle de transition d'échelle, dit modèle à champs translatés, est proposé en s'inspirant de l'approximation autocohérente. Il fournit une description élastique-viscoplastique des interactions entre hétérogénéités efficace et simple à mettre en œuvre numériquement. Cet outil de transition d'échelle a été appliqué à l'étude du comportement élastique-viscoplastique d'aciers polycristallins présentant différentes microstructures en collaboration avec ARCELOR. Les lois décrivant le comportement du monocristal fondées sur la théorie de la plasticité cristalline, prenant en compte les mécanismes de déformation par glissement cristallographique et éventuellement par maclage, ont été adaptées et enrichies aux types de comportement étudiés : dépendants de la vitesse de déformation, de la température, sous sollicitations monotones ou cycliques, après vieillissement de type Bake Hardening.<br /><br />La démarche de modélisation proposée jusqu'alors décrit l'activité plastique à l'aide de variables internes homogènes à l'échelle du grain. Or la plasticité apparaît selon des événements spatio-temporels discrets. Un nouveau projet de recherche est proposé pour lever cette hypothèse de « microhomogénéité » en représentant l'activité plastique par une distribution spatiale mais périodique de « particules » de déformation. Cette approche cherche à prendre en compte l'auto-organisation spatiale de la microstructure dans les calculs de champs dans le but de rendre compte naturellement des effets de taille en plasticité.