Formage: Mise en œuvre des métaux par déformation GM-3-PROFA Équipe Procédés de Fabrication T. Chaise, T. Elguedj, F. Girardin, L. Martinie, N. Noel, N. Tardif

Généralités

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Mise en forme par déformation plastique Produit Matériau Procédé GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles à froid à mi-chaud à chaud ferreux non-ferreux les deux Produits emboutis - Marché Type de brut Métaux en feuille Métaux en volume Emboutissage Transfo° de brut Forge libre Roulage, pliage … Laminage Estampage Matriçage Filage, étirage, tréfilage Extrusion Thixo-formage Estampé Forgeage frittage, poudres Laminé à chaud Extrudé GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Données économiques GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Relation Produit-Procédé Simulation du matriçage d’un alliage d’aluminium Emboutissage Laminage à chaud Outillage de forme (presque tout le temps) : Matrice d’estampage. Poinçons, filières. Cylindres de laminage. Matrice d’emboutissage. … Simulation d’une opération d’extrusion En général, coût d’outillage important Implication sur les formes réalisables En général, plutôt adapté aux grandes séries Pas de contre dépouille GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Relation Matériau - Procédé Simulation de matriçage d’un alliage d’aluminium Simulation d’une opération d’extrusion Simulation de l’emboutissage d’une carrosserie Mise en forme du matériau par déformation plastique … … à chaud ou à froid, … en traction, en compression, … … en grande transformation, à +- grande vitesse, … Traitement thermomécanique du matériau de base : …Excellent compromis entre résistance, élasticité, rupture, fatigue, corrosion, résilience ...Gain sur le rapport tenue mécanique / masse de la pièce ...Création de texture (anisotropie) ...Existence de contraintes résiduelles GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Relation Matériau - Procédé Matriçage d’un alliage d’aluminium cartographie de température 480°C 415°C Coupe macrographique de pièces issues d’estampage : Fibrage texture d’un acier ferritique laminé à chaud sens du laminage épaisseur de la tôle GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

Quelques notions de (Visco)plasticité

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Effet de la température Température de fusion Tf [K] 0.3Tf [K] Mise en forme à froid Plasticité Mise en forme à chaud Viscoplasticité Fluide Newtonien 0.15Tf [K] 0.5Tf [K] Ajouter température pour les différents alliages Matériau 0.15Tf [K] 0.3Tf [K] 0.5Tf [K] Tf Acier C45 -25°C 220°C 550°C 1370°C Al 2xxx -140°C 0°C 180°C 635°C Bronze -100°C 70°C 300°C 870°C TA6V 15°C 690°C 1650°C GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Essai de traction uniaxial : Mesures Conventionnelles GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Essai de traction uniaxial : Mesures vraies GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Essai de traction uniaxial : Déformation plastique Métaux = Poly cristaux Mouvement de dislocations à partir de défauts dans le réseau cristallin GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Essai de traction uniaxial : Consolidation (ie écrouissage) GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Essai de traction uniaxial : Consolidation (ie écrouissage) Hollomon n : coefficient d’écrouissage GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Essai de traction uniaxial : Striction diffuse Instabilité de la structure Localisation des déformations GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Essai de traction uniaxial : Striction localisée jusqu’à rupture Localisation interne des déformations + Endommagement ductile Localisation interne des déformations / nucléation, croissance et coalescence de vides (rouge) jusqu’à rupture sur éprouvette cylindrique. Mesure par tomographie au rayon X. GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Critère de plasticité et chargement multiaxial Travail plastique volumique = Surface de charge ie critère de plasticité ie surface seuil GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Critère de plasticité et chargement multiaxial σ p Cuivre de haute pureté σ La surface de charge est insensible à la pression hydrostatique p p=0 : déviateur des contraintes : pression hydrostatique GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Critère de plasticité et chargement multiaxial GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Critère de plasticité et chargement multiaxial : Influence de l’écrouissage sur la surface de charge Ecrouissage cinématique (effet Baushinger) Déformation de la surface de charge induit par le travail plastique Ecrouissage isotrope titane Passage d’un matériau isotrope à un matériau anisotrope lors de l’écrouissage. GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Anisotropie : Coefficient de Lankford Texture EBSD : Matériau isotrope Exemple des tôles laminées RD : Rolling Direction TD : Transverse direction ED : Thickness direction Texture EBSD : Matériau anisotrope Les tôles ont tendance à se déformer plus facilement dans la largeur que dans l’épaisseur du fait de l’état métallurgique issu du laminage à froid (grains déformés, orientations cristallographiques préférentielles). GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Anisotropie moyenne et planaire Texture EBSD : Matériau anisotrope Exemple des tôles laminées exemple de critère anisotrope simple utilisé pour les tôles en acier direction de laminage direction transverse GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid Chargement multiaxial, endommagement σ Plus la pression hydrostatique comprime le matériau plus la rupture est retardée (endommagement ductile retardé). p p p Cuivre de haute pureté p p σ La croissance de cavités est dépendante au premier ordre de la pression hydrostatique. p Rq : Les fortes déformations permises lors de certains procédés de mise en forme des métaux telle que le matriçage est lié au confinement entre matrices qui permet de diminuer la pression hydrostatique. p=0 p<0 GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à froid εpl : Déformation permanente à volume constant Propriétés intrinsèques du matériau obtenues à partir d’un essai de traction : Limite d’élasticité Re Limite à rupture Rm Elongation uniformément réparti Ag Propriétés dépendantes de la géométrie de l’éprouvette obtenues à partir d’un essai de traction : Elongation à rupture A% (nécessité d’une normalisation pour comparaison) La façon dont une structure plastifie et localise les déformations dépend de sa géométrie et du chargement appliqué (traction/compression uniaxiale, plane, biaxiale…). Plus le chargement est confiné (pression hydrostatique négative), plus la rupture est retardée Une forte déformation plastique peut modifier la texture du matériau. Les propriétés physiques du matériau peuvent ainsi devenir anisotropes (dépendantes de la direction de chargement). GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à chaud Que se passe t’il à chaud? Température de fusion Tf [K] 0.3Tf [K] Mise en forme à froid Plasticité Mise en forme à chaud Viscoplasticité 0.15Tf [K] 0.5Tf [K] Limite d’élasticité GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à chaud Comportement à chaud Torsion d’un AA1050 Compression d’un cuivre OFHC  θ  Matériaux à forte énergie de défaut d’empilement Aluminium, Fer α, titane β, aciers ferritiques Matériaux à faible énergie de défaut d’empilement Cuivre, laitons, fer γ, aciers austénitiques GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à chaud Comportement à chaud : déformation faible jusqu’à Rm écrouissage création de dislocations durcissement restauration dynamique réarrangement et annihilation continue des dislocations adoucissement  Matériaux à forte énergie de défaut d’empilement Aluminium, Fer α, titane β, aciers ferritiques Matériaux à faible énergie de défaut d’empilement Cuivre, laitons, fer γ, aciers austénitiques GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à chaud Comportement à chaud : forte déformation recristallisation dynamique discontinue en collier recristallisation dynamique géométrique recristallisation dynamique continu Recristallisation dynamique continue (RDC) : Organisation des dislocations en sous joints, subdivisant les grains initiaux en sous grains (désorientation < 15°), puis en grain à déformation forte (désorientation > 15°). En gros c’est la poursuite de la restauration dynamique Recristallisation dynamique géométrique (RDG) : Un autre mécanisme générateur de « nouveaux grains » aux grandes déformations fait intervenir le changement de forme des grains initiaux qui s’accompagne de l’augmentation de l’aire de joints par unité de volume. On observe par ailleurs que les joints de grains deviennent de plus en plus ondulés (ou dentelés) au cours de la déformation. Lorsque l’une au moins de leurs dimensions devient suffisamment faible, les grains peuvent subir des « pincements » locaux conduisant à leur fragmentation Recristallisation dynamique discontinue : Dans les matériaux à faible énergie de défaut d’empilement, les dislocations sont fortement dissociées et par conséquent peu mobiles. Leur réarrangement en sous-joints est donc difficile et le processus de restauration dynamique décrit dans le paragraphe 2.2 peu efficace. L’écrouissage est donc important, ce qui conduit à l’accumulation locale d’importantes densités de dislocations dans le matériau. L’énergie élastique ainsi stockée constitue une force motrice suffisante pour provoquer, à température élevée, la germination de nouveaux grains : pour une déformation critique εc , légèrement inférieure à la déformation εM correspondant au maximum de la courbe contrainte-déformation [εc ≈ (5/6) εM], des germes de nouveaux grains apparaissent dans le matériau écroui. C’est alors la recristallisation dynamique discontinue (RDD) qui définit l’évolution structurale du matériau. La suite du processus dépend du rapport entre la taille de grains initiale D0 du matériau et la taille moyenne Ds des grains atteinte au régime stationnaire, celle-ci ne dépendant pour un matériau donné que de la tempéra- ture et de la vitesse de déformation imposées [8]. On distingue donc deux cas. a) Si la recristallisation conduit à un affinement des grains (plus précisément, si D0 > 2Ds), la recristallisation dynamique se produit «en collier» à partir des joints des grains initiaux déformés (figures 10a et 11). Les nouveaux grains recristallisés envahissent progressivement les anciens à partir de leur périphérie, ce qui produit une décroissance de la contrainte d’écoulement. Cepen- dant, les grains recristallisés se déforment sous l’action de la solli- citation imposée, de telle sorte que lorsque les grains initiaux ont entièrement disparu, l’état d’écrouissage du matériau est forte- ment hétérogène. La recristallisation dynamique va donc se pour- suivre de manière non synchronisée, certaines zones du matériau se trouvant au stade de germination, et d’autres au stade de crois- sance-écrouissage des grains. Ceci se traduit par l’apparition d’une contrainte d’écoulement stationnaire après un maximum unique de la courbe σ0 - ε. b) Si le processus conduit à un grossissement des grains (plus précisément, si D0 < 2Ds), la croissance des premiers grains recris- tallisés aux joints des grains initiaux déformés est rapidement limi- tée par leur interaction mutuelle (figure 10b ). Ainsi, la première vague de recristallisation, qui se traduit par une première décrois- sance de la courbe contrainte-déformation, ne permet pas aux grains recristallisés d’atteindre leur taille stationnaire Ds . L’ensem- ble du matériau s’écrouit à nouveau de manière relativement homogène, jusqu’au déclenchement d’une deuxième vague de recristallisation accompagnée d’une deuxième décroissance de la courbe σ0 - ε , et ainsi de suite. La recristallisation dynamique se produit donc de manière synchronisée, ce qui se traduit par les oscillations successives de la contrainte d’écoulement. Finalement, le développement progressif d’hétérogénéités d’écrouissage dans le matériau conduit à l’amortissement des oscillations et à l’appari- tion d’une contrainte stationnaire. recristallisation dynamique discontinue synchronisée Matériaux à forte énergie de défaut d’empilement Aluminium, Fer α, titane β, aciers ferritiques Matériaux à faible énergie de défaut d’empilement Cuivre, laitons, fer γ, aciers austénitiques GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à chaud Température de fusion Quelques modèles simples : 0.15Tf [K] 0.3Tf [K] 0.5Tf [K] Tf [K] Mise en forme à froid Plasticité Mise en forme à chaud Viscoplasticité Fluide Newtonien Modèles insuffisant pour reproduire Consolidation - Restauration - Recristallisation n : coefficient d’écrouissage (n<1, avec θ) m : indice de viscosité (m<1, avec θ) β : coefficient de thermodépendance GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Plasticité des métaux à chaud Le comportement à chaud est sensible à la déformation, à la vitesse de déformation ainsi qu’à la température. La sensibilité à la vitesse de déformation augmente avec la température. La sensibilité à la déformation (écrouissage), diminue avec la température. Le chargement induit un traitement thermomécanique responsable de l’évolution de la microstructure du matériau en même temps que sa mise en forme (texture, morphologie des grains…) Le phénomène de recristallisation permet d’augmenter fortement la ductilité. Il est possible de maîtriser le traitement thermomécanique lors de la mise en forme (montée en température, mise en forme, refroidissement, éventuel traitement thermique) afin d’optimiser les caractéristiques physiques de la pièce obtenue. GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles

GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles Conséquences sur les procédés de mise en forme par déformation plastique Procédés de mise en forme à chaud : Valeur faible de contrainte d’écoulement (diminution des dépenses énergétiques / Modification de section) Restauration continue de la ductilité (meilleure formabilité) Traitement thermomécanique (remodelage de la microstructure) Qualité dimensionnelle état de surface (métallurgique et géométrique) Procédés de mise en forme à froid état de surface tolérances dimensionnelles Augmentation des propriétés mécaniques (écrouissage) Nécessité d’ajouter des traitement de recuit entre séquence de mise en forme Maîtrise de la lubrification GM-3-PROFA - Emboutissage des métaux en feuilles