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Caractérisation et modélisation micromécanique du comportement des alliages métalliques à l'état semi-solide pour la simulation du thixoforgeage des aciers

Author: Khalil TraidiVéronique FavierPhilippe LestriezKarl DebrayLaurent LangloisAll authors
Publisher: 2016.
Dissertation: Thèse de doctorat : Mécanique-matériaux : Paris, ENSAM : 2016.
Edition/Format:   Computer file : Document : Thesis/dissertation : French
Summary:
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
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Details

Genre/Form: Thèses et écrits académiques
Material Type: Document, Thesis/dissertation, Internet resource
Document Type: Internet Resource, Computer File
All Authors / Contributors: Khalil Traidi; Véronique Favier; Philippe Lestriez; Karl Debray; Laurent Langlois; Michel Bellet, (chercheur en génie des matériaux).; Jean-Philippe Ponthot; Damien Fabrègue; Arts et Métiers Sciences et Technologies.; École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris).; Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris).
OCLC Number: 1155090000
Notes: Titre provenant de l'écran-titre.
Description: 1 online resource
Responsibility: Khalil Traidi ; sous la direction de Véronique Favier et de Philippe Lestriez et de Karl Debray et de Laurent Langlois.

Abstract:

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.

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L\'\u00E9tat semi-solide est obtenu en refusion partielle \u00E0 partir de l\'\u00E9tat solide et la fraction de solide est sup\u00E9rieure \u00E0 0.8. Les plus hautes temp\u00E9ratures mises en jeu dans le cas des mat\u00E9riaux \u00E0 haut point de fusion comme les aciers rendent la ma\u00EEtrise du proc\u00E9d\u00E9 plus complexe. Cependant, les travaux ant\u00E9rieurs sur le thixoforgeage d\'aciers ont montr\u00E9 le potentiel de ce proc\u00E9d\u00E9 pour r\u00E9duire la consommation en mati\u00E8re premi\u00E8re et en \u00E9nergie. La th\u00E8se s\'inscrit dans le cadre du projet TACA \u00ABThixoforgeage d\'Aciers pour la fabrication de Composants Automobiles\u00BB pilot\u00E9 par l\'IRT-M2P. Il ambitionne le d\u00E9veloppement industriel du thixoforgeage des aciers pour la fabrication de pi\u00E8ces automobiles. La ma\u00EEtrise et le d\u00E9veloppement du thixoforgeage n\u00E9cessite une bonne connaissance du comportement m\u00E9canique du mat\u00E9riau \u00E0 l\'\u00E9tat semi-solide et le d\u00E9veloppement d\'outils de simulation num\u00E9rique adapt\u00E9s. Ce travail de th\u00E8se a pour objectifs de (i) caract\u00E9riser exp\u00E9rimentalement le comportement thermom\u00E9canique des aciers \u00E0 l\'\u00E9tat semi-solide, (ii) d\u00E9velopper un mod\u00E8le de comportement destin\u00E9 \u00E0 \u00EAtre implant\u00E9 dans le logiciel FORGE\u00AE pour simuler le thixoforgeage. Une attention particuli\u00E8re a \u00E9t\u00E9 port\u00E9e sur le comportement en traction pour caract\u00E9riser l\'intervalle de temp\u00E9rature dans lequel le mat\u00E9riau devient tr\u00E8s sensible \u00E0 la fissuration \u00E0 chaud. Des essais en traction men\u00E9s \u00E0 diff\u00E9rentes temp\u00E9ratures ont permis de d\u00E9terminer la temp\u00E9rature \u00E0 partir de laquelle la r\u00E9sistance et la ductilit\u00E9 du mat\u00E9riau chutent drastiquement. Les m\u00E9canismes conduisant \u00E0 ces chutes ont \u00E9t\u00E9 identifi\u00E9s et sont conformes \u00E0 ceux d\u00E9crits dans la litt\u00E9rature. Un mod\u00E8le bas\u00E9 sur une approche d\'homog\u00E9n\u00E9isation qui prend en compte explicitement le r\u00F4le m\u00E9canique des phases liquide et solide a \u00E9t\u00E9 d\u00E9velopp\u00E9. Ce mod\u00E8le repose sur une approche viscoplastique \u00E9tablie ant\u00E9rieurement puis enrichie afin (i) d\'int\u00E9grer le comportement \u00E9lastique du squelette solide satur\u00E9 en liquide et (ii) distinguer les \u00E9volutions de distribution spatiale des phases liquide et solide selon le trajet de chargement en traction ou en compression. Il permet de d\u00E9crire avec succ\u00E8s, pour la premi\u00E8re fois, les trois stades de la r\u00E9ponse m\u00E9canique en traction (augmentation, stabilisation puis chute de la contrainte en fonction du d\u00E9placement). Le mod\u00E8le a ensuite \u00E9t\u00E9 implant\u00E9 dans le code \u00E9l\u00E9ments finis FORGE\u00AE. Les simulations des essais de traction GLEBBLE ont permis d\'identifier les param\u00E8tres du mod\u00E8le. Des comparaisons des r\u00E9sultats exp\u00E9rimentaux et num\u00E9riques ont permis de reproduire des ph\u00E9nom\u00E8nes de localisation de la d\u00E9formation r\u00E9elle. Apr\u00E8s la validation sur des essais de traction, des simulations de proc\u00E9d\u00E9s de thixoforgeage industriel, tels que le forgeage de U, ont \u00E9t\u00E9 \u00E9tudi\u00E9es et compar\u00E9es aux r\u00E9sultats exp\u00E9rimentaux r\u00E9alis\u00E9s sur la plateforme Vulcain de l\'ENSAM de Metz. Un crit\u00E8re permettant de d\u00E9finir des zones sensibles \u00E0 la fissuration \u00E0 chaud a \u00E9t\u00E9 propos\u00E9. La comparaison avec des observations exp\u00E9rimentales a montr\u00E9 que ce crit\u00E8re constitue une premi\u00E8re approche encourageante pour pr\u00E9dire les zones de fragilit\u00E9 de la pi\u00E8ce en thixoforgeage.<\/span>\"@fr<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:exampleOfWork<\/a> <http:\/\/worldcat.org\/entity\/work\/id\/10225801263<\/a>> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:genre<\/a> \"Th\u00E8ses et \u00E9crits acad\u00E9miques<\/span>\"@fr<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:inLanguage<\/a> \"fr<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Caract\u00E9risation et mod\u00E9lisation microm\u00E9canique du comportement des alliages m\u00E9talliques \u00E0 l\'\u00E9tat semi-solide pour la simulation du thixoforgeage des aciers<\/span>\"@fr<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:productID<\/a> \"1155090000<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:url<\/a> <https:\/\/pastel.archives-ouvertes.fr\/tel-01538591<\/a>> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:url<\/a> <http:\/\/www.theses.fr\/2016ENAM0048\/abes<\/a>> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:url<\/a> <http:\/\/www.theses.fr\/2016ENAM0048\/document<\/a>> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nwdrs:describedby<\/a> <http:\/\/www.worldcat.org\/title\/-\/oclc\/1155090000<\/a>> ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n\n

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<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Organization\/procedes_et_ingenierie_en_mecanique_et_materiaux_paris<\/a>> # Proc\u00E9d\u00E9s et Ingeni\u00E9rie en M\u00E9canique et Mat\u00E9riaux (Paris).<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Organization<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Proc\u00E9d\u00E9s et Ingeni\u00E9rie en M\u00E9canique et Mat\u00E9riaux (Paris).<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/bellet_michel_chercheur_en_genie_des_materiaux<\/a>> # (chercheur en g\u00E9nie des mat\u00E9riaux). Michel Bellet<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Bellet<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"Michel<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"(chercheur en g\u00E9nie des mat\u00E9riaux). Michel Bellet<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/debray_karl<\/a>> # Karl Debray<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Debray<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"Karl<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Karl Debray<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/fabregue_damien_1978<\/a>> # Damien Fabr\u00E8gue<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:birthDate<\/a> \"1978<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:deathDate<\/a> \"\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Fabr\u00E8gue<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"Damien<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Damien Fabr\u00E8gue<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/favier_veronique<\/a>> # V\u00E9ronique Favier<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Favier<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"V\u00E9ronique<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"V\u00E9ronique Favier<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/langlois_laurent<\/a>> # Laurent Langlois<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:birthDate<\/a> \"....<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:deathDate<\/a> \"\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Langlois<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"Laurent<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Laurent Langlois<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/lestriez_philippe_1975<\/a>> # Philippe Lestriez<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:birthDate<\/a> \"1975<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:deathDate<\/a> \"\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Lestriez<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"Philippe<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Philippe Lestriez<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/ponthot_jean_philippe<\/a>> # Jean-Philippe Ponthot<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Ponthot<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"Jean-Philippe<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Jean-Philippe Ponthot<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Person\/traidi_khalil_1990<\/a>> # Khalil Traidi<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Person<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:birthDate<\/a> \"1990<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:deathDate<\/a> \"\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:familyName<\/a> \"Traidi<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:givenName<\/a> \"Khalil<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Khalil Traidi<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Thing\/aciers<\/a>> # Aciers<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Thing<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Aciers<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Thing\/homogeneisation<\/a>> # Homog\u00E9n\u00E9isation<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Thing<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Homog\u00E9n\u00E9isation<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Thing\/rheologie<\/a>> # Rh\u00E9ologie<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Thing<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Rh\u00E9ologie<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Thing\/semi_solide<\/a>> # Semi-Solide<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Thing<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Semi-Solide<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Thing\/simulation_numerique<\/a>> # Simulation num\u00E9rique<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Thing<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Simulation num\u00E9rique<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Thing\/thixoforgeage<\/a>> # Thixoforgeage<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Thing<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Thixoforgeage<\/span>\" ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Topic\/acier_simulation_methodes_de<\/a>> # Acier--Simulation, M\u00E9thodes de<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Intangible<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Acier--Simulation, M\u00E9thodes de<\/span>\"@fr<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
<http:\/\/experiment.worldcat.org\/entity\/work\/data\/10225801263#Topic\/polymeres_rheologie<\/a>> # Polym\u00E8res--Rh\u00E9ologie<\/span>\n\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0a \nschema:Intangible<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\nschema:name<\/a> \"Polym\u00E8res--Rh\u00E9ologie<\/span>\"@fr<\/a> ;\u00A0\u00A0\u00A0\u00A0.\n\n\n<\/div>\n
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