Matériaux à haute résistance mécaniques et leurs procédés de fabrication. Cours 12 Évaluation de la formabilité

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1 Matériaux à haute résistance mécaniques et leurs procédés de fabrication Cours 12 Évaluation de la formabilité 12-1 Objectives du cours #12 Connaitre les méthodes utilisés dans l industrie pour évaluer l aptitude à la mise en forme des métaux Connaitre le champs d application, les avantages et limitations des différentes méthodes Développer les connaissances nécessaires pour interpréter les résultats des tests Établir la relation entre une évaluation précise et le développement de nouveaux procédés

2 Comment définir la formabilité Origines des problèmes liés à la formabilité Les méthodes d évaluation de la formabilité Essai de traction uniaxiale Essaie de compression Essai de torsion Applications 12-3 La formabilité Formabilité: La facilité avec la quelle on peut faire la mise en forme par déformation plastique Origine des problèmes liés à la formabilité Présence de défauts interne ou de surface Difficulté dans l écoulement du métal Effet de la microstructure Mauvais choix des paramètres de la mise en forme

3 Problèmes liés à la formabilité Présence de défauts interne ou de surface Fracture en surface Présence des contraintes de tension Fissures de coins des produits laminés (Edge cracking) Fissures lors du forgeage à moule ouvert Fissuration à l interface matrice-matériau Développement des diagrammes de formabilité 12-5 Diagrammes de formabilité Matériau A: Route a fracture Matériau B: Route a et b bon resultats

4 Problèmes liés à la formabilité Difficulté dans l écoulement du métal Mauvaise conception de lopin (preform) ou de la matrice Mauvais choix de lubrifiant ou du procédé de lubrification 12-7 Problèmes liés à la formabilité Effet de la microstructure Grande taille de grain fissuration le long des JG Qualité de la microstructure Inclusions Présence de ségrégation Présence de vide (void) (produits coulés) Niveau du fibrage du matériau formé Qualité de la formabilité du matériau

5 Problèmes liés à la formabilité Mauvais choix des paramètres de la mise en forme Choix des matériaux pour matrice (forge, extrusion), rouleaux (laminage), Usinabilité Résistance à l usure Résistance aux chocs Comprendre ce qu on veut faire Bien concevoir Concevoir pour déformation 12-9 Problèmes liés à la formabilité Phénomènes physiques durant la mise en forme

6 Évaluation de la formabilité Formabilité: facilité avec laquelle un métal peut être mise en forme par déformation plastique Évaluation de la formabilité revient à -Mesurer la résistance à la déformation -Connaitre le point de la rupture -Connaitre les transformations métallurgiques durant la déformation Essai de traction uniaxial

7 Métaux Essai de traction uniaxial- Standards ASTM E8/E8M-11: "Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials" (2011) ISO : "Metallic materials. Tensile testing. Method of test at ambient temperature" (2009) ISO : "Metallic materials. Tensile testing. Method of test at elevated temperature" (2011) JIS Z2241 Method of tensile test for metallic materials Matéraiux flexibles ASTM D828 Standard Test Method for Tensile Properties of Paper and Paperboard Using Constant-Rate-of-Elongation Apparatus ASTM D882 Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting ISO 37 Rubber, vulcanized or thermoplastic Determination of tensile stress-strain properties Essai de traction uniaxial Pas mal de questions % élongation: combine les déformations uniforme et localisée La déformation uniforme dépend du comportement plastique plutôt qu au comportement en rupture La striction est sensible à la géométrie Longueur de jauge longue petite contribution de la striction à l élongation totale (et l inverse) Bar cylindrique: standard L/d= 4/

8 Essai de traction uniaxial Représentativité de l échantillon Grandes pièces coulées, forgées, etc. Petites pièces Pieces extrait des tubes, Mécanismes d attache Alignement Essai de traction uniaxial

9 Essai de traction uniaxial Réduction de surface: difficile à mesurer pour matériaux très ductile Si données essai de traction utilisées pour autres types de chargement il faut utiliser la courbe contrainte vraie-déformation vraie Striction allongement radial et contraction latérale état de contrainte triaxiale Corriger les données Correction de la triaxialité Correction de Bridgman Contraintes axiales et latérales maximum au centre de la striction

10 Correction de la triaxialité Mais la correction Bridgman n est pas toujours la solution Striction Limite en déformation maximum attaignable Paramètre de formabilité Procédés industriels : contraintes triaxiale Expérience Plus l état des contraintes est compressive, mieux est l aptitude à la mise en forme Paramètre de formabilité β= 3σ m / σ σ m =(σ 1 +σ 2 +σ 3 )/3 et Autres méthodes

11 Autres méthodes Méthodes générales Essai de compression Essai de torsion Essaie de flexion (bend test) Méthodes spécifiques Évaluation de formabilité en : Forgeage Laminage Extrusion Essai de compression Essai standard de l aptitude à la mise en forme On peut atteindre des déformations bien plus élevées qu en essai de traction Application industrielle pour forgeage à froid Outil du contrôle de qualité en forgeage à chaud Température ambiante et élevée

12 Essai de compression Limitations: Friction Flambage L outil plus froid que la pièce (conséquences pratiques?) Adoucissement (strain softening) à chaud Déformation non uniforme Localisation de la déformation Essai de compression Friction Réduit l écoulement latérale du matériau aux bords Formation d une zone morte (non déformée) échantillon en forme de tonneau Solutions : Lubrification Accroitre h/d P av =σ+1/3 ζ(d/h) ζ = contrainte de cisaillement ζ constant Realité : ζ varie besoin d équations plus précise

13 Essai de compression Effect tonneau extrême d initial d final Minimiser les effets de la zone morte et tonneau Utiliser des échantillons long et mince Mais problème de flambage Flambage: Si H/D>3 et grande friction ou Si H/D>1.5 et pas de friction H = hauteur D = diamètre

14 Localisation de la déformation T ambiante Localisation de la déformation Zone I: le métal en contact avec les surfaces sup. et inf. : Reste pratiquement sans mouvement zones mortes (dead zones) Zone III: Région déformée en compression forme tonneau Zone II: Localisation de la déformation dans les zones adjacentes aux zones mortes (bandes de cisaillement)

15 Exemples Forge à froid des boulons Déformation localisée Laminage à froid des bars Localisation de la déformation Grande friction + outil froid Écoulement du matériau Mise en forme isotherme

16 True Stress (MPa) True Stress (MPa) 700 Waspaloy Influence de la Température IMI 834 Ti ºC 1 s s s s True Strain ºC 1025ºC 1000ºC 975ºC s s s s True Strain Chauffage adiabatique >95% de l énergie de déformation se transforme en chaleur T de l échantillon augmente Estimation de ΔT ΔT=h a σ a /h t [αέ+mv a /h a ][1-exp(-h t t/cρh a )] h a =hauteur de l échantillon h t =coefficient de transfère de chaleur m=facteur de friction V a =vitesse moyenne C= chaleur spécifique ρ= densité α=0.95 (part converti en chaleur) Calcule de Δσ= ΔT (dσ/dt)

17 Correction de ΔT et Δσ 1: Courbe originale, Udimet 720, 2: Correction friction, μ=0.18 3: Correction T, Échauffement adiabtique Effet du lubrifiant

18 Instabilité plastique à chaud Compression à chaud: Compression A σ C Adoucissement σ A Quand σ C > σ A production de kink Instabilité plastique à chaud Formation de bandes de cisaillement

19 Essai de compression à déformation plane Solution idéal pour éliminer l effet de friction et l effet tonneau Condition déformation plane: b 0 =6 à 10 fois w et 2<w/h< Essai de torsion Procédés industriels de mise en forme : Forge, Laminage, Extrusion,. associés avec de grandes déformations Essaies de tension ou compression: Déformation limitée (ε max =0.9) Important changement de géométrie Essaie de torsion Grande déformation (ε max =5) Déformation uniforme Vitesse de déformation constante Pas de friction

20 Essai de torsion Défis: Essai de torsion Échantillon généralement circulaire σ cisaillement =0 au centre, = maximum à la surface Mieux vaut utiliser des échantillons tubulaires σ cisaillement presque uniforme dans l épaisseur

21 Essai de torsion Les échantillons Essai de torsion Équipements

22 Essai de torsion: Applications Simulation du laminage des aciers microalliés Variation de T dans un laminoire Evaluation de la forgeabilité Forgeabilité: Pas seulement la forge mais tout procédé avec déformation en compression entre deux outils L aptitude au forgeage d un matériau dépend: Composition Paramètres du procédé Conception des outils

23 Trois types d essais Compression axiale de cylindres droits (upset testing) Trois types d essais Compression latérale de cylindres (side pressing) Direction de la déformation

24 Trois types d essais Compression d un bloc en coin (Wedge testing) Applications Deformation and recrystallization behavior during hot working of a coarse grain Ni- base Superalloy S.L. Semiatin et al., Metallurgical and Materials Transactions, V 35A, Feb 2004, Plan d expérience :

25 Applications A retenir Évaluation de la formabilité :élément essentiel dans l optimisation et le développement des procédés Attention aux limites et champs d application des différents essais Attention aux conditions de validité Équipement Conditions de surface de l échantillon Friction/lubrification T, ε, έ, microstructure Instabilité plastique