Lois de comportement et recristallisation dynamique : approches empirique et physique

Constitutive equation and dynamic recrystallization: empirical and physical approaches

• Auteur / Autrice : Olivier Lurdos
• Direction : Frank Montheillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance des matériaux

Cristallisation

Déformations (mécanique)

Travail des métaux

Résumé

La mise en forme des métaux à grande vitesse de déformation provoque une déformation importante et rapide de la pièce. Cette déformation, associée aux grandes vitesses de déformation inhérente au procédé, provoque des échauffements localisés et importants. Des zones de localisation de la déformation apparaissent, telles que les bandes de cisaillement. En revanche, le reste de la pièce est dans certains cas peu affecté par la déformation. La modélisation de tels phénomènes nécessite donc l'utilisation de lois de comportement valables sur une très large gamme de déformations, vitesses de déformation, et températures. Après avoir présenté et exploité des essais de torsion, une compilation de courbes contrainte-déformation de l'acier 304L est présentée. Un premier modèle empirique, fondé sur la loi de Voce, est proposé pour décrire la rhéologie des métaux dans ces conditions. L'ensemble des coefficients de ce modèle est ajusté à partir des courbes contrainte-déformation. Ce modèle présente deux différences fondamentales par rapport à la loi classique de Johnson et Cook (1983, 1987). Premièrement, les effets de l'écrouissage, de la vitesse de déformation, et de la température sont couplés, et deuxièmement, la contrainte tend vers une valeur stationnaire quand la déformation est suffisamment grande. De plus, l'ajustement des coefficients de la loi par rapport aux courbes expérimentales a mis en évidence un nouveau critère empirique déterminant le domaine de température et de vitesse de déformation dans lequel se produit la recristallisation dynamique. Un deuxième modèle physique de recristallisation dynamique discontinue est ensuite proposé. Ce modèle permet de caractériser l'évolution de la microstructure au cours de la déformation de matériaux à faible énergie de défaut d'empilement. La taille moyenne des grains, ainsi que la densité moyenne de dislocations sont déterminées en fonction des paramètres du matériau. De plus, la contrainte d'écoulement représente correctement l'allure des courbes expérimentales au cours du régime transitoire. L'exploitation des résultats de l'étude du régime stationnaire permet d'identifier l'ensemble des coefficients du modèle. Une nouvelle méthode est ainsi proposée pour déterminer la mobilité des joints de grains. Enfin, deux versions simplifiées du modèle sont proposées de manière à rendre leur utilisation possible par des codes de calcul de type éléments finis.

High speed material forming produces intense and fast strains. The latter, associated with the high speed of deformation inherent to the processes, induce considerable heating of the pieces. Zones of strain localization appear, such as shear bands. On the other hand, other parts of the piece are almost not affected by strain in some cases. Modelling of such phenomena then implies the use of constitutive equations valid over a very wide range of strain, strain rate and temperature. After an overview of torsion tests and results, a compilation of 304L stainless steel available stress-strain curves is presented. A first empirical model, based on the Voce equation, is proposed to describe the rheology of metals in such deformation conditions. All parameters are fitted to the set of experimental curves. This model sets forth two fundamental differences with the classical Johnson and Cook (1983, 1987) constitutive equation. First, the strain, strain rate and temperature effects are coupled together. Second, stress increases with strain until a steady state value. Furthermore, observations of the parameter variations point out a new criterion that defines a range of temperatures and strain rates where recrystallization occurs. A second physical constitutive equation based on discontinuous dynamic recrystallization is then proposed. This model is able to predict the evolution of microstructure during deformation of low stacking fault energy materials. Average grain size and average dislocation density are determined as functions of material parameters. Furthermore, the predicted flow stress correctly represents the shape of experimental stress-strain curves. The full exploitation of the steady state results enables the identification of all parameters. A new method is then proposed to estimate grain boundary mobility. Finally, two simplified versions of the model are proposed to provide solutions suited to finite element codes.