Relations entre microstructure et aptitude au pliage des aciers à effet TRIP pour application automobile

Relations between microstructure and bendability on TRIP-aided steels for automotive products

• Auteur / Autrice : Delphine Rèche
• Direction : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Matériaux

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Microstructure (physique)

Acier

Résumé

Pour limiter la consommation des véhicules, les industries automobiles demandent aux aciéristes de développer des aciers de plus en plus fins avec des hautes résistances. Les aciers très haute résistance (THR) comme les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity) permettent d'effectuer des pièces automobiles aux formes complexes. Néanmoins, le compréhension des mécanismes de mise en forme de ces aciers n'est pas simple et implique une étude détaillée des mécanismes de rupture apparaissant durant la mise en forme. Ainsi, les liens entre les paramètres microstructuraux, en particulier les structures en bandes, et la mise en forme ont été étudiés pour obtenir une meilleure prédiction de la capacité en pliage des aciers en fonction de leur microstructure. Dans cette étude, quatre aciers TRIP présentant des performances en pliage différentes ont été caractérisés à la fois en pliage en V et en pliage sous traction. A partir d'observations au microscope optique et à balayage, nous avons démontré que les fissures s'initiaient à partir de la surface ou juste en dessous en pliage en V alors qu'elles s'initiaient au niveau de la ségrégation centrale en pliage sous traction. Les surfaces de rupture après pliage sont ductiles et l'endommagement apparait principalement par décohésion de l'interface ferrite/martensite et occasionnellement par rupture des ilots martensitiques. Une procédure originale basée sur des échantillons rectifiés présentant la bande de ségrégation à différents endroits dans l'épaisseur a été établi. Ce travail a permis de proposer une relation entre l'épaisseur d'une bande, son endommagement et sa déformation locale atteinte pendant un test de pliage en V. Pour développer un critère de rupture pour ces tests de pliage, les champs de contrainte et déformation ont été calculés par simulation numérique pour ces deux tests. Pour ce faire, une base de données expérimentale incluant des tests de traction sur éprouvettes lisses et entaillées et des tests de cisaillement a été établie. La loi de comportement du matériau a été déterminée à partir de cette base expérimentale et présente un comportement élasto-plastique anisotrope avec écrouissage mixte. La simulation numérique des deux essais de pliage associée à un critère d'endommagement a permis de prédire de manière satisfaisante les champs de déformation, les courbes force/déplacement ainsi les angles de rupture. La possibilité d'utiliser des modèles simplifiés (tels qu' un critère d'écoulement isotrope, un écrouissage purement isotrope, des calculs en 2D et des conditions aux limites simplifiées) a également été discuté.

In order to limit fuel consumption, automotive industries push the steelmakers to develop thinner sheets with higher strength. Ultra High Strength Steels (UHSS) such as low alloy TRIP (TRansformation Induced Plasticity)-aided steels enable to get complex shapes for automotive parts. However, understanding the formability of these steels appears to be complex and involves a detailed study of failure mechanisms during forming tests. Therefore, links between microstructural features, in particularly banded structures, and formability were investigated in order to better predict the bending ability of steels as a function of their microstructure. In this study, four low alloy TRIP-aided steels exhibiting different bending performances were characterized using both air and stretch bending tests. From scanning electron and light microscopy observations, cracks initiate from the outer surface or from just below in air-bending, but from the central segregation bands in stretch bending. Fracture surfaces after bending tests are ductile and damage mainly appears by ferrite/martensite interface decohesion and occasionally as microcracks within martensite islands. An original procedure based on thickness-reduced specimens, with various locations of the main hard band within the specimen thickness, was set up. It enabled to propose a relationship between cracking, local thickness of hard band and local strain during air-bending. In order to develop a local fracture criterion that could be used for any bending test, stress and strain fields were computed by numerical simulation of the two bending tests. For that purpose, an experimental database including tensile tests on smooth and notched samples as well as shear tests was established. Material parameters of constitutive equations, accounting for anisotropic elasto-plastic behaviour with mixed hardening, were determined from this database. Finite element simulation of both bending tests associated with a ductile damage criterion made it possible to satisfactorily predict strain fields, bending load-displacement curves and fracture angle. The possibility of using simplifying assumptions in the model (such as an isotropic flow criterion, pure isotropic hardening, two-dimensional assumptions and simplified boundary conditions) is also discussed.