Caractérisation avancée des matériaux en vue de la prédiction de la localisation sur des tôles minces

par Nesrine Ksiksi

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Pascale Balland et de Laurent Tabourot.

Soutenue le 09-12-2016

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021) , en partenariat avec Systèmes et matériaux pour la mécatronique (Annecy) (laboratoire) .

Le président du jury était Marc Lomello-Tafin.

Le jury était composé de Ndèye Awa Sène.

Les rapporteurs étaient Nathalie Boudeau, Halim Haddadi.

mots clés

• Emboutissage
• Essais mécaniques
• Logiciel 7D
• Abaqus
• Travail de la tôle

Résumé

La détermination des conditions de chargements limites qui produisent une localisation du matériau est toujours un enjeu important, notamment lorsqu'il s'agit d'optimiser les dimensions d'outillage lors d'opérations durant lesquelles le matériau est fortement sollicité. Différents travaux récents ont montré que l'hétérogénéité structurale intrinsèque à tout matériau métallique joue un rôle important dans les différents stades de déformation. Le rôle des hétérogénéités sur la localisation n'est cependant pas abordé. L'objectif de cette thèse est donc de déterminer si l'hétérogénéité structurale des matériaux a un impact sur la localisation des matériaux ductiles. Une action corollaire est alors de valider le recours à des modèles qui intègre cette hétérogénéité pour obtenir des meilleurs résultats.Cette étude comprend deux volets. Le premier volet expérimental a pour objectif de constituer un référentiel expérimental qui met en évidence l'impact du facteur hétérogénéité sur la localisation. Différentes éprouvettes de titane ont été préparées de façon à obtenir différents degrés d'hétérogénéités. Deux paramètres ont été utilisés à cette fin : l'épaisseur et la structure cristalline. Le titane permet en effet de disposer de matériaux à structure hexagonale et cubique centrée qui présentent des possibilités d'accommodation plastique très différentes. Des essais de traction et d'expansion ont ainsi été pratiqués sur des éprouvettes de titane de tôle fine et épaisse dans les structures α et β du titane de nuance T40. Trois tôles différentes : Tiα(tôle fine); Tiα(tôle épaisse) et Tiα+β(tôle épaisse) ont été utilisées lors des essais. Pour obtenir les tôles Tiα+β un traitement thermique a été optimisé et l’analyse des tôles a été effectuée à l’aide de plusieurs techniques comme le MEB, les rayons X et l'ATD. Un second volet numérique s'est appuyé sur deux modèles pour réaliser la simulation des essais expérimentaux. Un premier modèle de type phénoménologique "classique", sans facteur d'hétérogénéité a tout d'abord été utilisé pour simuler le comportement idéal d'un matériau homogène. Dans un second temps, le recours à un modèle qui intègre une dimension physique, l'hétérogénéité, a montré que cette dernière a une incidence notable et permet d'améliorer la prédiction du phénomène de localisation.

mots clés

• Stamping
• Mechanical test
• Software 7D
• Abaqus

Titre traduit

Advanced characterization of materials for predicting the location of thin metal sheets

Résumé

The determination of limit loading conditions producing the localization in the material is always an important subject, notably as it is about the optimization of tool dimension during operations during which material is strongly solicited. Different recent works have shown that intrinsic structural heterogeneity inside any metallic material plays an important role in the different stages of deformation. However, the role of heterogeneities in localization is not addressed.The objective of this PhD thesis is therefore to determine if the structural heterogeneity of materials has an impact on the localization of ductile materials. A corollary action is then to validate the use of models which integrate this heterogeneity for best results.This study has two parts.The first experimental part has for objective to constitute an experimental base which highlights the impact of the heterogeneity factor on localization. Different titanium specimens were prepared so as to obtain different degrees of heterogeneities.Two parameters were used for this purpose: thickness and crystal structure. Titanium makes it possible to have materials with hexagonal structure and cubic centered that present possibilities of very different plastic accommodation.Tensile and equi-axial tests have thus been carried out on titanium specimens for thin and thick metal sheet in the structures α and β for T40 grade Titanium.Three different sheets Tiα(thin); Tiα(thick) et Tiα+β(thick) were used during the tests. To obtain the sheets Tiα+β, a heat treatment has been optimized and sheets analysis was done using several techniques such as SEM, X Rays and ATD. A second numerical part was based on two models to realize numerical simulation of the experimental tests. A first classical phenomenological model without heterogeneity factor was firstly used to simulate the ideal behavior of a homogeneous material. In a second time, the use of a model that incorporates a physical dimension that is to say the heterogeneity, has shown that this latter has a significant impact and makes it possible to improve the prediction of localization phenomenon.