Analyse experimentale et numérique multi-échelle du comportement mécanique de l'acier X40CrMoV5-1 : application au matriçage à chaud

Experimental and numerical multi-scale analysis of the mechanical behavior of X40CrMoV5-1 steel : hot forming application

• Auteur / Autrice : Amel Alimi
• Direction : Frédéric Jacquemin, Riadh Elleuch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 04/11/2016
• Etablissement(s) : Nantes en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : David Gloaguen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maher Dammak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Desplanques, Ali Zghal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Estampage (travail des métaux)

Travail à chaud

Acier

Mots clés libres

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Résumé

Au cours du procédé de matriçage à chaud, les outils subissent des chargements sévères, complexes et variables. Agissant en synergie, ils induisent la dégradation des outillages par différents processus d’endommagement qui dépendent de plusieurs facteurs notamment le niveau du chargement, la microstructure des matériaux en contact et les contraintes résiduelles dans les matrices. Pour répondre à cette problématique, il apparaît particulièrement important de maîtriser le comportement mécanique du matériau des outils de matriçage. Cette étude est basée sur différentes approches expérimentales et numériques multi-échelles. Afin d’identifier les modes d’endommagement, une matrice en fin de service est expertisée par des observations au Microscope Electronique à Balayage, des analyses des contraintes résiduelles par DRX ainsi que des mesures de dureté. Cette expertise a mis en évidence la nature multiéchelle, et multiphysique de l’endommagement. Au regard de ces résultats, une première approche phénoménologique a été développée permettant de prédire la cartographie des contraintes thermiques et mécaniques dans l’outil. Une modélisation multiéchelle du comportement mécanique cyclique de l’acier à outil X40CrMoV5-1 est développée, en adoptant le modèle Chaboche-Lemaitre dans un premier temps et en exploitant un modèle autocohérent dans un deuxième temps. Une confrontation des résultats issus des différentes approches investiguées dans la thèse est établie.

During hot forming process, tools are subjected to severe, complex and variable loadings. Acting in synergy, they induce degradation of tooling by various damage processes that depend on several factors including the level of loading, the microstructure of materials in contact and the residual stresses in dies. In order to solve this set of problems, it seems particularly important to study the mechanical behaviour of hot forming tooling material. This study is based on different multi-scale experimental and numerical approaches. To identify damage modes, a damaged hot working tool has been investigated with SEM observations, analysis of residual stresses by XRD and hardness measurements. This expertise highlights the complexity and multi-scale of damage. In view of these results, a first phenomenological approach was developed to predict the cartography of thermal and mechanical stresses in the tool. Multi-scale modelling of the X40CrMoV5-1 steel tool cyclic mechanical behaviour is developed by adopting Chaboche-Lemaitre model initially and operating a self-consistent model in a second time. A comparison of results acquired from the different approaches investigated in the thesis is established.