Développement de méthodes de caractérisation fine des propriétés élastoplastiques des fils métalliques

Development of methods for fine characterization of elastoplastic properties of metallic wires

• Auteur / Autrice : Julien Vaîssette
• Direction : Manuel Paredes, Catherine Mabru
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 17/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Lionel Roucoules
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuelle Rouhaud, Sandrine Thuillier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Fil métallique

Ressorts

Mots clés libres

Ressort

Propriétés

Métal

Contraintes résiduelles

Spring

Properties

Metal

Residual stress

Résumé

Dans le contexte actuel de tension sur les approvisionnements et de contraction économique de nombreux marchés, les fabricants industriels de ressorts sont contraints d’optimiser leur processus de fabrication. L’un de leurs enjeux majeurs consiste alors à augmenter le rendement de leur outil productif afin de maintenir leur débit de fabrication avec des moyens moindres en garantissant des exigences dimensionnelles toujours plus fines. Dans cette optique, une piste de travail se détache distinctement : la caractérisation mécanique des fils tréfilés.En effet, la formation des ressorts dépend largement des caractéristiques mécaniques des fils tréfilés, puisqu’elle consiste à déformer le fil tréfilé en suivant une trajectoire imposée qui donne sa forme finale au ressort. Le fil tréfilé étant sollicité dans son domaine plastique, des essais de caractérisation mécanique sont donc nécessaires pour connaître à l’avance le comportement plastique des fils tréfilés utilisés pour former des ressorts. Or dans leur processus industriel actuel, les fabricants de ressorts ne procèdent qu’à deux essais de caractérisation mécanique de manière non-systématique : l’essai de traction et l’essai de dureté.Ces deux essais sont privilégiés par leur simplicité d’utilisation et leurs résultats immédiats qui éclairent les ressorties sur le comportement mécanique des fils tréfilés qu’ils utilisent. Mais ces deux essais ont plusieurs limites. D’abord, ils sont très difficilement exploitables sur des fils de faibles diamètres sans adaptation des bacs de traction. Les essais de traction sur les fils tréfilés sont par conséquent menés dans des conditions non optimales qui réduisent la qualité de la caractérisation. Ensuite, ils ne donnent pas d’informations quantitatives sur l’état des contraintes résiduelles dans les fils tréfilés. Or les fils tréfilés étant par construction très denses en contraintes résiduelles et ces contraintes résiduelles ayant une forte influence sur les capacités de formage, cet angle mort provoque une perte de maîtrise des exigences dimensionnelles des ressorts ainsi fabriqués.Il a donc été décidé par le biais de ce travail de thèse de concevoir deux essais de caractérisation mécanique consacrés aux fils tréfilés de faible diamètre. Ces deux essais de caractérisation ont pour vocation de s’intégrer dans un processus industriel de fabrication de ressorts, en étant positionnés dès la réception des fils tréfilés. Le premier essai de caractérisation s’attache à tracer une loi de comportement matériau des fils tréfilés de faible diamètre à partir d’un essai de flexion 3 points. Il consiste à associer une loi de comportement trilinéaire à une courbe de flexion dont la mesure expérimentale est largement plus simple qu’une courbe de traction sur cette typologie de fil. Quant au deuxième essai de caractérisation proposé dans ce travail, il tente d’estimer le profil des contraintes résiduelles dans les fils tréfilés par la mesure de la variation de courbure générée par l’enlèvement d’une couche de matière. Ces deux méthodes ont été éprouvées sur un fil de 0,8 mm de diamètre et de nuance AISI 302 avec des résultats très satisfaisants. Ces deux méthodes ont ensuite été exploitées sur des fils tréfilés différents en nuance et en diamètre, et ont aussi montré des résultats prometteurs.

In the current context of tension on supplies and economic contraction of many markets, industrial spring manufacturers are forced to optimize their manufacturing process. One of their major challenges is to increase the efficiency of their production tool in order to maintain their production rate with less resources while guaranteeing ever finer dimensional requirements. From this point of view, one area of work stands out: the mechanical characterization of drawn wires.Indeed, the formation of springs depends largely on the mechanical characteristics of the drawn wires, since it consists in deforming the drawn wire by following an imposed trajectory which gives its final shape to the spring. As the drawn wire is stressed in its plastic range, mechanical characterization tests are therefore necessary to know in advance the plastic behavior of the drawn wire used to form springs. However, in their current industrial process, spring manufacturers only perform two mechanical characterization tests in a non-systematic way: the tensile test and the hardness test.These two tests are preferred because of their simplicity of use and their immediate results, which give nationals a better understanding of the mechanical behavior of the drawn wires they use. But these two tests have several limitations. First, they are very difficult to use on small diameter wires without adapting the tensile trays. The tensile tests on drawn wires are therefore conducted under non-optimal conditions which reduce the quality of the characterization. Secondly, they do not give quantitative information on the state of residual stresses in the drawn wires. As drawn wires are by construction very dense in residual stresses and these residual stresses have a strong influence on the forming capacities, this blind spot causes a loss of control of the dimensional requirements of the springs thus manufactured.It was therefore decided, through this thesis, to design two mechanical characterization tests dedicated to small diameter drawn wires. These two characterization tests are intended to be integrated into an industrial process of spring manufacturing, by being positioned at the reception of the drawn wires. The first characterization test aims at tracing a material behavior law for small diameter drawn wires from a 3-point bending test. It consists in associating a trilinear behavior law to a bending curve which experimental measurement is largely simpler than a tensile curve on this type of wire. As for the second characterization test proposed in this work, it attempts to estimate the residual stress profile in drawn wires by measuring the variation of curvature generated by the removal of a layer of material. These two methods were tested on a wire of 0.8 mm diameter and AISI 302 grade with very satisfactory results. These two methods were then used on drawn wires of different grades and diameters, and also showed promising results.