Effect of strain rate on the ductile fracture of Advanced High Strength Steel Sheets : Experiments and modeling

par Matthieu Dunand

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Dirk Mohr.

Soutenue en 2013

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Effets du taux de déformation sur la rupture ductile des aciers à haute performance : Expériences et modélisation


  • Résumé

    L'industrie automobile emploie massivement les Aciers à Haute Performance (AHP) pour la fabrication des caisses en blanc, en raison de leur rapport résistance/masse élevé. Ils sont utilisés afin d'augmenter la sécurité des occupants en cas de crash, ou de réduire la masse du véhicule grâce à une diminution des sections utiles. En parallèle, le prototypage virtuel est omniprésent dans le processus de conception des nouveaux véhicules. En prenant l'exemple d'une caisse en blanc automobile, la conception de la structure globale et des procédés de mise en forme de ses composants nécessite des modèles prédictifs et fiables décrivant le comportement et la rupture des matériaux utilisés. Des efforts soutenus ont été entrepris ces cinq dernières années pour développer des modèles prédisant la rupture des AHP sous chargement statique. Pourtant les taux de déformations rencontrés lors d'opération de mise en forme sont de l'ordre de 10 s-1, et peuvent atteindre 103 s-1 lors de crashs. Le but de cette thèse est de développer une méthode fiable permettant d'évaluer l'influence du taux de déformation et de l'état de contrainte sur la rupture ductile d'AHP initialement non-fissurés. Une procédure expérimentale est conçue pour caractériser le comportement et l'initiation de la rupture dans des tôles chargées en traction à grande vitesse de déformation. La précision du dispositif est évaluée grâce à des validations numériques et expérimentales. Par la suite, une série d'expériences est réalisée à petite, moyenne et grande vitesse de déformation sur différents types d'éprouvettes de traction, afin de couvrir un spectre étendu d'états de contraintes. Une analyse détaillée de chaque expérience par la méthode des Éléments Finis permet de déterminer le trajet de chargement et l'état de déformation et de contrainte à la rupture dans chaque éprouvette, tout en prenant en compte les phénomènes de striction. La déformation à la rupture est significativement plus élevée à grande vitesse de déformation qu'à basse vitesse. De plus, les résultats montrent que l'influence du taux de déformation sur la ductilité ne peut pas être découplée de l'état de contrainte. Le modèle de comportement constitue un élément essentiel de cette approche hybride expérimentale-numérique. Un modèle de plasticité dépendant du taux de déformation est proposé pour prédire la réponse mécanique des AHP sur toute la plage de déformation, taux de déformation et état de contrainte couverte par le programme expérimental. La précision du modèle est validée par comparaison de mesures expérimentales globales et locales aux prédictions numériques correspondantes. De plus, l'influence de la discrétisation spatiale utilisée dans les simulations par Eléments Finis sur la précision de l'approche hybride expérimentale-numérique est quantifiée. Il est montré qu'un maillage fin d'éléments hexaédriques est nécessaire pour obtenir des prédictions précises jusqu'à la rupture. Ce type de maillage n'est pas compatible avec des applications industrielles à grande échelle pour des raisons évidentes d'efficacité numérique. C'est pourquoi une méthode de remaillage dynamique d'éléments coque vers des éléments solides est présentée et évaluée. Cette méthode permet d'obtenir des prédictions fiables de l'initiation de la rupture dans des tôles sans compromettre dramatiquement l'efficacité numérique obtenue grâce aux éléments coque. La seconde partie de ce travail s'intéresse aux micro-mécanismes responsables de la rupture ductile du matériau étudié. Une analyse micrographique du matériau soumis à différents niveaux de déformation permet d'identifier l'enchainement des mécanismes d'endommagement. Ces observations suggèrent que le mécanisme critique conduisant à la rupture est la localisation de la déformation plastique dans une bande de cisaillement à l'échelle du grain. Un model numérique reposant sur la déformation d'une cellule élémentaire 3D contenant une cavité est développé pour modéliser ce phénomène. Il est montré que le mécanisme de localisation à l'échelle micro de l'écoulement plastique dans une bande de cisaillement permet d'expliquer la dépendance de la ductilité à l'état de contrainte et au taux de déformation observée à l'échelle macro


  • Résumé

    The automotive industry has widely incorporated Advanced High Strength Steels sheets (AHSS) in vehicle structures due to their high strength to weight ratio: they are used to improve the vehicle safety or to reduce the vehicle weight through the use of thinner gages. At the same time, new vehicle design relies heavily on virtual prototyping practices. In the specific example of automotive structures, both the engineering of the production process and of the final product require reliable models of plasticity and fracture. Consequently, great efforts have been undertaken during the last five years to develop models that can predict the fracture of AHSS under static conditions. However, rates of deformation encountered in sheet metal forming operations are typically of the order of 10s-1, while they can be as high as 103 s-1 under accidental crash loading. Therefore, there is a need to investigate the effect of strain rate on deformation behavior and fracture of AHSS, and to assess whether models developed for static loading conditions can satisfactorily be used in industrial applications. The present research work consists of two main parts. The first part aims at developing a reliable methodology for evaluating the influence of strain rate as well as stress state on the ductile fracture properties of initially uncracked Advanced High Strength Steel sheets. An experimental procedure is designed to characterize the deformation behavior and the onset of fracture of sheet materials under tensile loading at high strain rate. Numerical and experimental validations of the proposed setup are performed to evaluate its accuracy. Then an experimental program is carried out at low, intermediate and high strain rates on different type of tensile specimens, thereby covering a range of stress states. Detailed Finite Element analyses of each experiment are used to determine the loading history and the material state at fracture in each experiment. A key component of this hybrid experimental-numerical approach is the constitutive model: a rate-dependent plasticity model is proposed to predict the mechanical response of AHSS over all the range of strains, strain rates and stress states reached in the experiments. The model accuracy is validated by comparing global and local test measurements to the corresponding simulation predictions. In addition, the influence of the geometric discretization used in Finite Element analysis on the accuracy of the hybrid experimental-numerical approach is evaluated. It is shown that fine meshes of brick elements are required for accurate fracture predictions, but cannot be used in industrial applications because of inadequate computational efficiency. A technique of shell-to-solid re-meshing is presented and evaluated, that allows for accurate predictions of the onset of ductile fracture in sheet materials without compromising the numerical efficiency of shell elements. The second part of this work is concerned with the micro-mechanisms responsible for ductile failure. Micrographs of specimens corresponding to different stages of loading prior to failure are analyzed to identify the sequence of damage processes leading to fracture. Observations suggest that the governing failure mechanism is the localization of plastic deformation into shear bands at the grain level. A numerical model based on three dimensional unit cell calculations is developed to assess whether the mechanism of shear localization of the plastic flow at the micro-scale can explain the dependence of the material ductility to both stress state and strain rate that was observed at the macro-scale

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  • Détails : 1 vol. (236 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 200 réf.

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