Etude expérimentale et modélisation du laminage asymétrique d'alliages de titane et d'aluminium

par Marcin Wronski

Thèse de doctorat en Mécanique et Matériaux

Sous la direction de Brigitte Bacroix et de Krzysztof Wierzbanowski.

Soutenue en 2013

à Paris 13 .


  • Résumé

    Dans la quête incessante de matériaux à propriétés améliorées, pour une plus grande durabilité et un allègement des structures, le développement de simulations numériques des processus de mise en forme plus fiables est plus que jamais d’actualité. Or, la compréhension et la modélisation des mécanismes d’écrouissage et de restauration actifs lors de sollicitations dites complexes sont encore largement insuffisantes pour un grand nombre d’alliages métalliques pour que les simulations de processus de mise en forme puissent être qualifiées de prédictives. Par ailleurs, il est également important de pouvoir modifier les procédés standard de mise en forme afin d’optimiser celle-ci en développant de nouveaux procédés permettant par exemple un affinage de la taille de grain, paramètre important pour optimiser les propriétés mécaniques finales. Parmi ces nouveaux procédés, ceux dits de déformation plastique sévères sont largement étudiés : on peut citer par exemple l’extrusion coudée à aires égales (EqualChannel Angular Pressing, ECAP), le co-laminage cumulatif (Accumulative Roll Bonding, ARB), la torsion sous haute pression (High Pressure Torsion, HPT), le laminage asymétrique (Asymetrical Rolling, AR),. . . . . Toutes ces méthodes permettent d’imposer de grandes déformations au matériau sans dommage, et modifient fortement les microstructures formées. Notamment, on recherche souvent à fragmenter les grains, ce qui permet d’avoir in fine une taille de grain réduite, synonyme de résistance mécanique accrue. Parmi ces méthodes, le laminage asymétrique est particulièrement intéressant par le fait qu’il est beaucoup plus facilement implantable en milieu industriel que les autres méthodes. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est donc double : il s’agit tout d’abord d’étudier plus à fond le procédé de laminage asymétrique et notamment son influence sur les modifications de microstructures, d’anisotropie et de propriétés mécaniques de deux alliages métalliques retenus en raison de leur intérêt pour la mise en forme ; on se propose ensuite de s’appuyer sur les résultats expérimentaux obtenus afin d’améliorer la loi de comportement des matériaux étudiés utilisée dans le cadre des simulations par éléments finis. Les deux matériaux retenus sont un alliage d’aluminium (de grade 6061) de structure cubique à faces centrées (cfc) et un titane de pureté commerciale (de grade 2) de structure hexagonale compacte (hc). Le laminoir asymétrique implanté récemment au LSPM qui permet d’imposer de forts taux d’asymétrie (et donc de grandes rotations) a été retenu comme mode de déformation et le suivi des microstructures et des textures cristallographiques a été réalisé par EBSD (Electron Back Scattering Diffraction) et diffraction des rayons X. L’influence du laminage asymétrique sur les évolutions microstructurales a pu être ainsi analysée en détails et a permis de proposer des paramètres matériau pour les lois de comportement utilisées dans les modèles. Ensuite, en couplant un modèle micromécanique à un code d’éléments finis, les simulations réalisées ont permis d’étudier l’influence du laminage asymétrique sur les propriétés mécaniques. Plus précisément, les objectifs que nous nous sommes fixés ont été les suivants : - Caractériser qualitativement et quantitativement les évolutions microstructurales des deux alliages lors du laminage asymétrique, en fonction des paramètres procédé retenus ; - Identifier les paramètres matériaux de la loi de comportement cristalline utilisée dans la partie modélisation, à partir des observations microstructurales et d’essais mécaniques simples ; - Coupler un modèle de type polycristallin à un code d’éléments finis, afin de réaliser des simulations de mise en forme permettant d’accéder non seulement aux évolutions des grandeurs mécaniques mais également aux évolutions de texture ; - Valider le modèle de comportement retenu par confrontation des résultats expérimentaux et numériques (textures surtout). - Discuter finalement de la pertinence du laminage asymétrique pour améliorer les propriétés d’emploi des tôles déformées (avec ou sans recuit après laminage). Le mémoire de thèse est structuré en 5 chapitres principaux, encadrés par une introduction et une conclusion générale. Dans le chapitre 1, le modèle polycristallin retenu est décrit ; il s’agit du modèle polycristallindit LW (Leffers-Wierzbanowski), retenu pour sa simplicité de mise en oeuvre et donc associé à des temps de calcul pas trop lourds, permettant un couplage avec un code d’éléments finis. La loi de comportement utilisée pour le monocristal tient compte du glissement et du maclage (pour le titane uniquement). La capacité de ce modèle à décrire les évolutions microstructurales des alliages métalliques est analysée. Comme, il est par ailleurs bien connu que plusieurs modèles, plus ou moins rigoureux dans leur formulation permettent de reproduire les textures expérimentales au prix parfois d’un ajustement arbitraire de certains paramètres, la capacité prédictive du modèle retenu est analysée plus en détails dans le chapitre 2, qui s’intéresse à la transition de texture bien connue dans les matériaux cfc à énergie de faute d’empilement variable. En effet, en passant d’un matériau à faible énergie de faute d’empilement comme le laiton par exemple à un matériau à énergie de faute d’empilement plus élevée comme le cuivre, on observe une transition dans les textures de laminage, d’une texture dite « Laiton » à une texture dite « Cuivre », composées d’orientations principales différentes. La capacité du modèle LW à reproduire cette transition en ne faisant varier que les paramètres matériau du modèle est donc examinée en détails. Le chapitre 3 décrit la procédure d’implémentation du modèle LW dans le code d’éléments finis ABAQUS/Explicit. Cette procédure s’appuie sur l’écriture d’un module de comportement de type VUMAT, décrit en détails. Ce module est ensuite testé par la simulation d’un essai simple de traction, pour lequel les textures simulées ont été comparées à des textures expérimentales. Le chapitre 4 décrit la partie expérimentale du travail réalisé : les méthodes expérimentales retenues sont tout d’abord décrites (laminage, diffraction X pour les textures crystallographiques, diffraction des électrons rétrodiffusés – EBSD en anglais – dans le microscope électronique à balayage EBSD pour les microstructures). La description des évolutions microstructurales et texturales des deux matériaux déformés à différents taux de déformation et d’asymétrie est ensuite présentée et analysée en détails. On montre notamment que l’asymétrie de laminage permet d’affiner la taille de grain dans la majorité des cas ; cette réduction de la taille de grain est également conservée après le recuit permettant de supprimer l’écrouissage dû au laminage. Le Chapitre 5 décrit ensuite les simulations numériques réalisées. La comparaison des textures simulées et expérimentales pour différents niveaux d’asymétrie et de taux de déformation est très satisfaisante. L’outil développé permet également de reproduire le fait que la distribution des déformations et des contraintes est plus uniforme au sein du matériau après laminage asymétrique qu’après laminage symétrique standard. Les principaux résultats de l’étude sont finalement reprécisés dans la conclusion générale.

  • Titre traduit

    Modelling and experimental study of asymetric rolling of titanium and aluminium


  • Résumé

    In the world of modern technology, there is a demand for construction materials having desired properties. Their design and production is one of the most important tasks of solid state physics and materials science. In recent years there has been a rapid development of metal forming techniques that modify radically the physical properties of materials. Many of them are based on processes of plastic deformation or severe plastic deformation. The main goal of present work is to check and understand the mechanisms of plastic deformation of polycrystalline materials during complex loading. Our study was done for two polycrystalline materials: aluminium 6061 (with f. C. C. Structure) and titanium grade 2 (with h. C. P. Structure). The asymmetric rolling process was chosen as an example of complex loading processes. Using two experimental techniques: EBSD and X-ray diffraction, the influence of rolling asymmetry on microstructural and mechanical parameters, as well as on crystallographic texture was examined. Many of experimental results were compared with model calculations. The present work is organized as follows. In Chapter 1 the crystallographic deformation model is described. Two basic mechanism of plastic deformation: crystallographic slip and twinning were considered. These mechanisms were incorporated into polycrystalline deformation model (Leffers- Wierzbanowski model, shortly: LW model). This model is a very efficient and useful tool, which enables the prediction of macroscopic material properties (e. G. , texture, stress-strain curves, residual stress, etc. ) basing on the micro-structural characteristics (crystallography of slip and twinning systems, hardening law, initial texture, residual stress state, etc. ). In Chapter 2 the well known problem of appearance of two types of f. C. C. Rolling textures in metals (copper and brass types) was discussed. It should be noted that in aluminium the copper-type rolling texture is developed. Different crystallographic deformation mechanisms, which explain the copper-brass texture transition (e. G. , high and low levels of grain-matrix interaction, two definitions of crystal lattice rotation, activation of twinning or of additional slip systems, etc. ) were examined in the frame of LW model. The predicted textures were analyzed and compared quantitatively with experimental data. In Chapter 3 the implementation of the crystallographic deformation model (LW) into Finite Element Method (FEM) is described. The goal was to create a new efficient tool, which allows to simulate deformation processes with complex geometry. The ABAQUS/Explicit software was used for FEM software. The LW model was implemented into FEM via the user subroutine VUMAT. This routine allows to define a mechanical constitutive behaviour of material. The new created model (FEM+LW) was checked using the uniaxial tension test. The resulting crystallographic texture was calculated and compared with experimental data. In Chapter 4 the influence of asymmetric rolling process on microstructure and texture of polycrystalline aluminium and titanium was examined. Experimental procedures, used for a study of resulting material properties, are described in the first part of this chapter. In order to determine crystallographic texture and microstructure evolution in the considered materials the EBSD technique (mainly) and X-Ray diffraction were used. Aluminium samples were rolled to 36% reduction. In the case of titanium two set of sample were examined : low and medium-deformed samples (20% and 40% reductions ) and highdeformed and annealed samples (60%, 70% and 80% reductions). Both materials were symmetrically and asymmetrically rolled, with different degrees of rolling asymmetry. The evolution of textures and microstructural parameters (calculated from EBSD maps), is studied and discussed in the last part of this chapter. Finally, important findings concerning textures, grain and microstructure refinement during asymmetric rolling are presented. An interesting result is that the asymmetric rolling leads to a more intensive microstructure refinement of materials and reduction of the mean grain size in many cases (compared to the symmetrical rolling). This latter effect is particularly pronounced in asymmetrically rolled and recrystallized materials. Finally, in Chapter 5 the asymmetric rolling process was examined using FEM+LW model. This software is a powerful tool, which enables a study of heterogeneous plastic deformation in processes with more complex geometry (asymmetric rolling in our case), taking into account its crystallographic nature. The FEM+LW model was used for the prediction of texture evolution and internal stress distribution in symmetrically and asymmetrically rolled materials, for different degrees of rolling asymmetry. In all the cases the predicted textures were compared with experimental results and, in general, a good agreement was obtained. It was found that asymmetric rolling modifies texture (compared with symmetric rolling) and, moreover, leads to its uniform distribution of the material volume.


  • Résumé

    W otaczajacym nas swiecie współczesnej technologii wzrasta zapotrzebowanie na materiały konstrukcyjne posiadajace okreslone własnosci. Ich projektowanie i wytwarzaniejest jednym z najwazniejszych zadan fizyki ciała stałego i nauki o materiałach. W ostatnich latach obserwuje sie dynamiczny rozwój technik formowania metali, które wpływaja radykalnie na zmiane ich własciwosci fizycznych. Wiele z nich opiera sie na procesach odkształcenia plastycznego badz tez intensywnego odkształcenia plastycznego. Celem postawionym przez autora niniejszej pracy jest zbadanie i zrozumienie mechanizmów deformacji materiałów polikrystalicznych, wystepujacych podczas złozonych odkształcen plastycznych. Proces walcowania asymetrycznego został wybrany jako przykład takiego odkształcenia. Badania przeprowadzone zostały dla dwóch polikrystalicznych materiałów : aluminium 6061 (o sieci krystalicznej regularnej sciennie centrowanej) i tytanu Grade 2 (o sieci heksagonalnej). Wybór tych materiałów nie był przypadkowy, gdyz skupiono uwage na materiałach posiadajacych zastosowania technologiczne i przemysłowe. Aluminium i tytan sa własnie takimi materiałami; wykorzystywane sa one m. In. W przemysle lotniczym,motoryzacyjnym (Al, Ti) oraz w implantologii (Ti). W pracy uzyto dwóch technik eksperymentalnych: dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (EBSD) oraz dyfrakcji rentgenowskiej. Zbadano wpływ asymetrii procesu walcowania na teksture krystalograficzna oraz na mikrostrukture materiałówe. Wyniki pomiarów zostały porównane z wynikami obliczen. Zastosowany w pracy model odkształcenia sprezysto-plastycznego jest uzytecznym narzedziem w badaniu materiałów polikrystalicznych. Modelowanie jest bowiem pierwszym etapem w procesie projektowania nowoczesnych materiałów. Dzieki niemu mozna przewidywac makroskopowe własnosci materiału bazujac na znajomosci parametrów mikrostruktury. W pierwszym rozdziale pracy opisane zostały podstawowe krystalograficzne mechanizmy odkształcenia plastycznego : poslizg oraz blizniakowanie. Zostały równiez opisane: prawo oddziaływania pomiedzy ziarnami a otaczajacym je materiałem oraz prawo umocnienia systemów scinania (poslizgu i blizniakowania). Mechanizmy te zostały właczone do modelu LW odkształcenia materiałów polikrystalicznych (model Leffers'a-Wierzbanowskiego). Model ten pozwala przewidywac makroskopowe własnosci materiału (teksture rystalograficzna, krzywe rozciagania, rozkład naprezen wewnetrznych i własnych, itp. ) w oparciu o parametry mikrostrukturalne (poslizg krystalograficzny, blizniakowanie, prawo umocnienia, poczatkowa tekstura krystalograficzna, poczatkowy stan naprezen własnych, itp. ). W rozdziale 2 został omówiony znany z literatury problem wystepowania dwóch typów tekstur walcowania metali i stopów o sieci regularnej sciennie centrowanej, a mianowicie tekstur typu miedzi i mosiadzu. Przykładowo, miedz i mosiadz posiadaja te sama strukture krystaliczna, jak i te same systemy poslizgu, a jednak w procesie walcowania uzyskuja rózne tekstury. Problem ten jest istotny, gdyz jednym z badanych w niniejszej pracy materiałów jest aluminium, który posiada teksture walcowania typu miedzi. W ramach modelu LW zbadane zostały rózne parametry oraz mechanizmy odkształcenia w aspekcie ewentualnego przejscie miedzy tekstura typu miedzi i mosiadzu (np. Silne lub słabe oddziaływanie ziarna z otoczeniem, dwie definicje obrotu sieci krystalicznej, blizniakowanie mechaniczne, a takze aktywacja dodatkowych systemów poslizgu). Przewidywane tekstury zostały przeanalizowane i porównane ilosciowo z danymi doswiadczalnymi. Zaproponowano proste wyjasnienie powstawania obu typów tekstury w metalach o sieci regularnej sciennie centrowanej. W rozdziale trzecim opisany został sposób połaczenia odelu odkształcenia w skali makro, opartego na metodzie elementów skonczonych (MES), z modelem w skali mikro czyli modelem krystalograficznym (LW). Istota metody elementów skonczonych jest zastapienie analizowanego obiektu trójwymiarowego zbiorem oddzielnych elementów, np. , prostopadłosciennych. Jednym z istotnych ograniczen metody elementów skonczonych jest pominiecie krystalicznej struktury badanych materiałów. W klasycznym podejsciu MES materiał jest traktowany jako jednorodny osrodek ciagły o okreslonych własnosciach. Jednym z celów pracy było stworzenie nowego narzedzia, które pozwoliłoby modelowac procesy o złozonej geometrii, uwzgledniajac przy tym krystaliczna strukture materiałów. Srodowiskiem obliczeniowym opartym na MES i wykorzystanym w pracy jest pakiet obliczeniowy ABAQUS. Jest to zaawansowany program umozliwiajacy rozwiazywanie złozonych problemów inzynierskich. Model LW został zaimplementowany do ABAQUS-a przy pomocy zewnetrznej funkcji uzytkownika VUMAT. Procedura ta pozwala uzytkownikowi wprowadzic własna definicje materiału. Poprawnosc powysszej implementacji (MES+LW) została sprawdzona na podstawie testów rozciagania. Obliczone tekstury krystalograficzne zostały porównane z tekturami zmierzonymi. Przetestowany w ten sposób model (MES+LW) został nastepnie uzyty do modelowania procesów o złozonej geometrii, jak badane w niniejszej pracy walcowanie asymetryczne (sam model krystalograficzny, LW, nie jest wystarczajacym narzedziem do badania procesów o duzej niejednorodnosci odkształcenia). W rozdziale 4 zbadano wpływ walcowania asymetrycznego na zmiany tekstury krystalograficznej oraz mikrostruktury olikrystalicznym aluminium i tytanie. W pierwszej czesci rozdziału zostały przedstawione szczegóły dotyczace samego eksperymentu. Walcowanie asymetryczne przeprowadzono na specjalnej walcarce, której dwa jednakowe walce napedzane sa niezaleznymi silnikami. Asymetria procesu definiowana jest jako stosunek predkosci katowych obu walców. W celu wyjasnienia wpływu asymetrii walcowania na teksture oraz na mikrostrukture materiału uzyto dwóch technik doswiadczalnych: dyfrakcji rentgenowskiej (pomiar tekstury) oraz techniki EBSD. W wyniku pomiarów metoda EBSD otrzymujemy mapy powierzchni, które daja nam jednoczesnie informacje o topografii ziaren jak i ich orientacji krystalograficznej. Próbki aluminiowe zostały zwalcowane do zgniotu 36%. W przypadku tytanu badano dwie grupy próbek: próbki o niskim i srednim odkształceniu (zgniot: 20% i 40% ) oraz próbki silnie odkształcone (zgniot: 60%, 70% i 80%) i nastepnie rekrystalizowane. Na podstawie danych z pomiarów EBSD dla wszystkich próbek zostały wykonane analizy statystyczne. Wyznaczono tekstury oraz parametry charakteryzujace mikrostrukture (np. Srednia wielkosc ziaren) oraz jej rozdrobnienie. Istotnym rezultatem walcowania asymetrycznego jest stwierdzenie wiekszego rozdrobnienia mikrostruktury materiałów oraz, w wielu przypadkach, zmniejszenie sie sredniej wielkosci ziaren (w porównaniu z walcowaniem symetrycznym). Ten ostatni efekt wystepuje szczególnie wyraznie w materiałach walcowanych asymetrycznie i zrekrystalizowanych. W ostatnim rozdziale zostały przedstawione i omówione obliczenia modelowe dla procesu walcowania symetrycznego i asymetrycznego. Wszystkie obliczenia zostały wykonane przy uzyciu modelu (MES+LW), opisanego w rozdziale trzecim. Jest to bardzo uzyteczne narzedzie obliczeniowe, umozliwiajace badanie niejednorodnosci odkształcenia plastycznego w głab próbki z uwzglednieniem polikrystalicznej struktury materiałów. Model ten był uzywany do przewidywania ewolucji tekstury jak i znalezienia rozkładu naprezen wewnetrznych w materiale podczas walcowania symetrycznego i asymetrycznego (dla róznych stopni asymetrii walcowania). We wszystkich przypadkach, przewidywane tekstury zostały porównane z teksturami doswiadczalnymi i stwierdzono dobra zgodnosc. Stwierdzono, ze walcowanie asymetryczne modyfikuje teksture (w porównaniu z walcowaniem symetrycznym) i prowadzi do jej jednorodnego rozkładu w objetosci materiału.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (146 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 139 -142

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris 13 (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis). Bibliothèque universitaire. Section Sciences.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TH 2013 064
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.