Impact des effets thermiques sur le comportement du matériau lors de la mise en forme des aciers à l'état semi-solide : analyses expérimentale et numérique

par Pierre Cézard

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Marcel Berveiller.

Soutenue en 2006

à Paris, ENSAM , en partenariat avec Conservatoire national des arts et métiers. Centre d'enseignement (FranceMetz) (autre partenaire) .

mots clés

• Acier
• Solides -- Propriétés thermiques

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche sur la mise en forme des aciers à l'état semi-solide, lancé en 1998 à l'ENSAM de Metz en partenariat avec ASCOMETAL CREAS. Ces travaux ont pour objectifs de caractériser, modéliser, et simuler le comportement des aciers à l'état semi-solide. Dans cette optique, des essais expérimentaux ont été menés au cours de cette thèse pour analyser l'influence de certains paramètres sur le comportement. Trois essais rhéologiques ont été utilisés : la compression, le filage direct et le filage radial. L'influence primordiale des effets thermiques est présentée. Couplés avec des simulations numériques, ces résultats expérimentaux sont analysés pour comprendre l'influence des échanges thermiques sur la microstructure, plus particulièrement sur la fraction de liquide, et l'impact sur le comportement global du lopin à l'état semisolide. Cette analyse porte sur la mise en forme du lopin, mais également sur le transfert du lopin du système de chauffage à l'outillage actif. Par ailleurs, l'influence de la vitesse de déformation, et celle de la nuance de l'acier, sont également étudiées. En s'appuyant sur ces résultats, la modélisation micro-macro du comportement des semi-solides à l'état stationnaire, proposée par le LPMM durant la thèse de Rouff, a été développée. La principale variable interne a été modifiée pour prendre en compte les effets thermiques et le caractère progressif (et non plus instantanée) de l'évolution de la microstructure. Ce modèle a finalement été implanté dans le code d'éléments finis Forge2© et les premiers résultats prédictifs en simulation sont présentés. Cette thèse propose par ailleurs un certain nombre de perspectives, tant pour la recherche universitaire que pour l'industrialisation du procédé de thixoforgeage.

Titre traduit

Impact of thermal effects on material behaviour during forming of steel in semi-solid state : experimental and numerical analysis

Résumé

This thesis takes place in a research project on semi-solid forming of steel, begins in 1998 at ENSAM of Metz with the industrial partner ASCOMETAL CREAS. The aims of these works are to characterise, model, and simulate the semi-solid steel behaviour. During this thesis, several experiments were performed to analyse the influence of some parameters on the behaviour. Three rheological tests were used: compression test, axial filling and radial filling. Thermal effects are first order parameters. These experimental results, coupling with numerical simulations, are analysed to understand the influence of thermal exchanges on the microstructure, particularly on the liquid fraction, and the impact on the global behaviour of the semi-solid slug. This analyse focused on the forming phase but the slug transfer from the heating device to active tools is also took into account. Moreover, the influence of strain rate and steel grade are also studied. With these results, the micromacro modelling of semi-solid materials behaviour in steady-state, purposed by the LPMM during Rouff thesis, is developed. The principal internal variable was modified to introduce the thermal effects and considered a continuous evolution of microstructure instead of an instantaneous one. This model was finally implemented in the finite element software Forge2©, and the first predictive simulations are presented. In addition, this thesis proposes many perspectives, for university research or steel thixoforging industrialisation.