Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les procédés de mise en forme à froid, laminage, tréfilage, frappe à froid ou usinage des métaux, se sont considérablement développés, notamment à de grandes vitesses de déformation. L’étude des procédés de formage suppose la connaissance de la relation contrainte-déformation du matériau. Or, cette relation varie avec la vitesse de déformation, plaçant alors le matériau dans des conditions de déformation extrêmes. Afin d’identifier les coefficients d’une loi de comportement, cet article présente une approche de simulation numérique et le choix d’un test de compression dynamique qui semble répondre correctement à ce besoin.
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Cold-forming processes, rolling, wire drawing, cold heading or machining of metals have developed considerably, in particular at high deformation speeds. Studying forming processes requires knowledge of a material’s stress/deformation relation. However, this relation varies with the speed of deformation, when a material can undergo extreme deformation conditions. To find the coefficients of a behaviour law, this article presents an approach by numerical simulation and the choice of a dynamic compression test that seems to meet this need satisfactorily.
Auteur(s)
-
Marc MANTEL : Docteur en métallurgie, Responsable du Département Mise en forme des aciers au Centre de Recherches d’Ugitech
-
Christophe VACHEY : Département Mise en forme des aciers du Centre de Recherches d’Ugitech
INTRODUCTION
La mise en œuvre à froid des métaux connaît des développements importants et l’utilisation de grandes vitesses de déformation s’est considérablement développée pour obtenir à la fois de nouvelles possibilités de formage et aussi des gains de productivité. Le formage dit à grande vitesse impose au matériau des vitesses de déformation que l’on peut situer entre 50 s –1 et 10 4 s –1 comme par exemple dans le laminage, le tréfilage, la frappe à froid ou l’usinage des métaux.
Le problème posé au technicien lors de la mise au point d’une gamme industrielle est d’optimiser le couple matériau-process pour obtenir le résultat au meilleur coût. Pour réussir une telle démarche, les difficultés à résoudre sont la maîtrise de l’écoulement du matériau lors de la déformation, la faisabilité du procédé et l’obtention des propriétés d’usage requises pour la pièce formée. La simulation numérique du process de fabrication est donc un moyen pour étudier la faisabilité et optimiser une gamme sans supporter le coût des opérations réelles. Or, si la méthode de résolution en elle-même est aujourd’hui bien maîtrisée, il n’en est pas de même des modèles physiques nécessaires à la description du comportement du matériau. La complexité des phénomènes mis en jeu lors des procédés de formage à grande vitesse place le matériau dans des conditions de déformations, vitesses de déformation, d’échauffement extrêmes. Il est donc essentiel d’obtenir une loi de comportement valide sur l’ensemble du domaine balayé par l’opération de formage.
Un moyen de caractériser le comportement d’un matériau à grande vitesse consiste à effectuer des essais de compression sous une masse tombante instrumentée. On peut ainsi étudier la rhéologie d’un matériau et déterminer les coefficients d’une loi de comportement en vue d’une simulation numérique. L’idée retenue est aussi de répondre aux contraintes du milieu industriel, c’est-à-dire, identifier une rhéologie dans un temps court avec un minimum d’essais et au moindre coût. Nous montrons aussi que la phase de simulation n’est pas forcément postérieure à la phase d’identification des coefficients. L’utilisation de la simulation numérique est en effet nécessaire pour connaître le poids respectif des différents coefficients de la loi de comportement afin d’optimiser leurs valeurs. Enfin, le choix d’un critère d’endommagement permet de préciser la sévérité d’une opération de formage.
Pour la connaissance des paramètres de frottement, le lecteur se reportera au dossier Formage à grande vitesse- Lubrification et frottement qui constitue la suite de ce document.
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MOTS-CLÉS
endommagement essais mécaniques simulation numérique essai de compression dynamique mise en forme à froid des métaux vitesse de déformation
KEYWORDS
damage | mechanical tests | numerical simulation | dynamical compression test | metal cold forming processes | strain rate
VERSIONS
- Version courante de juin 2017 par Marc MANTEL, Christophe VACHEY
DOI (Digital Object Identifier)
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Simulation numérique et détermination d’une loi de comportement1. Formage à grande vitesse des matériaux métalliques
1.1 Formage à grande vitesse
La plupart des objets métalliques ont subi une ou plusieurs opérations de mise en forme avant leur utilisation. Cette mise en forme s’opère par déformation plastique du métal à l’état solide. Rappelons que la plasticité d’un matériau correspond à son aptitude à présenter une déformation permanente laissant invariant son volume après application d’un état de contraintes vérifiant le critère de plasticité dont la valeur critique est définie par la contrainte d’écoulement σ 0 . Le formage des métaux peut se faire avec ou sans enlèvement de matière, à chaud ou à froid. Compte tenu de son intérêt considérable sur le plan économique, la mise en œuvre à froid connaît des développements importants et l’utilisation de grandes vitesses de déformation s’est considérablement développée pour obtenir des gains de productivité.
On peut distinguer deux aspects principaux lors de la sollicitation des métaux aux grandes vitesses de déformation. Le premier est la dépendance de la relation entre la contrainte et la déformation avec la vitesse de déformation. Ceci est un phénomène bien connu dans les matériaux, et les aciers à bas carbone sont un exemple dans lequel un simple essai de traction met en évidence leurs grandes sensibilités à la vitesse de déformation. Le second aspect lié aux grandes déformations concerne la propagation des ondes de choc. Ces ondes de choc deviennent significatives lorsque les forces d’inertie du matériau sont du même ordre de grandeur que les forces internes de cohésion qui tendent à résister à la déformation . Le formage par explosion...
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Formage à grande vitesse des matériaux métalliques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FELDER (E.) - Approches scientifiques des procédés de mise en forme des métaux. - École des Mines de Paris, CEMEF – Sophia Antipolis ; Cycle de cours. Tome 1 : Présentation générale des procédés de mise en forme des métaux, nov. 1999.
-
(2) - SWEMON (P.G.), ZACKAV (V.F.) - Response of metals to high velocity deformation. - Metallurgical Society Conferences, vol. 9, Estes Park, Colorado, 11-12 juil. 1960.
-
(3) - CHASTEL (Y.) - Approches scientifiques des procédés de mise en forme des métaux. - École des Mines de Paris, CEMEF – Sophia Antipolis ; Cycle de cours, Tome 1 : Rhéologie des métaux et essais rhéologiques, nov. 1999.
-
(4) - MONTMITONNET (P.) - Approches scientifiques des procédés de mise en forme des métaux. - École des Mines de Paris, CEMEF – Sophia Antipolis ; Cycle de cours, Tome 3 : Le laminage, aspects mécaniques, nov. 1999.
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(5) - * - Ferrous wire, Volume 1. Published by The wire association International,...
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