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RÉSUMÉ
La mise en forme à l’état solide des matériaux métalliques repose sur leur capacité à subir de grandes déformations irréversibles, dites « plastiques », à partir d’un certain niveau de contraintes. Cette capacité n’est limitée que par les phénomènes d’« endommagement » et de « rupture ». L’objectif de cet article est donc de présenter le jeu d’équations décrivant le champ de vitesses v et de contraintes ?, lors de l’écoulement plastique des matériaux métalliques dans les divers procédés du type laminage, forgeage, tréfilage, étirage, emboutissage, usinage...
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Eric FELDER : Ingénieur civil des Mines de Paris, Docteur ès Sciences - Maître de recherches au Centre de mise en forme des matériaux (CEMEF) - École des Mines de Paris, CNRS de Sophia-Antipolis
INTRODUCTION
La mise en forme à l’état solide des matériaux métalliques repose sur leur capacité à subir de grandes déformations irréversibles, dites « plastiques », à partir d’un certain niveau de contraintes . Cette capacité n’est limitée que par les phénomènes d’« endommagement » et de « rupture » .
L’objectif de cet article est donc de présenter le jeu d’équations décrivant le champ de vitesses v et de contraintes σ , lors de l’écoulement plastique des matériaux métalliques dans les divers procédés du type laminage, forgeage, tréfilage, étirage, emboutissage, usinage…
La théorie de la plasticité permet en effet d’analyser le comportement du métal à trois échelles :
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à l’échelle globale du procédé :
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évaluation des forces et énergie nécessaires,
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étude de la morphologie de l’écoulement et de l’évolution géométrique de la pièce,
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évaluation des limites du procédé (réductions maximales possibles),
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évaluation de la forme des surfaces libres et des risques de défauts (bords en « os de chien » en laminage de tôles épaisses, défauts de remplissage de gravures profondes ou de replis en forgeage à chaud…) ;
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à l’échelle locale de l’élément de matière supposé continu et homogène :
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évaluation des champs de contrainte et de déformation (voire de température) qui conditionnent la qualité du produit final : microstructure, propriétés mécaniques, contraintes résiduelles, endommagement (fissures),
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évaluation des risques d’apparition d’hétérogénéités très localisées par localisation de l’écoulement (bandes de cisaillement) ou par apparition d’instabilités mécaniques initiant la rupture ;
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à l’échelle microscopique :
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compréhension de l’évolution des éléments de la microstructure : inclusions et porosités internes,
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modélisation de l’évolution de la rugosité du métal conditionnant l’aspect esthétique de la pièce et l’intensité du frottement et de l’usure de l’outil.
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De plus, afin de bien comprendre ses capacités au niveau de l’analyse et de l’interprétation des essais mécaniques « complexes », le lecteur pourra se rapporter aux dossiers suivants :
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essais de dureté [M 4 154] à [M 4 157] et de compression [BM 7 531] utilisés pour identifier la rhéologie du métal et son frottement sur les outils ;
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2. Comportement uniaxial homogène
2.1 Essai de traction
L’essai de traction est couramment utilisé pour caractériser le comportement mécanique des métaux. Il se pratique usuellement soit sur des éprouvettes asymétriques (figure 2 a ), soit sur des éprouvettes plates découpées dans des tôles (§ 3.1 du dossier [17]).
Il consiste à mesurer la force F nécessaire pour augmenter la longueur L de la partie de l’éprouvette de section initialement constante. En pratique, le plus souvent, on mesure l’évolution de la force en imposant une vitesse de déplacement à la traverse de la machine de traction. Il en résulte une vitesse de déformation de la partie utile de l’éprouvette (Oz étant la direction de traction) :
Nous considérons ici le cas d’un alliage métallique déformé très en dessous de sa température de solidus T F , et homogène (propriétés indépendantes du point considéré dans le matériau, ce qui nécessite, entre autre, une petite taille de grain et une composition chimique homogène à l’échelle de l’éprouvette).
Considérons une éprouvette axisymétrique dont la partie utile a un rayon initial R 0 (aire de la section
) et une longueur initiale L 0 (figure 2 a ). La déformation de la partie utile de l’éprouvette est uniforme tant que la force croît (F /S 0 < R m résistance du matériau, en deçà...
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