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ECOLE DES MINES DE PARIS Collège doctoral N° attribué par la bibliothèque |__|_

ECOLE DES MINES DE PARIS Collège doctoral N° attribué par la bibliothèque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| T H E S E pour obtenir le grade de Docteur de l’Ecole des Mines de Paris Spécialité «Sciences et Génie des Matériaux» Présentée et soutenue publiquement par Lucia Garcia Aranda le 26 janvier 2004 à Sophia-Antipolis Etude thermo-mécanique et modélisation numérique de l’emboutissage à chaud de l’Usibor 1500 Jury M. Jean-Claude Gélin Rapporteur M. Jose Antonio Pero-Sanz Elorz Rapporteur M. Maciej Pietrzyk Examinateur M. Tommaso Dal Negro Examinateur M. Pascal Ravier Examinateur M. Yvan Chastel Examinateur tel-00443614, version 1 - 31 Dec 2009 A Mª Je A Javi tel-00443614, version 1 - 31 Dec 2009 Remerciements Je voudrais tout d’abord remercier Jean-Loup Chenot pour m’avoir permis de réaliser une thèse au CEMEF, et Patrick Coels pour sa confiance et sa gentillesse à mon égard. Je voudrais remercier tout particulièrement Yvan Chastel, mon directeur de thèse, pour son aide à tout moment, ses nombreuses bonnes idées, sa bonne humeur de tous les jours et la confiance qu’il m’a accordée pour réaliser ce travail, grand merci Oooohhh !! Calicatre Sapientissimo. Je remercie les membres du jury, Jean-Claude Gelin, Jose Antonio Pero-Sanz Elorz, Maciej Pietrzyk, Tommaso Dal Negro et Pascal Ravier, d’avoir accepté de juger mon travail et d’y avoir apporté leurs suggestions et remarques. Je remercie Gilbert Serena responsable du CRPC (Sollac Fos-sur-mer) pour l’intérêt porté à ce travail, et également je tiens à remercier Juan Fernandez et Pascal Ravier pour leurs conseils, et leur aide du côté de l’industrie. Je remercie également Jean Marc Ranson et Michel Tosi pour leur précieuse aide au moment des essais et leur bonne humeur, cela a été un grand plaisir de travailler avec vous tous!! Je tiens tout particulièrement à remercier Gilbert Fiorucci pour sa patience, sa bonne humeur, et ses idées sans lesquelles les nombreux essais n’auraient pas pu être réalisés, merci McGil!! Je remercie aussi Suzanne Jacomet pour sa grande efficacité et disponibilité à tout moment. Merci beaucoup à Alain Le Floch et Francis Fournier pour leur aide du côté bureau d’étude. Et un grand merci à Eric Brotons et Marc Bouyssou pour la réalisation des pièces, mêmes si les éprouvettes n’étaient pas faciles à faire!! J’aimerais remercier Elisabeth Massoni, Katia Mocellin, Romain Forestier et tous les membres du groupe Forge 3 Slim, pour leur grande aide avec la simulation. On peut le dire, maintenant et grâce à vous ça converge!!! Merci aussi à Jérôme Bikard et Josué Barboza pour leur aide avec les éléments finis et la parallélisation de Forge 3… pas toujours facile… Je remercie aussi Manu, Valery, Carole et tout le groupe EII pour leur grande aide avec l’informatique. Un gros merci à Marie Françoise Sylvie et Geneviève pour leur gentillesse et leur grand aide. Grand merci à tous ceux qui ont fait que mes quatre ans au CEMEF ont été pleines des bonnes choses !!!. Merci Olguita pour ta gentillesse et ton amitié, Jojo pour toutes tes blagues ! (Jean-Paul te remercie un peu moins), Elise pour ta bonne humeur, Eric et Hakim !!, Alex, JC, Luisa et Hughes, Jérôme et Nathalie, Shadok. Merci, merci Tom pour être toujours là !!! et tout les autres personnes que j’oublie maintenant mais que je remercie quand même ! Je voudrais remercier spécialement Vincent, Vince, Wyns, Nalewajkman, Vinçouille… (tous la même personne), pour son aide à tout moment, sa générosité, sa grande patience et ses bons conseils pour la résolution des problèmes tant expérimentaux qu’en simulation, merci Vince (Président fondateur du «vieilles m….. mouvement») pour tous ces bons moments!. And last but not least… Mil gracias a mis padres, a Maria Jesus y a Javier por estar a mi lado en todo momento, por su paciencia y su comprension y porque gracias al cariño que nos une a los cinco hoy termino mi tesis !! tel-00443614, version 1 - 31 Dec 2009 Sommaire Sommaire Chapitre 1 : Objectif et contexte industriel 1.1 Contexte de l’étude ...........................................................................................................................2 1.2 ARCELOR – La solution acier ........................................................................................................3 1.3 Objectif général de l’étude ...............................................................................................................4 1.4 Le procédé d'emboutissage à chaud ................................................................................................4 1.4.1 Contexte ........................................................................................................................................................ 4 1.4.2 Etapes du procédé.......................................................................................................................................... 4 1.5 La problématique de l'emboutissage à chaud .................................................................................6 1.6 Plan de l'étude ..................................................................................................................................7 1.7 Références bibliographiques............................................................................................................8 Chapitre 2 : L’Usibor 1500 2.1 Introduction................................................................................................................................... 10 2.2 Effet des éléments d’alliage........................................................................................................... 10 2.3 Caractéristiques mécaniques à froid............................................................................................. 11 2.4 Caractéristiques mécaniques à chaud .......................................................................................... 11 2.5 Caractéristiques mécaniques à froid............................................................................................. 12 2.6 Caractérisation de la microstructure en fonction du chemin thermique .................................... 12 2.6.1 Introduction................................................................................................................................................. 12 2.6.2 Microstructure et revêtement initial ............................................................................................................ 13 2.6.3 Microstructure et revêtement après refroidissement à l’air de la tôle.......................................................... 13 2.6.4 Microstructure et revêtement pour une tôle trempée à l’eau........................................................................ 14 2.6.5 Mesures de microdureté .............................................................................................................................. 14 2.7 Références bibliographiques......................................................................................................... 15 tel-00443614, version 1 - 31 Dec 2009 Sommaire Chapitre 3 : Influence de la thermique sur le procédé d’emboutissage à chaud 3.1 Introduction................................................................................................................................... 17 3.2 Définition de la résistance thermique de contact (RTC).............................................................. 18 3.3 Démarches suivies pour l’estimation de la résistance thermique de contact .............................. 20 3.3.1 Mesure de la température ........................................................................................................................... 22 3.3.2 Influence des paramètres sur le coefficient de transfert thermique.............................................................. 23 3.3.3 Estimation du coefficient de transfert thermique........................................................................................ 27 3.3.4 Synthèse et stratégie pour notre application ................................................................................................ 29 3.4 Estimation du coefficient de transfert thermique fonte - Usibor 1500........................................ 30 3.4.1 Dispositif de mesure de la température ....................................................................................................... 30 3.4.2 Campagnes d’essais..................................................................................................................................... 31 3.4.3 Identification du coefficient de transfert thermique..................................................................................... 32 3.5 Conclusions ................................................................................................................................... 36 3.6 Références bibliographiques......................................................................................................... 38 Chapitre 4 : La rhéologie de l’Usibor 1500 4.1 Introduction................................................................................................................................... 41 4.2 Conditions de mise en forme......................................................................................................... 42 4.3 Rhéologie des aciers au manganèse à chaud ............................................................................... 43 4.3.1 Introduction................................................................................................................................................. 43 4.3.2 Comportement mécanique de l’austénite stable .......................................................................................... 43 4.3.3 Comportement mécanique biphasé.............................................................................................................. 47 4.3.4 Comportement mécanique en phase austénitique non recristallisée ............................................................ 48 4.3.5 Conclusion .................................................................................................................................................. 51 4.4 Choix de la loi de comportement................................................................................................... 51 4.5 Essais de traction à chaud............................................................................................................. 53 4.5.1 Introduction : principes de l’essai de traction.............................................................................................. 53 4.5.2 Description des essais.................................................................................................................................. 54 4.5.3 Identification de la loi de comportement..................................................................................................... 56 4.6 Essais de torsion à chaud.............................................................................................................. 57 4.6.1 Introduction : principe de l’essai de torsion ................................................................................................ 57 4.6.2 Mise au point de la machine de torsion TOTEM (TOrsion TEst for Metallurgy) ....................................... 58 4.6.3 Analyse mécanique des essais..................................................................................................................... 64 4.6.4 Description des essais.................................................................................................................................. 65 4.6.5 Identification de la loi rhéologique.............................................................................................................. 65 4.7 Bilan sur la rhéologie de l’Usibor 1500 en austénitique instable................................................ 67 4.8 Essais d’emboutissage hémisphériques à chaud.......................................................................... 68 4.8.1 Introduction................................................................................................................................................. 68 4.8.2 Le dispositif expérimental........................................................................................................................... 69 4.8.3 Validation des paramètres rhéologiques et thermiques................................................................................ 70 4.9 Optimisation du calcul: variation du coefficient de transfert thermique avec la pression......... 74 4.9.1 Introduction................................................................................................................................................. 74 4.9.2 Evolution du coefficient de transfert thermique avec la pression................................................................ 75 4.9.3 Résultats...................................................................................................................................................... 76 4.10 Conclusions ................................................................................................................................. 79 4.11 Bibliographie............................................................................................................................... 80 tel-00443614, version 1 - 31 Dec 2009 Sommaire Chapitre 5 : Essais semi-industriels d’emboutissage à chaud d'un pied milieu 5.1 Introduction................................................................................................................................... 83 5.2 Etude préalable à la campagne d'essais ....................................................................................... 84 5.2.1 Dispositif de mesure de température ........................................................................................................... 84 5.2.2 Emplacement des thermocouples dans les outils......................................................................................... 86 5.2.3 Plan d'essais................................................................................................................................................. 88 5.3 Description du dispositif expérimental ......................................................................................... 89 5.3.1 Le four......................................................................................................................................................... 89 5.3.2 Les outils de formage................................................................................................................................... 89 5.4 Essais d'emboutissage ................................................................................................................... 91 5.4.1 Essais à froid ............................................................................................................................................... 91 5.4.2 Essais préliminaires à chaud........................................................................................................................ 91 5.4.3 Essais d'emboutissage à chaud du pied milieu ............................................................................................ 92 5.5 Analyse des résultats...................................................................................................................... 93 5.5.1 Flans posés à plat sur serre- flan.................................................................................................................. 93 5.5.2 Essais réalisés sur la partie omega............................................................................................................... 94 5.5.3 Essais sur la pièce complète ........................................................................................................................ 97 5.6 Récapitulatif des résultats ........................................................................................................... 104 5.7 Références bibliographiques....................................................................................................... 106 Chapitre 6 : Modélisation de l’emboutissage à chaud avec les codes de calcul Forge 3 et Abaqus/Explicit 6.1 Introduction................................................................................................................................. 109 6.2 Choix des codes de calcul pour la simulation du procédé d'emboutissage à chaud................. 109 6.3 Généralités sur la méthode d'éléments finis............................................................................... 110 6.4 Formulation du problème mécanique dans le code Forge ........................................................ 111 6.4.1 Introduction............................................................................................................................................... 111 6.4.2 Equations d'équilibre................................................................................................................................. 111 6.4.3 Loi de comportement ................................................................................................................................ 112 6.4.4 Conditions initiales et aux limites ............................................................................................................. 114 6.4.5 Problème continu fort................................................................................................................................ 115 6.4.6 Formulation intégrale du problème ........................................................................................................... 115 6.4.7 Méthode des éléments finis ....................................................................................................................... 116 6.5 Formulation du problème mécanique dans Abaqus/ Explicit ................................................... 118 6.5.1 Introduction............................................................................................................................................... 118 6.5.2 Equations d'équilibre et formulation intégrale du problème...................................................................... 119 6.5.3 Loi de comportement ................................................................................................................................ 119 6.5.4 Conditions initiales et conditions aux limites............................................................................................ 120 6.5.5 Méthode des éléments finis ....................................................................................................................... 120 6.6 Formulation du problème thermique en Forge.......................................................................... 123 6.6.1 Introduction............................................................................................................................................... 123 6.6.2 L’équation de la chaleur............................................................................................................................ 124 6.6.3 Conditions initiales et aux limites ............................................................................................................. 124 tel-00443614, version 1 - 31 Dec 2009 Sommaire 6.6.4 Formulation intégrale ................................................................................................................................ 125 6.6.5 Discrétisation par la méthode d'éléments finis .......................................................................................... 126 6.6.6 Couplage thermo-mécanique..................................................................................................................... 130 6.7 Résolution du problème thermique dans Abaqus/Explicit......................................................... 131 6.7.1 Introduction............................................................................................................................................... 131 6.7.2 Equation de la chaleur; formulation intégrale du problème....................................................................... 131 6.7.3 Conditions initiales et aux limites ............................................................................................................. 131 6.7.4 Méthode des éléments finis ....................................................................................................................... 131 6.7.5 Couplage thermo-mécanique..................................................................................................................... 133 6.7.6 Stabilité ..................................................................................................................................................... 133 uploads/Geographie/ these-garcia-aranda.pdf