Soutenance mémoire
Contexte de l’étude
Les évolutions en cours pour les automobiles entraînent une augmentation de la masse des véhicules. Ces évolutions sont en grande partie dues à l’accroissement du confort et de la sécurité active et passive. Des normes européennes ont été établies pour permettre de diminuer, entre autres, les émissions de CO2 . Les constructeurs automobiles devront respecter les émissions suivantes, en moyenne sur une flotte de véhicules .
Une possibilité pour respecter cette norme consiste à réduire la consommation du véhicule sachant que 100 kg en moins sur la masse totale de celui-ci peut induire une réduction de consommation de 0.3 à 0.6 litre/100km. Une des solutions est donc d’agir sur le poids du véhicule. Des réponses ont déjà été apportées par les constructeurs, citons par exemple :
– Intégration de solutions aciers innovantes à coût nul ou inférieur à 1Euro/kg gagné (acier THLE : Très Haute Limite Elastique)
– Recours ponctuels à des matériaux « légers » pour certaines applications (ailes en matière plastique, capot, liaison au sol) en concédant un surcoût élevé (4 à 6 Euros/kg gagnés)
– Utilisation de l’aluminium, comme par exemple AUDI, ou JAGUAR pour la réalisation de la caisse, respectivement de l’A8 et de la XJR. La poursuite, voire l’extension d’une telle stratégie conduit cependant à des surcoûts inacceptables. Le défi consiste donc à agir sur les différents leviers (matériaux, produit, process) pour optimiser le rapport allégement/coût. Les solutions retenues par les constructeurs intègrent largement les aciers HR/THR (Haute Résistance/ Très Haute Résistance), les flans raboutés ainsi que d’autres solutions acier innovantes. Ces progrès ont été possibles grâce à l’évolution de l’offre des sidérurgistes qui ont accompagné leurs clients dans leur recherche de la performance. Dans l’industrie automobile, un acier doit combiner une bonne aptitude au formage avec de bonnes caractéristiques mécaniques après traitement thermique. Les aciers à haute limite élastique ont une formabilité réduite, ce qui ne permet pas la fabrication à froid de pièces de géométrie complexe. D’un autre côté, les aciers doux qui peuvent être mis en forme à froid présentent une limite élastique trop basse, et donc des caractéristiques mécaniques inadaptées. Une alternative consiste à utiliser des aciers trempables qui peuvent être mis en forme à froid, puis soumis à un traitement thermique pour optimiser les caractéristiques mécaniques finales. Ce procédé peut cependant donner lieu à des distorsions, et la trempe doit donc être faite dans des conditions restrictives. Ces opérations sont coûteuses, et elles peuvent faire monter significativement les prix du produit final. Le procédé d’emboutissage à chaud avec trempe dans l’outil, que nous allons étudier présente l’intérêt de simplifier le processus industriel, car deux opérations (mise en forme et trempe) sont réunies en une seule (mise en forme à chaud et trempe dans les outils). De plus, la géométrie finale de la pièce est améliorée par rapport à la mise en forme à froid car le retour élastique et les distorsions sont minimisés.
ARCELOR – La solution acier
Cette étude a été réalisée en collaboration avec le service de Conception de Solutions Acier Automobile – Liaison Au Sol (CSAAU – LAS), qui fait partie du Centre de Recherches de Produits à Chaud (CRPC) appartenant à SOLLAC MEDITERRANNEE (Groupe Arcelor) situé à Fos sur Mer. L’automobile est un des principaux marchés du groupe Arcelor [1]. Pour ce marché, L’Usibor 1500, une nuance d’acier avec un revêtement spécifique, a été développée. La promotion de ce produit est basée non seulement sur l’offre de l’acier mais aussi du savoir-faire nécessaire pour la mise en forme et l’obtention d’un bénéfice maximal par le constructeur. Le service CSAAU-LAS développe ses compétences dans les techniques de mise en forme de l’acier, la conception de pièces, la simulation numérique et les méthodes d’analyses. Ses appuis techniques sont axés sur le conseil aux clients, l’expertise et amélioration de solutions acier existantes, la recherche et l’étude de nouvelles solutions acier. Dans notre cas, la solution acier consiste à fournir les moyens nécessaires aux constructeurs automobiles de pouvoir vérifier au moment de la conception la faisabilité d’une pièce en Usibor 1500.Compte tenu des délais très court de conception dans le secteur automobile, ceci n’est possible qu’en utilisant la simulation de l’emboutissage à chaud.
Le procédé d’emboutissage à chaud
Contexte
L’emboutissage à chaud est un procédé dédié à une classe de matériaux bien précise, les aciers trempants. Le surcoût inhérent au procédé (utilisation de fours, manipulation de flans à haute température et usure des outils) est parfaitement justifié par les propriétés de la pièce finale, qui combinent légèreté (tôle 1,5mm d’épaisseur), très haute limite élastique et résistance mécanique élevée. Ce procédé est principalement utilisé dans l’automobile pour des pièces de structure du châssis. Quelques applications typiques pour l’automobile sont : les traverses avant / arrière, les renforts de portière et de pied milieu et le bras de roue .
Etapes du procédé
Les différentes étapes du procédé sont :
1) Les flans d’Usibor 1500 ont une épaisseur de 1.5mm et sont revêtus d’un alliage de silicate d’aluminium, d’approximativement 30 µ m d’épaisseur.
2) Dans un premier temps, le flan est porté à 900°C dans un four, et maintenu à cette température pendant 5 à 10 minutes pour austénisation. Porté à cette température, le revêtement aluminé s’allie à la tôle.
3) A ce stade, le flan est convoyé vers la presse où a lieu l’emboutissage.
4) La trempe, qui a lieu dans l’outil, doit être suffisamment rapide (supérieure à 27°C/s), pour obtenir une structure finale martensitique qui conférera à la pièce les propriétés mécaniques recherchées.
La problématique de l’emboutissage à chaud
Apres avoir décrit le procédé et les objectifs généraux du travail, nous allons analyser plus en détail l’emboutissage à chaud. Nous allons ainsi déterminer les différents phénomènes intervenant dans la mise en forme pour ensuite pouvoir les simuler. Notre objectif final en terme de simulation requiert un outil qui soit capable de résoudre un calcul thermomécanique couplé, car le procédé d’emboutissage à chaud comporte une mise en forme où la température est un facteur très important. De plus, nous devons tenir compte du comportement non linéaire du matériau qui est écrouissable et qui dépend de la température et de la vitesse de déformation.
L’emboutissage à chaud est un procédé où le matériau est soumis à une transformation de phase. Cette transformation de phase peut avoir lieu pendant la mise en forme, et il est donc indispensable de tenir compte des interactions entre le comportement du matériau, l’évolution de la température et ce changement de phase. Ces interactions sont les suivantes :
– 1 : génération de chaleur induite par la déformation plastique
– 2 : expansion thermique
– 3a : les propriétés thermiques des matériaux dépendent de l’évolution microstructurale
– 3b : enthalpie de transformation de phase
– 4 : la microstructure en fonction de la température
– 5a : les propriétés mécaniques du matériau en fonction de l’évolution microstructurale
– 5b : changement de volume dû à la transformation de phase
– 5c : plasticité de transformation
– 5d : influence de la déformation sur la transformation de phase
– 6 : la transformation de phase dépend des contraintes et déformations .
L’Usibor 1500
L’Usibor 1500 a été développé afin de répondre aux besoins d’allégement des pièces de structure et de renfort utilisées dans l’automobile. on peut observer le rapport résistance/densité de l’Usibor comparé à d’autres matériaux. Sa très haute limite d’élasticité après traitement thermique le destine donc aux fonctions anti-intrusion du véhicule. Son élaboration et son traitement thermomécanique lors du laminage à chaud lui confèrent une excellente trempabilité ainsi qu’une bonne homogénéité structurale, propice à un bon comportement sous sollicitation mécanique [1].
Effet des éléments d’alliage
Par rapport aux aciers non alliés, les éléments d’alliage vont permettre d’obtenir différentes microstructures en faisant varier la composition et le traitement thermo-mécanique. L’addition d’éléments comme le Nb, Ti, V, Mo, B ou Al seuls ou combinées, est utilisée pour faciliter la stabilité de l’austénite ainsi que pour influencer la cinétique de transformation de phase [2].
Les ajouts de Mn, Cr et B, permettent d’avoir une bonne trempabilité. Le Bore permet de déplacer le domaine ferritique vers les faibles vitesses de refroidissement et assure ainsi une bonne trempabilité. Le titane est ajouté pour éviter la formation de nitrate de bore, puisque le titane a une plus grande affinité par l’azote que le bore. De cette façon, l’effet durcissent du bore est préservé [3]. Le Cr, Ti forment des précipités durcissants car ils sont une forte affinité pour le carbone et l’azote. Ces composés sont appelés carbures et nitrures alliés. La solubilité de ces carbures alliés est quasi nulle lorsque la température est inférieure à 700°C.
Caractérisation de la microstructure en fonction du chemin thermique
Une étude de l’évolution de la microstructure et du revêtement a été menée au CEMEF. Les essais ont été réalisés pour deux conditions de refroidissement, à l’air et trempe à l’eau. Les échantillons de tôle en Usibor 1500 revêtue, d’une géométrie de 50 x 50mm et 1.2mm d’épaisseur, ont été portés préalablement à 900°C pendant 5 min pour l’austénitisation. Les microstructures étudiées sont comparées à celle de l’état initial, c’est à dire sans traitement thermique. Une fois les essais réalisés, les échantillons polis sont attaqués pendant 10 secondes au Nital 2% (acide nitrique et éthanol) et observés au microscope optique. Des essais de microdureté ont été faits; ces essais permettent la mesure de la résistance du matériau à la pénétration. Une série de facteurs doivent être pris en compte dans ce type d’essais, dont les principaux sont : les déformations élastiques et plastiques, le frottement, la géométrie du pénétrateur qui dans notre cas sera une pyramide, ses propriétés mécaniques et la charge qu’on applique.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 : Objectif et contexte industriel
1.1 Contexte de l’étude
1.2 ARCELOR – La solution acier
1.3 Objectif général de l’étude
1.4 Le procédé d’emboutissage à chaud
1.4.1 Contexte
1.4.2 Etapes du procédé
1.5 La problématique de l’emboutissage à chaud
1.6 Plan de l’étude
1.7 Références bibliographiques
Chapitre 2 : L’Usibor 1500
2.1 Introduction
2.2 Effet des éléments d’alliage
2.3 Caractéristiques mécaniques à froid
2.4 Caractéristiques mécaniques à chaud
2.5 Caractéristiques mécaniques à froid
2.6 Caractérisation de la microstructure en fonction du chemin thermique
2.6.1 Introduction
2.6.2 Microstructure et revêtement initial
2.6.3 Microstructure et revêtement après refroidissement à l’air de la tôle
2.6.4 Microstructure et revêtement pour une tôle trempée à l’eau
2.6.5 Mesures de microdureté
2.7 Références bibliographiques
Chapitre 3 : Influence de la thermique sur le procédé d’emboutissage à chaud
3.1 Introduction
3.2 Définition de la résistance thermique de contact (RTC)
3.3 Démarches suivies pour l’estimation de la résistance thermique de contact
3.3.1 Mesure de la température
3.3.2 Influence des paramètres sur le coefficient de transfert thermique
3.3.3 Estimation du coefficient de transfert thermique
3.3.4 Synthèse et stratégie pour notre application
3.4 Estimation du coefficient de transfert thermique fonte – Usibor 1500
3.4.1 Dispositif de mesure de la température
3.4.2 Campagnes d’essais
3.4.3 Identification du coefficient de transfert thermique
3.5 Conclusions
3.6 Références bibliographiques
Chapitre 4 : La rhéologie de l’Usibor 1500
4.1 Introduction
4.2 Conditions de mise en forme
4.3 Rhéologie des aciers au manganèse à chaud
4.3.1 Introduction
4.3.2 Comportement mécanique de l’austénite stable
4.3.3 Comportement mécanique biphasé
4.3.4 Comportement mécanique en phase austénitique non recristallisée
4.3.5 Conclusion
4.4 Choix de la loi de comportement
4.5 Essais de traction à chaud
4.5.1 Introduction : principes de l’essai de traction
4.5.2 Description des essais
4.5.3 Identification de la loi de comportement
4.6 Essais de torsion à chaud
4.6.1 Introduction : principe de l’essai de torsion
4.6.2 Mise au point de la machine de torsion TOTEM (TOrsion TEst for Metallurgy)
4.6.3 Analyse mécanique des essais
4.6.4 Description des essais
4.6.5 Identification de la loi rhéologique
4.7 Bilan sur la rhéologie de l’Usibor 1500 en austénitique instable
4.8 Essais d’emboutissage hémisphériques à chaud
4.8.1 Introduction
4.8.2 Le dispositif expérimental
4.8.3 Validation des paramètres rhéologiques et thermiques
4.9 Optimisation du calcul: variation du coefficient de transfert thermique avec la pression
4.9.1 Introduction
4.9.2 Evolution du coefficient de transfert thermique avec la pression
4.9.3 Résultats
4.10 Conclusions
4.11 Bibliographie
Chapitre 5 : Essais semi-industriels d’emboutissage à chaud d’un pied milieu
5.1 Introduction
5.2 Etude préalable à la campagne d’essais
5.2.1 Dispositif de mesure de température
5.2.2 Emplacement des thermocouples dans les outils
5.2.3 Plan d’essais
5.3 Description du dispositif expérimental
5.3.1 Le four
5.3.2 Les outils de formage
5.4 Essais d’emboutissage
5.4.1 Essais à froid
5.4.2 Essais préliminaires à chaud
5.4.3 Essais d’emboutissage à chaud du pied milieu
5.5 Analyse des résultats
5.5.1 Flans posés à plat sur serre- flan
5.5.2 Essais réalisés sur la partie omega
5.5.3 Essais sur la pièce complète
5.6 Récapitulatif des résultats
5.7 Références bibliographiques
Chapitre 6 : Modélisation de l’emboutissage à chaud avec les codes de calcul Forge 3 et Abaqus/Explicit
6.1 Introduction
6.2 Choix des codes de calcul pour la simulation du procédé d’emboutissage à chaud
6.3 Généralités sur la méthode d’éléments finis
6.4 Formulation du problème mécanique dans le code Forge
6.4.1 Introduction
6.4.2 Equations d’équilibre
6.4.3 Loi de comportement
6.4.4 Conditions initiales et aux limites
6.4.5 Problème continu fort
6.4.6 Formulation intégrale du problème
6.4.7 Méthode des éléments finis
6.5 Formulation du problème mécanique dans Abaqus/ Explicit
6.5.1 Introduction
6.5.2 Equations d’équilibre et formulation intégrale du problème
6.5.3 Loi de comportement
6.5.4 Conditions initiales et conditions aux limites
6.5.5 Méthode des éléments finis
6.6 Formulation du problème thermique en Forge
6.6.1 Introduction
6.6.2 L’équation de la chaleur
6.6.3 Conditions initiales et aux limites
6.6.4 Formulation intégrale
6.6.5 Discrétisation par la méthode d’éléments finis
6.6.6 Couplage thermo-mécanique
6.7 Résolution du problème thermique dans Abaqus/Explicit
6.7.1 Introduction
6.7.2 Equation de la chaleur; formulation intégrale du problème
6.7.3 Conditions initiales et aux limites
6.7.4 Méthode des éléments finis
6.7.5 Couplage thermo-mécanique
6.7.6 Stabilité
6.8 Applications des codes implicites et explicites à l’emboutissage
6.8.1 Introduction
6.8.2 Emboutissage à chaud d’un acier trempable
6.8.3 Emboutissage à tiède d’une tôle en aluminium
6.8.4 Simulation de la mise en forme anisotherme de produits minces
6.9 Bilan des avantages et inconvénients des méthodes implicites et explicites
6.9.1 Méthode explicite
6.9.2 Méthodes implicites
6.10 Références bibliographiques
CONCLUSION
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