Soutenance mémoire
Formage électrohydraulique (EHF)
Pour le formage électrohydraulique, la décharge électrique est réalisée entre deux électrodes plongées dans l’eau, dans un contenant appelé chambre de décharge. A condition que le champ électrique généré dans l’eau soit suffisamment intense, un claquage (ou rupture diélectrique) est obtenu. Celui-ci crée un canal de plasma conducteur entre les deux électrodes, permettant ainsi la fermeture du circuit électrique. L’amorçage de l’arc peut être facilité par vaporisation d’un fil métallique tendu entre les électrodes. Par la suite, l’échauffement par effet Joule du plasma et de l’eau avoisinante entraîne une vaporisation très rapide, capable de générer une onde de pression très intense dans l’eau, pouvant évoluer en un front de choc. La propagation de cette onde de pression dans la chambre de décharge, ses réflexions contre les parois et ses combinaisons successives sont utilisées pour déformer la pièce dans une matrice. En un sens, le formage électrohydraulique est relativement proche du formage par explosif, connu auparavant. Par rapport au magnétoformage, le formage électrohydraulique s’applique davantage au formage de pièces de grandes dimensions ou, à l’inverse à de petites dimensions (relativement au magnétoformage), et à des matériaux non nécessairement bons conducteurs de l’électricité.
Développement des procédés HPP
Les principes physiques des hautes puissances pulsées sont bien connus depuis le XIXème siècle. Cependant, et malgré le fait que les applications de mise en forme aient été imaginées relativement tôt, les procédés de mise en forme par HPP sont encore marginaux dans l’industrie. L’utilisation des champs magnétiques pour déformer des objets métalliques de façon permanente n’a pu être envisagée que lorsque l’on a été capable de créer des champs magnétiques suffisamment intenses. Une des premières mentions de tels champs magnétiques est donnée par (Kapitza 1924). Il a fallu attendre les années 1950 pour que de premières applications industrielles soient introduites. Le procédé de magnétoformage a été développé essentiellement aux Etats-Unis, et utilisé par des sociétés telles que General Dynamics (Harvey & Brower 1961), NASA, Boeing, Diversico Industries (Balanethiram 1996), ou encore chez General Motors (Zittel 2010). De même, les premiers exemples d’application du formage électrohydraulique datent des années 1960-1970. L’ex-URSS s’est fortement intéressée au formage électrohydraulique. Les travaux de (Yutkin 1986) sont une référence dans le domaine. Aux Etats-Unis, on note son utilisation par quelques sociétés, principalement dans l’industrie aéronautique, de l’énergie ou de l’armement, par exemple : General Electric, Chrysler-Missile Division, Diversico Industries (Balanethiram 1996). En Europe, quelques applications industrielles ont été notées, comme par exemple Vickers Limited au Royaume-Uni (Balanethiram 1996).
Le besoin de données et d’essais spécifiques aux HPP
Pour que les modèles numériques soient prédictifs, il est essentiel de disposer de données pertinentes. Cela concerne notamment les lois de comportement élasto-viscoplastique des matériaux déformés à grande vitesse, qui peut être significativement différent du comportement élasto-viscoplastique observé en conditions quasi-statiques. Un autre aspect de la caractérisation des matériaux, essentiel à la modélisation des procédés de mise en forme par HPP, concerne les limites de formage dynamiques. Cependant, du fait de la complexité de cette problématique, la caractérisation des limites de formage ne sera abordée que succinctement, et sera considérée comme une ouverture vers de potentiels travaux futurs. En ce qui concerne la caractérisation des métaux déformés par HPP, iCube/Bmax a choisi de mettre en œuvre d’importants moyens afin de développer des essais spécifiques, et des méthodologies dédiées. Cette thèse a pour objectif de proposer deux essais, l’un en configuration tubulaire, l’autre en configuration plane, permettant de mettre en évidence le comportement dynamique des matériaux soumis au magnétoformage. Ainsi, cela permettra à la société de disposer de modèles numériques plus fiables et plus précis, engendrant un gain de productivité significatif dans la réalisation des études de faisabilité et de conception des systèmes HPP. En outre, une compréhension plus profonde des modes de déformation et des effets des conditions hautement dynamiques est un atout certain pour développer des procédés de plus en plus performants, capables de répondre aux problématiques complexes des industriels de la mise en forme.
Quelques exemples typiques de formage par HPP
La simulation numérique offre la possibilité d’analyser en détail l’évolution des grandeurs physiques modélisées. Ainsi, le Tableau I-1 et la Figure I-7 récapitulent les ordres de grandeur caractéristiques de différentes applications de formage par hautes puissances pulsées :
– (a.) Le formage électrohydraulique d’une petite pièce, de type flaconnage ;
– (b.) Le formage électrohydraulique d’une grande pièce, de type aéronautique ou automobile (lors de la première phase d’approche, si plusieurs décharges successives) ;
– (c.) Le magnétoformage d’un détail (arête vive) ;
– (d.) Le magnétosertissage axisymétrique ;
– (e.) Le magnétosoudage en configuration tubulaire.
L’élasticité
L’élasticité intervient dans tout procédé de mise en forme : soumis à des efforts, le réseau cristallin se dilate ou se comprime. Les distances interatomiques sont ainsi modifiées et reprennent leur valeur d’équilibre au repos dès le relâchement de la contrainte. Ce mode de déformation est donc rencontré tout au long du processus de déformation, et se manifeste clairement aux premiers stades de la déformation et aussi au moment du déchargement : c’est le retour élastique. Parce qu’elle ne dépend que des potentiels interatomiques, la déformation élastique n’est pas affectée par le caractère dynamique de la déformation. Des effets thermiques peuvent intervenir de manière indirecte car la rapidité de la sollicitation crée des conditions adiabatiques. Cependant, l’effet de la température sur les distances interatomiques, et donc sur le comportement élastique, n’est significatif qu’aux très hautes températures (supérieures aux deux tiers de la température de fusion). La déformation élastique ne fera donc pas l’objet d’une étude particulière dans le cadre de ce travail. Les propriétés connues dans le régime quasi-statiques (module de Young et coefficient de Poisson) seront utilisées sans modifications.
Ecrouissage et sensibilité à la vitesse de déformation des métaux de structure CC ou CFC en régime thermiquement activé
Cette décomposition a été appuyée par de nombreux travaux ultérieurs, et notamment par (Conrad 1970). Il en découle logiquement que la sensibilité à la vitesse de déformation d’un alliage est d’autant plus marquée que la composante thermiquement activée de la contrainte d’écoulement est grande devant la composante athermique (Oosterkamp et al. 2000). Ainsi, les métaux les plus susceptibles d’être sensibles à la vitesse de déformation sont a priori des métaux faiblement alliés (peu d’espèces étrangères susceptibles de précipiter). Les métaux à structure cubique centrée (CC) sont également connus pour être plus sensibles que les métaux à structure cubique à faces centrées (CFC) (Zerilli & Armstrong 1987). En outre, le comportement en écrouissage est globalement différent suivant que la structure cristalline est de type CC (comme le fer α) ou CFC (comme l’aluminium ou le cuivre). Ces structures cristallines peuvent présenter des évolutions différentes de l’écrouissage avec la vitesse de déformation, comme cela est illustré schématiquement sur la Figure II-2, d’après (Klepaczko 1985) et (Zerilli & Armstrong 1987). Ces différences peuvent mener à choisir, pour la loi de comportement, des formulations additives pour une sensibilité à la vitesse de déformation « de type CC », ou plutôt multiplicatives pour une sensibilité à la vitesse de déformation « de type CFC ».
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Table des matières
Introduction
Chapitre I. Contexte et objectifs généraux
Partie A – Etat de l’art, démarche et moyens
Introduction de la partie A – Etat de l’art, démarche et moyens
Chapitre II. Comportement dynamique des métaux
Chapitre III. Moyens expérimentaux et numériques pour l’étude du magnétoformage
Chapitre IV. Méthodes d’optimisation pour l’identification de paramètres
Partie B – L’essai d’expansion de tube
Introduction de la partie B – L’essai d’expansion de tube
Chapitre V. Mise au point de l’essai d’expansion de tube
Chapitre VI. Analyse de sensibilité de l’essai d’expansion de tube
Chapitre VII. Validation numérique de la méthodologie d’identification
Chapitre VIII. Application de l’essai d’expansion électromagnétique de tube
Conclusion de la partie B – L’essai d’expansion de tube
Partie C – L’essai de ligne plate
Introduction de la partie C – L’essai de ligne plate
Chapitre IX. Conception et principes de l’essai de ligne plate
Chapitre X. Modélisation de l’essai de ligne plate
Chapitre XI. Identification de paramètres de lois de comportement par l’essai de ligne plate
Conclusion de la partie C – L’essai de ligne plate
Conclusion
Perspectives
Chapitre XII. Limites de formage dynamiques
Références bibliographiques
Annexes
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