Procédés de mise en forme à l’état semi-solide

 Procédés de mise en forme à l’état semi-solide

Dans l’industrie, la mise en forme à l’état semi-solide est développée principalement sur les alliages à bas point de fusion (alliages d’aluminium et de magnésium). Le développement de nouvelles applications compatibles avec des matériaux à haut point de fusion (comme l’acier) fait l’objet de nombreux travaux de recherche [RAS10]. Pour obtenir un semi-solide avec une fraction de liquide définie, il est possible, soit de chauffer le matériau jusqu’à sa fusion partielle, soit de refroidir partiellement un métal fondu. En se basant sur le critère du chemin thermique, les procédés de mise en forme à l’état semi-solide peuvent être subdivisés en deux familles : les procédés de rhéoformage (solidification partielle) et les procédés de thixoformage (fusion partielle) [FLE76, FLE91, SUE02]. Un autre point important caractérisant les procédés de mise en forme à l’état semi-solide est la fraction de liquide correspondant au rapport entre le volume de la phase liquide et le volume total du matériau.

Les procédés de rhéoformage

Pour les procédés de rhéoformage, le matériau à l’état semi-solide est obtenu à partir d’une solidification partielle du métal fondu. Les procédés de rhéoformage sont les procédés les plus anciens et leur intérêt principal tient à ce qu’ils offrent la possibilité de réaliser des pièces à géométries fines et complexes. Afin de limiter les effets néfastes de la structure dendritique sur l’écoulement de la matière et de privilégier une structure globulaire pour la mise en forme, des procédés d’améliorations ont été apportées au système de mise en forme (figure1.1). Dans la littérature, ils sont par exemple représentés par les systèmes de brassage mécanique et électromagnétique [KAP93, KAN02], et par d’autres traitements tels que la décharge électrique ou les ultrasons qui permettent d’obtenir une morphologie globulaire.

En plus des avantages techniques et économiques (réalisation des pièces à géométries fines et complexes avec un chemin de fabrication fortement raccourci), les procédés de rhéoformage offrent des propriétés mécaniques particulièrement bonnes : haute résistance, bonne qualité de surface, bonne précision dimensionnelle et un faible taux de porosité [KAU00].

Les procédés de thixoformage

Les procédés de thixoformage rassemblent les procédés pour lesquels le matériau à l’état semi-solide est obtenu à partir d’une fusion partielle de l’état solide. Comparé au rhéoformage, leurs avantages tiennent à une manipulation de la matière plus aisée et à la plus grande simplicité et accessibilité des moyens de chauffage du matériau. La majorité de ces procédés s’est inspirée des procédés classiques de mise en forme comme le forgeage et le filage. L’opération de mise en forme s’effectue dans des conditions de faibles fractions de liquide (<0.2).

Le thixoforgeage se distingue par une fermeture totale des matrices pendant la mise en forme et par l’existence d’une matrice (supérieure ou inférieure) qui transmet l’énergie nécessaire à la mise en forme. Les principaux avantages du thixoforgeage (comparé à un forgeage classique) résident dans sa capacité à fabriquer des pièces à géométrie complexe avec une économie d’étapes de mise en forme et de reprises d’usine (Near Net Shape). L’effort de mise en forme est, par ailleurs, moins important [FAN02, KIR94].

Par rapport au rhéoformage, les avantages du thixoforgeage sont :
1. l’obtention d’une structure globulaire sans avoir recours à des procédés de brassage ,
2. la manipulation de lopin sans avoir besoin de moule grâce aux fractions de solide plus élevées,
3. des températures plus faibles, ce qui réduit l’usure des outils.

Dans le cas des aciers, les fractions de liquide visées sont inférieures à 20% pour éviter des séparations de phase liquide-solide trop importantes [BEC10]. Il faut noter qu’on s’écarte de la fenêtre de fraction liquide classiquement définis en thixoformage comprise entre 30 et 50 % dans le cas des alliages à bas point de fusion [ZAH16]. Les inconvénients du thixoforgeage par rapport au rhéoformage sont la difficulté de connaître la relation fraction de liquide – température aux faibles fractions [GU13] et la présence de séparation de phases entre liquide et solide dans les zones « trop » riches en liquide [BEC10]. Pour l’industrialisation du procédé, la difficulté principale réside dans la maîtrise de la température et les phénomènes physiques qui interviennent lors de la mise en forme, ce qui fait que l’optimisation des paramètres procédés est encore difficile. On peut noter aussi la présence de différents types de défauts observés sur des pièces en aciers thixoforgés sous différentes conditions opératoires (température de lopin, température d’outillage et température ambiante) . En fonction des conditions de mise en forme des phénomènes d’hétérogénéisation de l’écoulement peuvent être observés conduisant à manque de remplissage ou à l’éjection de liquide ainsi qu’à l’apparition des fissures.

Afin de mieux maîtriser et d’optimiser le procédé en termes de vitesse de mise en forme, températures des outils et du lopin, éviter des écoulements hétérogènes à l’échelle macroscopique et la présence de défauts, il faut notamment mieux cerner les mécanismes de déformation et de dégradation du comportement thermomécanique des aciers à l’état semisolide.

Microstructure des matériaux à l’état semi-solide 

À l’état semi-solide, le matériau est constitué d’une phase liquide et d’une phase solide, son comportement rhéologique est déterminé par les caractéristiques mécaniques, morphologiques et dimensionnelles de ces deux phases. La morphologie de la microstructure semi solide dépend de la voie thermique suivie pour atteindre l’état semi-solide (en l’occurrence, ici, la solidification partielle ou la refusion partielle), ainsi que d’autres paramètres liés à la composition chimique du matériau et à sa méthode d’élaboration.

Obtention de l’état semi-solide par solidification partielle

À partir de l’état complètement liquide, la solidification débute par une étape de germination des particules solides dans les zones en contact avec la paroi à travers laquelle s’effectue l’extraction de la chaleur. La croissance ultérieure peut donner lieu à deux types, fondamentaux, de microstructure [SUE02] :
– une phase solide avec une morphologie de type colonnaire, dans le cas où la croissance s’effectue continûment à partir du solide déjà formé
– une phase solide avec une morphologie de type équiaxe, dans le cas où de nouveaux cristaux germent de façon répétée, puis croissent au sein du liquide surfondu en avant du front.

Dans les deux cas, les phénomènes de rejet de la chaleur et/ou de soluté associés à la croissance, sont susceptibles de générer une instabilité de forme du front et le développement d’une morphologie de type dendritique [SUE02]. La structure dendritique obtenue en solidification peut être plus au moins fine en fonction de la vitesse de refroidissement adoptée. Plus le refroidissement est rapide, plus la structure est fine (car le nombre de germes augmente) [LES86, ROU02]. Les conditions de refroidissement influencent également la morphologie de la structure dendritique. Un gradient généré par un flux de chaleur unidirectionnel favorise la formation d’une structure colonnaire, tandis que la convection dans le liquide favorise une solidification équiaxe .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Mise en forme des métaux à l’état semi-solide : Aspects métallurgiques et rhéologiques
1.1. Introduction
1.2. Procédés de mise en forme à l’état semi-solide
1.2.1. Les procédés de rhéoformage
1.2.2. Les procédés de thixoformage
1.2.3. Le thixoforgeage des aciers
1.3. Microstructure des matériaux à l’état semi-solide
1.3.1. Obtention de l’état semi-solide par solidification partielle
1.3.2. Obtention de l’état semi-solide par refusion partielle
1.3.3. Paramètres microstructuraux à l’état semi-solide
1.4. Comportement des matériaux à l’état semi-solide
1.4.1. De l’état solide à l’état semi-solide
1.4.2. Caractérisation expérimentale du comportement des semi-solides pour des applications en mise en forme
1.4.3. Comportement des aciers à l’état semi-solide
1.5. Problématique de fissuration à chaud
1.5.1. Le phénomène de fissuration à chaud
1.5.2. Le BTR « Brittle Temperature Range »
1.5.3. Les paramètres influant la fissuration à chaud des aciers
1.5.4. Les critères de la fissuration à chaud
1.6. Conclusion
1.7. Références bibliographiques
Chapitre 2 : Procédure expérimentale
2.1. Introduction
2.2. Matériau de l’étude
2.2.1. Le C38LTT
2.2.2. Composition chimique et propriétés physiques
2.3. Évaluation de la fraction liquide et caractérisation de la microstructure
2.3.1. Évaluation de la fraction liquide à l’état semi-solide
2.3.2. Caractérisation de la microstructure
2.4. Protocole expérimental
2.4.1. Essais de traction à l’état semi-solide avec la machine Gleeble
2.4.2. Mesure et contrôle de la température d’essai
2.4.3. Visualisation des essais
2.4.4. Essais de compression
2.5. Conclusion
2.6. Références bibliographiques
Chapitre 3 : Caractérisation du comportement rhéologique de l’acier C38LTT à l’état semi-solide
3.1. Introduction
3.2. Comportement thermomécanique de l’acier C38LTT à l’état semi-solide en traction
3.2.1. Cycle de chauffage et contrôle de température
3.2.2. Transition du comportement de l’état solide à l’état semi-solide
3.2.3. Influence de la température sur le comportement en traction à l’état semi-solide
3.2.4. Visualisation de la zone de déformation des éprouvettes durant les essais
3.2.5. Évolution de la ductilité et de l’effort maximum en fonction de la fraction de solide
3.2.6. Observation des éprouvettes rompues et trempées
3.2.7. Discussion : Mécanismes de déformation et d’endommagement
3.2.8. Impact de la vitesse de déplacement sur le comportement en traction
3.3. Comportement thermomécanique de l’acier à l’état semi-solide en compression
3.3.1. Effet de la température et de la vitesse de déplacement sur le comportement en compression
3.3.2. Comparaison des microstructures obtenues sur les faciès de rupture en traction avec celles des surfaces fissurées obtenues après essais de compression à l’état semi-solide
3.3.3. Discussion : Mécanisme de déformation en compression
3.4. Conclusion
3.5. Références bibliographiques
Chapitre 4 : Modélisation du comportement
4.1. Introduction
4.2. Contexte général de la modélisation du comportement des alliages semi-solides en mise en forme
4.3. Cas particulier de la modélisation du comportement en traction
4.4. Le modèle micro-Macro
4.4.1. La démarche suivie pour la modélisation micro-Macro
4.4.2. La description de la microstructure et son évolution
4.4.3. Détermination des comportements locaux et global du semi-solide
4.4.4. Les limites de l’ancienne version du modèle micro-Macro
4.5. Les développements apportés dans le cadre du modèle micro-Macro
4.5.1. Base physique des développements proposés
4.5.2. La nouvelle version du modèle micro-Macro
4.6. Conclusion
4.7. Références bibliographiques
Conclusion générale

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