Contribution to the experimental and numerical study of submillimetric sheet behavior
Contribution à l'étude expérimentale et numérique du comportement des tôles d'épaisseur submillimétrique
Résumé
The miniaturization demand of manufactured parts is continuously increasing. Mass production of sub-millimeter parts is made difficult by a certain number of phenomena related to the work scale. The aim of this PhD thesis is to develop an original approach allowing prediction of the mechanical response of thin sheets during the forming process. Firstly, one-dimensional tensile tests on submillimetric sheets of copper, aluminium and stainless steel are conducted. They highlight the influence of the free surface and the grain size distribution on the mechanical response of sheets. Secondly, an elasto-viscoplastic single-crystal constitutive law, formulated in large strains and taking into account the physical mechanisms of plastic deformation, is developed and implemented in the finite element code ABAQUS®. This constitutive law uses the dislocations densities as internal variables. To be functional, this approach requires a fine description of microstructural state of the simulated material. A statistical processing of real measurements is developed in order to generate a finite elements model describing in a precise way the grains morphology, their sizes and their crystallographic orientations. Then, this original methodology developed is used to reproduce the phenomena we observe in experiments, namely: · softening of the global behavior of material, · appearance of so-called orange peel, · strong strain localization in the thickness of specimen, directed perpendicular to the tensile direction. Besides, the exploitation of this numerical tool makes it possible to check influence of the free surface and the prevalence of the coarse grains on the global response of the real structures. Finally, an in situ testing machine is designed and manufactured in order to validate the numerical approach, under conditions close to those generated in micro-forming.
La demande en termes de miniaturisation des objets manufacturés est sans cesse croissante. La fabrication en grande série des pièces submillimétriques est rendue difficile par un certain nombre de phénomènes liés à l'échelle. L'objectif de cette thèse est de développer une approche complète permettant de prédire la réponse mécanique d'une tôle d'épaisseur submillimétrique lors d'une opération de mise en forme. Dans un premier temps, des essais expérimentaux en traction uniaxiale sur des tôles minces de cuivre, d'aluminium et d'acier inoxydable sont réalisés. Ils permettent, entre autres, de mettre en évidence l'influence de la surface libre et de la distribution de taille de grains sur la réponse mécanique des tôles. Dans un deuxième temps, une loi de comportement élasto-viscoplastique monocristalline, formulée en grandes déformations et prenant en compte les mécanismes physiques de déformation plastique, est développée et implantée dans le code éléments fins ABAQUS®. Cette loi de comportement utilise les densités de dislocations comme variables internes. Pour être fonctionnelle, cette approche nécessite la description de la microstructure du matériau simulé. Un traitement statistique de mesures réelles est développé afin de générer un modèle éléments finis représentant de façon précise la morphologie des grains, leurs tailles et leurs orientations cristallographiques. Dans un troisième temps, la mise en oeuvre de l'approche complète développée permet de reproduire les phénomènes que nous observons expérimentalement, à savoir : · un adoucissement du comportement global du matériau, · l'apparition d'un état de surface appelé peau d'orange, · une forte localisation de la déformation dans l'épaisseur de l'éprouvette, orientée perpendiculairement à la direction de traction. De plus, grâce à ce nouvel outil numérique, nous vérifions l'influence de la surface libre et la prédominance des gros grains sur la réponse globale des structures calculées. Finalement, une machine d'essais in situ est conçue et réalisée dans le but de valider l'approche numérique, dans des conditions proches de celles observées en micro-formage.