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Theses Year : 2011

Physical simulation of forging and machining thermomechanical conditions : characterisation and modeling of rheology and damage

Simulation physique des conditions thermomécaniques de forgeage et d'usinage : caractérisation et modélisation de la rhéologie et de l'endommagement

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Abstract

During forging and machining processes materials undergo significant and rapid deformations responsible for localised heating, microstructural changes and damage. The modelling of such phenomena requires an accurate knowledge of behaviour and damage laws, for a large range of strains, strain rates and temperatures. Compression tests were performed on a Gleeble thermomechanical simulator and a Split Hopkinson Pressure Bar device on two steels (42CrMo4 and 100Cr6) and an aluminium alloy (2017-T4). Three behaviour domains are identified corresponding to cold, warm and hot working. The microtructural phenomena for each domain are analysed and linked to the observed rheological behaviour. After a review of various models from the literature, a new empirical model is proposed which properly accounts for the competition between work hardening and softening. Via coupling, it reproduces the effects of temperature and strain rate. The damage mechanisms at room temperature are characterised from in situ tensile tests performed in a Scanning Electron Microscope and using the digital image correlation method. The results from tensile tests on axisymmetrically notched specimens are used to characterise the damage at various temperatures. Two damage models are described and applied: Johnson-Cook's fracture criterion and Gurson-Tvergaard-Needleman's coupled micromechanical model. Finally the various behaviour models are applied and discussed for the Finite Element simulations of orthogonal cutting, shear tests on 'hat-shaped' specimens and plane strain tests.
Au cours des procédés de forgeage et d'usinage, le matériau subit des déformations rapides et importantes provoquant des échauffements localisés, des changements microstructuraux et de l'endommagement. La modélisation de tels phénomènes nécessite la connaissance précise des lois de comportement et d'endommagement sur une très large gamme de déformations, vitesses de déformation, et températures. Des essais de compression conduits en utilisant le simulateur thermomécanique GLEEBLE et le banc d'Hopkinson sur deux aciers, 42CrMo4 et 100Cr6, et un alliage d'aluminium 2017-T4, permettent de distinguer trois domaines de comportement : à froid, à mi-chaud et à chaud. Les phénomènes microstructuraux rencontrés dans chaque domaine sont analysés et reliés au comportement rhéologique observé. Après une comparaison de différents modèles de la littérature, un modèle empirique est proposé. Il rend efficacement compte de la compétition entre l'écrouissage et l'adoucissement et permet de refléter, via un couplage, les effets de température et de vitesse de déformation. Une caractérisation des mécanismes d'endommagement est conduite, à froid, à l'aide d'essais de traction in situ dans un Microscope Electronique à Balayage et de la méthode de corrélation d'images numériques. En température, des essais de traction sur éprouvettes axisymétriques entaillées sont utilisés. Deux modèles d'endommagement sont identifiés et analysés, le critère de rupture découplé de Johnson-Cook et le modèle micromécanique couplé de Gurson-Tvergaard-Needleman. Les différents modèles de comportement étudiés sont enfin utilisés et discutés dans le cadre de simulations Eléments Finis de la coupe orthogonale, du cisaillement sur éprouvette " chapeau " et du bipoinçonnement.
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Dates and versions

pastel-00593068 , version 1 (13-05-2011)

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  • HAL Id : pastel-00593068 , version 1

Cite

Anis Hor. Simulation physique des conditions thermomécaniques de forgeage et d'usinage : caractérisation et modélisation de la rhéologie et de l'endommagement. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Arts et Métiers ParisTech, 2011. Français. ⟨NNT : 2010ENAM0002⟩. ⟨pastel-00593068⟩
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