Study of the damage induced by the shear cutting process in dual phase steels for automotive application
Étude de l'endommagement par la découpe des aciers dual phase pour application automobile
Résumé
In order to optimize the metallurgical quality of future dual phase steels, the present study aims at a better understanding of the formation of the cut edge damage induced by shearing. Observations and characterizations revealed the existence of a highly deformed area in the vicinity of the cut edges. This region of 200 µm is defined as the cutting affected zone. In addition to deformation, its microstructure presents voids, initiated at ferrite-martensite boundaries. The formation of this zone during the cutting process was studied through two complementary approaches: first, the use of an especially designed testing device that allows precise interruption of the cutting process, then, the simulation of the process by finite elements methods. The damage and the fracture of the sheets appeared to be controlled by the voids formation at the phases boundaries and thus by the stress triaxiality ratio. The study of the cut edge behaviour under loading showed the rapid initiation of small cracks in the cutting affected zone. The direct impact of these cracks on the sheets ductility was also highlighted. Finally, two heat treatments that limit the ductility loss induced by cutting were proposed: one by the formation of a third phase during cooling and the other by offering better mechanical properties around phases boundaries.
Les exigences d'allègement des pièces structurales automobiles ont conduit au développement de nouvelles nuances d'aciers aux propriétés mécaniques de plus en plus élevées. Parmi ces nuances dites Très Haute Résistance (THR), les aciers dual phase, avec leur microstructure composite ferritemartensite, offrent un très bon équilibre entre résistance mécanique et formabilité. Cependant, des observations récentes ont montré que l'étape de découpe avait tendance à altérer ces bonnes propriétés. L'objectif de la présente étude est d'améliorer notre connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de la découpe afin de pouvoir les prendre en compte pour le développement des futures nuances.
Un premier travail d'observation et de caractérisation (MEB, microdureté, essais mécaniques...), a été effectué de manière à mettre en évidence les effets de la découpe à la cisaille sur la microstructure et les propriétés mécaniques des tôles. Ces résultats révèlent l'existence d'une zone affectée par la découpe qui s'étend sur environ 200 μm. Cette zone se caractérise par un écrouissage et une déformation microstructurale importants. Cette déformation conduit localement à la décohésion des phases ferritique et martensitique.
La formation de cette zone en cours de découpe a été étudiée à travers deux approches distinctes : d'une part, le développement d'un montage de cisaille instrumentée permettant d'observer l'évolution de la microstructure, et, d'autre part, la simulation numérique du procédé qui donne accès aux grandeurs mécaniques locales dans la tôle. Il apparait que l'endommagement et la rupture de l'acier sont pilotés par la décohésion des interfaces ferrite-martensite, elle-même fortement dépendante de
l'état de triaxialité des contraintes.
L'étude du comportement des bords découpés, au cours de sollicitations postérieures à la découpe, a permis de confirmer l'amorçage rapide des fissures dans la zone affectée par la découpe et l'impact direct de la taille de cette dernière sur la perte de ductilité des pièces découpées.
Enfin, de nombreux traitements thermiques, appliqués à une nuance sélectionnée, ont permis de désigner deux voies distinctes d'amélioration du comportement des nuances dual phase face à la découpe: d'une part la transformation d'une troisième phase lors du recuit, d'autre part le rééquilibrage des propriétés au sein de la microstructure par l'application d'un traitement de revenu.
Un premier travail d'observation et de caractérisation (MEB, microdureté, essais mécaniques...), a été effectué de manière à mettre en évidence les effets de la découpe à la cisaille sur la microstructure et les propriétés mécaniques des tôles. Ces résultats révèlent l'existence d'une zone affectée par la découpe qui s'étend sur environ 200 μm. Cette zone se caractérise par un écrouissage et une déformation microstructurale importants. Cette déformation conduit localement à la décohésion des phases ferritique et martensitique.
La formation de cette zone en cours de découpe a été étudiée à travers deux approches distinctes : d'une part, le développement d'un montage de cisaille instrumentée permettant d'observer l'évolution de la microstructure, et, d'autre part, la simulation numérique du procédé qui donne accès aux grandeurs mécaniques locales dans la tôle. Il apparait que l'endommagement et la rupture de l'acier sont pilotés par la décohésion des interfaces ferrite-martensite, elle-même fortement dépendante de
l'état de triaxialité des contraintes.
L'étude du comportement des bords découpés, au cours de sollicitations postérieures à la découpe, a permis de confirmer l'amorçage rapide des fissures dans la zone affectée par la découpe et l'impact direct de la taille de cette dernière sur la perte de ductilité des pièces découpées.
Enfin, de nombreux traitements thermiques, appliqués à une nuance sélectionnée, ont permis de désigner deux voies distinctes d'amélioration du comportement des nuances dual phase face à la découpe: d'une part la transformation d'une troisième phase lors du recuit, d'autre part le rééquilibrage des propriétés au sein de la microstructure par l'application d'un traitement de revenu.