Experimental and numerical study of damage mechanisms during cold forging processes
Etude et modélisation des mécanismes d'endommagement en forge à froid
Résumé
The process of cold forging enables to produce parts that exhibit a complex geometry and a very good dimensional accuracy. The final shape is obtained by a forging sequence, and the material is subjected to non-monotonic complex multiaxial loadings together with high plastic strain which can lead to damage: surface or internal cracks initiation. It is consequently very important to get a better understanding of the mechanisms that can produce these defects. The aim of this work thus concerns the numerical modeling of damage growth in cold forging processes. After a literature survey on ductile damage mechanisms and models, the phenomenological Lemaitre damage model has been implemented in the finite element software Forge2005 ®. In a second step, an experimental study on the characterization of two ductile steels was carried out. Different tensile tests were conducted to study the influence of particles orientation on damage growth. Compression / traction tests have also been made in order to examine the possible influence of pre-compression on the material ductility. Finally in situ tests (SEM and X-ray tomography) were conducted to observe and understand microstructural damage mechanisms. Based on these observations, several improvements have been made to make damage computation more suitable to complex loadings. Among these improvements, we can cite a particular formulation to account for damage in compression, the introduction of a negative stress triaxiality limit, the definition of a new damage potential and finally the use of particles orientation to account for damage anisotropy. Finally, numerical simulations have been carried using the Forge2005 ® software in order to validate the new damage model implemented. Validation cases involving simple mechanical tests (tensile, TELE) and industrial cases were then simulated and compared with experimental results.
Le procédé de forgeage à froid permet d'obtenir des pièces de géométrie complexe et présentant une très bonne précision dimensionnelle. La forme finale est obtenue en une ou plusieurs passes, et la matière est soumise à des chargements à la fois multiaxiaux et non monotones accompagnés de forts niveaux de déformation plastique qui peuvent l'amener à s'endommager : rupture de la pièce, fissures en surface ou à cœur, ... Il est alors tout à fait primordial de connaître et mieux comprendre les mécanismes qui peuvent produire ces défauts. Le sujet de thèse concerne donc la modélisation numérique de l'endommagement en forge à froid. Dans un premier temps, le contexte bibliographique concernant les mécanismes d'endommagement et leurs modélisations ont été étudiés. Un modèle d'endommagement, basé sur le modèle de Lemaitre, a alors été implémenté dans le logiciel éléments finis Forge2005®. Dans un deuxième temps, une étude expérimentale concernant la caractérisation de deux nuances en forge à froid a été réalisée. Différents essais de traction ont été menés afin d'étudier notamment l'influence de l'orientation des inclusions sur l'endommagement. Des essais de compression/traction ont également été réalisés dans le but d'examiner l'influence éventuelle de la pré-compression sur la matière. Enfin des essais in-situ (MEB et tomographie X) ont été menés pour analyser l'endommagement au cœur de la matière et mieux en comprendre les mécanismes. Sur la base de ces observations expérimentales, plusieurs améliorations ont été apportées au modèle de Lemaitre afin de le rendre plus adapté aux chargements complexes. Parmi ces améliorations, nous pouvons citer par exemple la prise en compte de l'endommagement en compression, l'introduction d'une limite en triaxialité des contraintes négative, l'introduction d'un nouveau potentiel d'endommagement et la prise en compte de l'orientation des inclusions. Pour finir, des simulations numériques ont été réalisées par le biais du logiciel Forge2005® afin de tester le modèle d'endommagement implémenté. Des cas de validations portant sur des essais mécaniques simples (traction, TELE) ainsi que sur des cas industriels ont alors été simulés et comparés aux résultats expérimentaux.
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