Présentation
RÉSUMÉ
Prévenir l’apparition de défauts au cours de la mise en forme des métaux revêt une importance capitale d’un point de vue industriel. Grâce à la modélisation numérique des procédés, il est maintenant possible de prédire correctement les contraintes et déformations subies par la matière au cours des étapes de fabrication. La prédiction de la rupture nécessite cependant l’utilisation de critères de rupture ou de modèles d’endommagement qui peuvent paraître complexes. Cet article décrit une revue détaillée des différentes approches proposées dans la littérature pour modéliser la rupture ductile dans le cadre de la mise en forme des matériaux. Les avantages et inconvénients de chaque approche sont discutés et une attention particulière est portée à l’étape primordiale de calibration des modèles.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
Preventing the occurrence of defects in metal-forming processes is of great importance in industry. Thanks to numerical modeling, it is now possible to accurately predict the stresses and strains experienced by materials during different stages of manufacturing processes. The prediction of fracture, however, requires the use of failure criteria or damage models that may appear complex. In this article, a detailed review of different approaches proposed in the literature to model ductile fracture in material forming is presented. The advantages and drawbacks of each approach are discussed, and special attention is paid to the crucial step of model calibration.
Auteur(s)
-
Trong Son CAO : Docteur en Science et Génie des Matériaux (Mines ParisTech) - Ingénieur de recherche à l’ArcelorMittal Global R&D, Maizières-lès-Metz, France
-
Pierre-Olivier BOUCHARD : Professeur de l’Institut Mines Telecom - Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF), Mines ParisTech
INTRODUCTION
La prédiction de la rupture ductile au cours des procédés de mise en forme des matériaux a été du plus grand intérêt dans les communautés scientifique et de l’ingénierie au cours du dernier siècle. En effet, la compréhension et la modélisation des mécanismes d’endommagement ductile restent une question primordiale pour obtenir des produits sans défaut à l’aide de procédés de mise en forme de plus en plus complexes et pour des matériaux de plus en plus performants. Une multitude de modèles phénoménologiques et micromécaniques ont été développés au cours des cinquante dernières années pour prédire la rupture ductile. Ces modèles sont généralement validés pour un trajet de chargement donné (la plupart du temps sous chargement monotone) et des matériaux spécifiques. Ainsi, leur capacité à être étendus à d’autres configurations – en termes de chargement et de matériaux – est souvent discutable. Étant donné la multitude de modèles proposés dans la littérature, il est difficile pour un ingénieur de choisir le modèle le plus approprié à son procédé et à son matériau. De plus, la procédure d’identification des paramètres des modèles (calibration des modèles) est une étape très importante qu’il ne faut pas négliger. Comme nous le verrons dans cet article, certains modèles sont très basiques et faciles à utiliser. Ils ne nécessitent que peu d’essais pour identifier les paramètres du modèle, mais ne donnent bien souvent en contrepartie qu’une réponse qualitative et pas de prédiction précise de l’instant de la rupture. D’autres modèles sont beaucoup plus sophistiqués et plus précis en termes de prédiction de l’instant de la rupture. Ils nécessitent cependant de nombreux essais et parfois des observations microstructurales afin d’identifier correctement les paramètres du modèle. Autant lever le suspense dès maintenant : le modèle parfait, universel et très facile à calibrer n’existe pas, et chaque ingénieur devra faire un choix parmi la multitude des modèles proposés.
Cet article a donc pour but d’aider ces ingénieurs à faire un choix avisé en fonction du type de procédé étudié et de l’état de contrainte qui en résulte. Ce choix devra tenir compte également de la précision recherchée et de la capacité à réaliser les (parfois nombreux) essais de calibration. Dans cet article, nous ne considérerons pas les modèles à zone cohésive (Cohesive Zone Models – CZM), dont l’utilisation est plus adaptée aux structures multicouches ou assemblages collés qui subissent des déformations plastiques limitées. Ces approches sont par conséquent peu, voire pas, adaptées au contexte de la mise en forme des matériaux.
L’article est divisé en cinq parties principales et une synthèse finale. La première partie a pour but de rappeler les mécanismes fondamentaux de la rupture ductile dans le cadre de la mise en forme des matériaux métalliques. Nous insistons plus particulièrement sur l’influence de l’état de contrainte sur le mode de rupture, et recommandons vivement la lecture de l’article de Montheillet et Briottet [M 3 032] pour un approfondissement des mécanismes physiques liés à l’endommagement ductile. Dans une seconde partie, nous présentons, de manière la plus exhaustive possible, les différentes approches disponibles dans la littérature pour modéliser l’endommagement et la rupture ductile en mise en forme. Nous ne traitons pas ici la mise en forme des produits minces, pour lesquels des critères de localisation et des courbes limites de formage sont souvent utilisés [M 3 032]. Nous abordons également les méthodes numériques permettant de modéliser l’endommagement ductile (de manière couplée au comportement ou non) et de simuler la rupture dans la troisième partie. La quatrième partie est dédiée à la phase de calibration des modèles, essentielle pour une bonne prédiction de la rupture en mise en forme. Des exemples d’applications avec les trois approches principales sont ensuite proposés dans la cinquième partie. Enfin, nous terminons cet article en proposant quelques éléments de réflexion sur le choix des modèles et leurs limitations, ainsi que sur les perspectives d’enrichissement de ces modèles.
Un tableau des symboles utilisés, ainsi qu'un glossaire, sont présentés en fin d'article.
MOTS-CLÉS
mise en forme matériaux ductiles modélisation numérique prédiction de l'endommagement ductile
KEYWORDS
forming | ductile materials | numerical modeling | ductile damage prediction
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Mise en forme des métaux et fonderie
(125 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
6. Conclusions et perspectives
6.1 Choix des modèles
Comme montré précédemment, un modèle peut être adapté pour un procédé, mais donner un résultat incorrect pour une autre application (par exemple, le modèle de type Lemaitre donne un bon résultat pour le tréfilage mais pas pour le laminage ). Cette première constatation découle en premier lieu du formalisme du modèle qui peut être adapté aux procédés présentant des triaxialités fortes ou modérées. Or, comme indiqué au paragraphe 2.3, il existe également un mode de rupture ductile pour les triaxialités faibles, voire négatives. Ceci indique qu’il est important avant toute chose d'analyser le type de chargement subi par la matière lors du procédé étudié avant de procéder au choix de modèle. Pour les procédés à triaxialité modérée ou haute (
), les modèles couplés de type Lemaitre et GTN peuvent fournir des résultats précis en termes de localisation des zones critiques. Cependant, pour les procédés pour lesquels le cisaillement est important, il est recommandé d'utiliser les récentes extensions de ces modèles qui prennent en compte à...
TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :
Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.
Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.
de Techniques de l’Ingénieur ! Acheter le module
Cet article fait partie de l’offre
Mise en forme des métaux et fonderie
(125 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Conclusions et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MONTHEILLET (F.), BRIOTTET (L.) - « Endommagement et ductilité en mise en forme ». - Techniques de l'Ingénieur, [M 3 032] (2009).
-
(2) - BAI (Y.), WIERZBICKI (T.) - « A new model of metal plasticity and fracture with pressure and Lode dependence ». - International Journal of Plasticity, vol. 24, no. 6, pp. 1071-1096 (2008).
-
(3) - XUE (L.), WIERZBICKI (T.) - « Numerical simulation of fracture mode transition in ductile plates ». - International Journal of Solids and Structures, vol. 46, no. 6, pp. 1423-1435 (2009).
-
(4) - BARSOUM (I.), FALESKOG (J.) - « Rupture mechanisms in combined tension and shear-Experiments ». - International Journal of Solids and Structures, vol. 44, no. 6, pp. 1768-1786 (2007).
-
(5) - XUE (L.) - « Damage accumulation and fracture initiation in uncracked ductile solids subject to triaxial loading ». - International Journal of Solids...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Forge®
https://www.transvalor.com/fr/forge
Z-set (Zébulon)
HAUT DE PAGE
ICF – International Conference on Fracture
ECF – European Conference on Fracture
CFRAC – Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures
Numiform – International Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes
Esaform – International ESAFORM Conference on Material Forming
HAUT DE PAGE3 Revues scientifiques internationales
IJFO – International Journal of Material Forming
JMPT – Journal of Materials Processing Technology
EFM – Engineering Fracture Mechanics
IJDM – International Journal of Damage Mechanics
HAUT DE PAGECet article fait partie de l’offre
Mise en forme des métaux et fonderie
(125 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
Cet article fait partie de l’offre
Mise en forme des métaux et fonderie
(125 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive