Etude de la soudabilité à froid des alliages d'aluminium (influence de la sollicitation mécanique sur la création des jonctions métalliques)

En soudage en phase solide, si la température peut avoir un rôle favorable, une sollicitation mécanique est également nécessaire pour s affranchir de la couche d oxyde recouvrant naturellement l aluminium. Dans ce travail, on a ainsi cherché à comprendre l importance de la sollicitation mécanique vis-à-vis de la création des jonctions métalliques. Dans ce but, 2 essais de soudabilité à froid ont été mis en place. L essai de compression plane (CP) a pour but d augmenter la surface à l interface de soudage, de sorte à morceler la couche d oxyde. Grâce à la microscopie, à une analyse par EF et à un modèle tensoriel de caractérisation de l évolution des surfaces, les essais ont montré que, plus que l importante déformation globale, le soudage se produit dans les zones de cisaillement maximum.Par conséquent, le second essai repose sur le cisaillement de l interface de soudage : un tube sectionné est soumis à un effort de compression et de torsion alternée. Comme pour l essai de CP, l influence de divers paramètres a été étudiée. Parmi ceux-ci, l état de surface (rugosités et propreté), l angle de torsion (faible amplitude) et le nombre de cycles ont un rôle prépondérant. Les assemblages soudés ont ensuite été caractérisés mécaniquement et observés en microscopie (MEB-FEG, EBSD). Par rapport à l essai de CP, on a pu constater une meilleure quantité et qualité des jonctions en compression-torsion alternée. De plus, un modèle thermodynamique a permis de conclure que les énergies mises en jeu sont trop faibles pour permettre un échauffement significatif : le soudage, sur environ 50% de l interface en l état actuel des choses, n est réalisé que par des effets mécaniques locaux.In solid-state welding, if the temperature generally has an important role (diffusion, recrystallization, etc.), a mechanical load is also necessary to override the oxide layer which naturally covers aluminium alloys. This work aims to understand the influence of the mechanical load on the formation of metallic bonds. To this end two cold weldability tests have been introduced. Firstly the plane strain channel-die compression of two cuboids sample aims to increase the surface at the welding interface in order to break up the oxide layer. Thanks to microscopy, a FEA model and a tensorial model of surfaces evolution, those results showed that, more than the important global deformation, welds were created in areas with maximum shear. Subsequently the second test aims to shear the welding interface: a tube is cut through its section and undergoes both a compression and a cyclic torsion load. As for our first weldability test, the influence of some parameters has been studied. Among them, the surface condition (roughness and cleanliness), the torsion angle (low amplitude) and the number of cycles are the most influential. Then the welded joints have been mechanically tested and microscopically observed (FEG-SEM and EBSD). In comparison with our first test, a higher quality and quantity of the joining has been showed. Moreover, a thermodynamic model concludes that the energies involved in this experimental process are too low to imply any local heating: the joining, on 50% of the welding interface as things stand, is only achieved thanks local mechanical effects.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Homogeneity and heterogeneity of single crystals in channel-die compression; Representation of the yield locus

Publié suite à une conférence invitée au congrès : Symposium on Texture and Microstructure Analysis of Functionally Graded Materials, Cracow, POLAND, OCT 03-07, 2004 Pas de DOI : http://www.imim.pl/files/archiwum/Vol1_2005/art.nr.9.pdfInternational audienceA polynomial approximation of the flow surface of single crystals deforming plastically on various slip systems is considered. Because it involves an exponent n, it is known as the power law. It is shown that, by introducing deviations from the Schmid law (but deviations not discernible by measurement), an extension of the normality rule can be proposed: not only the flow direction, but also the rate of rotation due to the glide on the slip systems are obtained in a single algebraic formula. The validity of all this is assessed by comparing its predictions with the results of the. compression of single crystals in channel-die. The lateral reactions and the lattice rotations have been measured in typical rolling orientations and found in good agreement with the calculations

Modélisation mécanique et thermique du procédé de laminage asymétrique

Le but de ce travail était la modélisation mécanique et thermique du laminage asymétrique. Celle-ci a été effectuée à l'aide de diverses méthodes. Deux approches, l'une analytique et l'autre semi-analytique, ont été utilisées pour la modélisation mécanique et deux autres, celles des différences finies et des éléments finis, pour la modélisation thermique. La première approche est celle des champs uniformes ; on a développé un modèle simple qui peut donner des ordres de grandeurs des différents paramètres du procédé. Une deuxième méthode plus complète mais plus complexe se base sur un champ de vitesse déduit d'une estimation parabolique de la forme des trajectoires. L avantage de ce modèle est qu il est capable de prévoir des grandeurs locales. Enfin la méthode des éléments finis a été aussi utilisée pour la modélisation mécanique. Dans un deuxième temps, l aspect thermique du laminage asymétrique a été étudié. Pour la modélisation du procédé, nous avons alors adopté deux méthodes numériques, les différences finies et les éléments finis, du fait de la complexité de celui-ci. Le modèle thermique développé par différences finies a été ensuite intégré dans notre modèle mécanique (méthode des trajectoires). Celui-ci a donc pu être étendu pour pouvoir utiliser des lois d écoulement qui dépendent de la température et donc pouvoir simuler le laminage asymétrique à chaud. Les prédictions du champ de température ont été confrontées aux résultats de calculs par éléments finis obtenus avec le code Abaqus. Finalement, une étude simple du développement de la texture cristallographique au cours du laminage a été réalisée.The aim of this work was to propose a mechanical and thermal modelling of asymmetric rolling. This was achieved using various methods. Two approaches, the first one analytical and the second semi-analytical, were employed for mechanical modeling. Two others methods, the finite difference and finite element methods, were used for thermal modeling. The first analytical model is an upper bound method based on a uniform strain field; a simple model was developed that can give orders of magnitude of the various process parameters. The second model uses a more refined analytical velocity field based on the classical parabolic estimation of the material flow lines in rolling. The advantage of this model is its ability to provide local quantities. Finally, the finite element method was also used for mechanical modeling.The thermal aspects of asymmetric rolling were investigated in turn by two methods. For modeling the process, we adopted two numerical approaches, the finite difference and finite element methods, because of the complexity of the latter. The thermal model developed by finite differences was integrated into our mechanical model (flow line model). It was then extended to investigate asymmetrical hot rolling. The predictions of the temperature field were compared with results from finite element calculations obtained with the Abaqus code. Finally, a simple study of crystallographic texture development was achieved.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Evolutions microstructurales et mécaniques de l'AS7G03 modifié au strontium au cours de l'étape de forge du procédé COBAPRESSTM

Le procédé COBAPRESSTM est un procédé hybride qui consiste à forger une préforme de fonderie. Nous nous intéressons dans cette thèse à son application pour fabriquer des pièces en alliage d aluminium AS7G03 modifié au strontium. La première partie de l étude présente des résultats de simulations obtenues grâce à 2 logiciels de calcul par éléments finis qui sont Simufact et ABAQUS. Nous avons pu voir que la déformation est maximale dans le plan de joint des pièces avec une déformation supérieure à 0,5 pour des vitesses qui peuvent atteindre 10 s-1. Les déformations en peau dues à la rugosité de surface des préformes ont aussi été prises en compte.La deuxième partie expose la microstructure dans les pièces après forge. Ces observations ont été effectuées par microscopie optique ainsi qu en EBSD. Cette microstructure peut être majoritairement restaurée ou recristallisée pour des paramètres de Zener-Hollomon supérieurs à 1012. La microstructure de peau ainsi que l effet de la trempe ont aussi été étudiés. Enfin, nous nous sommes intéressés à l évolution des propriétés mécaniques statiques et cycliques. Nous avons pu voir que l étape de forge permettait de refermer et souder les retassures de fonderie avec une tenue mécanique suffisante pour résister en fatigue. La Rp0,2, la Rm ainsi que l allongement à rupture sont augmentés. La microstructure optimale semble être une sous-structure des dendrites qui est la meilleure pour une déformation de 0,5 et une vitesse de 5 s-1 avec une température de préforme de 530C. Une bonne sous-structuration ainsi qu une faible rugosité en peau permettent aussi une amélioration de la durée de vie en fatigue après la frappe à chaud.The COBAPRESSTM is a hybrid process consisting of forging a cast preform. In this thesis, we are interested in its application to make parts with an AS7G03 aluminum alloy modified with strontium. Microstructural evolutions in hot conditions and the mechanical properties resulted from are not well known for this cast alloy and constitute the present work. The first part of the study presents the results obtained by simulation with two finite elements analysis software Simufact and ABAQUS. We could see that the maximal deformation occurs in the parting surface with a deformation closed to 0.5 and a rate which cans reach 10 s-1. Deformation in the skin due to the preform surface roughness is considered. The second part exposes the microstructure in the parts after forging. These observations were made by optical micrography and also by EBSD. This microstructure is predominantly substructured but can be recrystallized for Zener-Hollomon parameters higher than 1012. The typical skin microstructure and the effect of the quenching were also studied.Finally, we studied the evolutions of the static and cyclic mechanical properties. We could see that the forging step allows the welding of the shrinkage porosities with mechanical characteristics good enough to resist fatigue tests. The yield stress, the ultimate tensile stress and the ductility are all improved. The optimal microstructure seems to be a substructure of the dendrites which is the best for a deformation of 0.5 and a rate of 5 s-1 with a preform temperature of 530C. The good substructuration and the reduced roughness of the skin allow a greater improvement of the fatigue life of the samples after the forging step.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

ELABORATION ET CARACTERISATION MECANIQUE DE COMPOSITES A MATRICE TITANE RENFORCES PAR DES PARTICULES DE TIC

Les propriétés spécifiques du titane en font un matériau de choix pour remplacer l acier dans des applications où le poids est un paramètre de conception important. cependant, contrairement à l acier, le titane souffre de mauvaises propriétés tribologiques. c est pour répondre à cette problématique qu il est envisagé de développer des composites à matrice métallique (cmm) titane renforcée par des particules de carbure de titane. dans le cadre de ce projet, plusieurs nuances de cmm à matrice ti ou ti-6al-4v contenants différentes fractions volumiques de particules de tic ont été élaborées par métallurgie des poudres. trois procédés ont été employés : le frittage libre, la compression isostatique à chaud et le filage. les différentes nuances ont ensuite été caractérisées du point de vue microstructurale (taux de densification, taille des grains) et mécanique (traction). la confrontation des résultats a permis d établir un lien entre microstructure et propriétés mécaniques. dans l optique d étudier la mise en forme mais également d améliorer les propriétés mécaniques, un post-traitement de type forgeage a été appliqué à la suite de la phase d élaboration. excepté dans le cas des cmm filés, la présence de renforts entraîne l apparition d endommagement lors de la déformation à chaud. nous avons alors déterminé les conditions de forgeage les plus adaptées selon les nuances.finalement, à travers un travail de modélisation analytique et de simulation numérique par méthode d homogénéisation, nous avons déterminé les grandeurs mécaniques (module de young et limite d élasticité) et prévu la loi de comportement des cmm en traction.The specific properties of titanium make it a key material for the replacement of steel in weight dependent applications. however, unlike steel, titanium suffers from poor wear resistance. in order to improve this weakness, it is proposed to develop titanium metal matrix composites (mmc) reinforced with titanium carbide particles.to this end, ti and ti-6al-4v mmc were prepared with reinforcement fractions ranging from 5 percent to 20 percent using three powder metallurgy techniques: free sintering, hot isostatic compression and extrusion. the composites were then characterized from a microstructural (density, grain size) and a mechanical (tensile test) point of view. by comparing the results, it was possible to establish a relationship between microstructural features and mechanical properties.following their preparation, the composites were subjected to a forging step in order to study their behavior during hot deformation and to further improve their mechanical properties. the presence of particles induces the apparition of damage during hot deformation. therefore, we determined the best forging for the different composites whilst taking microstructure into account.finally, through analytical modeling and numerical simulations, we determined the young modulus, the yield stress and predicted the behavior of a mmc during a tensile test.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Testing metals in tension and relaxation at elevated temperatures

International audienceThis article describes an apparatus for testing viscoplastic metallic alloys in tension at temperatures up to 400◦C. Its distinctive feature is a two-shelled furnace which encompasses the test-piece. The extensometer is attached to the shoulders of the specimen and remains outside the oven, so that it works at room temperature. The strain εrs in the reduced section inside the tight fitting oven is calculatedwith the help of a finite element software from the strain εext given by the extensometer. In the elastic range, the set-up was used for the measurement of Young’s moduli. In the plastic and viscoplastic ranges, it was used to draw work-hardening curves and to perform relaxation tests representative of in-service conditions. In this later case, a method to derive the strain rate sensitivity from the decrease with time of the registered stress is presented. The furnace can be easily machined in a mechanical workshop for all shapes and dimensions of test-pieces, so that it can be adapted to various studies of the workability of metallic alloys, especially those which necessitate a rapid rise and precise maintenance in temperature

Soudage d'alliages d'aluminium par la technologie Friction Stir Welding Bobbin Tool

Dans le domaine des matériaux métalliques, les techniques d assemblage par soudageconduisent à des réductions de masse et de coûts importantes susceptibles d intéresserles industries aéronautiques. Néanmoins, les procédés de soudage classiquespar fusion ne s appliquent pas aux dernières générations d alliages d aluminium aéronautiques.Dans ce contexte, le procédé de soudage Friction Stir Welding présentedes atouts considérables, de nature à rendre compétitives les structures métalliquesface à la montée en puissance des matériaux composites.L objectif de cette thèse est double. Il s agit d une part d améliorer notre compréhensiondu procédé de soudage Friction Stir Welding Bobbin Tool puis dans undeuxième temps de proposer une méthodologie visant à prédire les paramètres desoudage optimaux.Afin de mener à bien ces objectifs, des essais de soudage ont été menés pour troisalliages d aluminium aéronautique, incluant deux alliages d aluminium-lihtium, etdeux épaisseurs, représentatives d une jonction de peau de fuselage. Les résultatsd essais ont par la suite été exploités et ont permis de mettre en évidence des corrélationsentre paramètres de soudage, température, puissance et malaxage du noyausoudé.Dans un troisième temps, afin de supporter la démarche expérimentale, des outilsde simulation ont été utilisés. Un modèle thermo-fluide local a été développé afinde simuler les phénomènes de malaxage dans le noyau soudé. A l échelle globale, unmodèle thermique a permis de reproduire fidèlement les phénomènes de diffusion dela chaleur dans la structure. Enfin, le couplage des deux modèles a montré qu il étaitpossible de simuler puis de prédire un domaine de soudabilité.In the field of metallic materials, welding technologies can provide significantmass reductions and cost savings to aircraft industries. Nevertheless, classical fusionwelding processes can not be applied to last generations of aeronautical aluminiumalloys. In this context, Friction Stir Welding offers many advantages and can helpmetallic parts to face the build up of composite materials.This thesis has mainly two objectives. We aim first at improving our understandingof Friction Stir Welding with Bobbin Tool and then at proposing a kind ofmethodology able to predict optimal welding parameters.Welding trials were carried out using three aeronautical aluminium alloys includingtwo aluminium lithium and two thicknesses representative of a fuselagejunction. Results were analyzed and some correlations were found between weldingparameters, temperature and stirring of the weld nugget.This work was also supported by several modeling tools. A local thermo-fluidapproach has been used to simulate stirring of the material in the weld nugget. Aglobal thermal model has been used to simulate heat diffusion in the structure. Then,a coupled approach of these previous modeling tools shows that it was possible tonumerically predict a processing window.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Parallel Computing of Thermo-Fluid Modeling Related to the FSW Process

International audienceThis paper is devoted to the numerical computation of a steady-state thermo-fluid modeling related to the Friction Stir Welding Process in a two-dimensional cylindrical geometry. It analyzes the efficiency of the implementation on parallel architectures of two finite-difference schemes on a structured grid. The first one applies the Newton-Raphson method to compute a numerical solution of this non-linear elliptic type equation, and uses an iterative sparse solver. The second one is based on a time-marching approach converging to the steady state solution thanks to a time-explicit computation. Their respective performance is presented and discussed. Some numerical simulation results are presented to validate the proposed approach