Aluminum Sheet Metal Damage Mechanisms Application to Trimming and Hemming

Aluminum alloys are increasingly used in automotive structural applications thanks to their combination of low density, high strength, and good formability. Appropriate strength levels for dent resistant automotive aluminum panels may be achieved by a combination of alloy design and thermo-mechanical treatments. Unfortunately, increased strength (hardness) generally limits homogeneous plastic deformation. Thus, when shaping complex components large deformation and eventually strain localization, necking and final failure is more likely to occur. In this chapter, we endeavor to explore the best compromises between increased hardening and satisfying formability. Sheet metal shaping generates large strains and eventually strain localization. The accurate measure of metal behavior is discussed first. The following section is dedicated to the kinetics of damage development during shaping. Then metal ductility at low stress triaxiality and consequent strain localization are discussed. Finally, trimming and hemming, the most complex shaping operations to perform efficiently are analyzed providing a powerful tool for alloy design

Caracterisation de la rupture interfaciale de points soudes d'aciers a tres haute resistance

La détermination de la tenue mécanique de points soudés est un enjeu industriel important, eten particulier dans le cas d aciers à Très Haute Résistance. Actuellement, l essai de tractionen croix est l essai mécanique le plus répandu caractérisant la tenue des points soudés.Toutefois, l étude de l influence des différentes zones constituant le point soudé sur la tenueest difficile en se basant sur cet essai.Un essai d enfoncement de coin a été développé afin de caractériser les ruptures interfacialesdes points soudés. Une section transverse d un point soudé est observée tandis qu un coin estinséré entre les deux tôles soudés. Une caméra CCD enregistre l'observation de lapropagation de la fissure.Le pliage limité des tôles durant la fissuration rend efficace la classification des différentspoints soudés par l'énergie totale dissipée par unité de surface rompue. De plus, la mesure insitu de l angle d ouverture de fissure caractérise la fissuration stable de la zone fondue. Dessimulations par éléments finis de l essai sont conduites afin d estimer un lien entre cesmesures et la rupture du matériau, modélisée par des zones cohésives.La rupture interfaciale de points soudés d aciers DP et TRIP a été étudiée. Les mesuresexpérimentales permettent d estimer les paramètres de modèles cohésifs représentatifs de larupture de la zone fondue, constituant des données fiables susceptibles d être utilisées danstoute simulation numérique du comportement du point soudé.Characterization of spot weld strength is a key industrial issue, particularly in the case of Advanced High Strength Steels. Today, the most widely used mechanical test evaluating this strength is the Cross Tensile Test. However, investigating the role of the different zones of one spot weld based on this test is difficult.A wedge test has been developed in order to characterize interfacial failures of spot welds. A cross section of one spot weld is observed while a wedge is inserted in between the two welded sheets. A CCD camera records the observation of the propagating crack. The limited sheet bending occurring during crack propagation allows the spot weld classification based on the total energy dissipated per unit fractured area to be efficient.Furthermore, the stable crack propagation is characterized by the in situ measurement of the crack opening angle. Finite element simulations of the test are carried out to estimate a relation between these measurements and the material resistance, approached by a cohesive zone model.Interfacial failures of spot welds of DP and TRIP steels have been investigated. The experimental measurements allow to estimate parameters of a cohesive zone model representative of the molten material failure, providing reliable and appropriate data for simulations of the mechanical behavior of the complete spot weld.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Simulation expérimentale des effets d'irradiation sur le comportement thermomécanique du combustible UO2 (impact des produits de fission solides et gazeux)

La modélisation du comportement thermomécanique de UO2 nécessite la prise en compte des produits de fission (PF), susceptibles de modifier son comportement. La thèse a étudié l impact des PF en solution solide et des gaz de fission sur le comportement, en situation d Interaction Pastille-Gaine. Les domaines fragile et ductile des combustibles ont été investigués. La présence des PF élève la température de transition fragile-ductile, et réduit les contraintes de rupture dans le domaine fragile. La diminution est attribuée à l augmentation du nombre de défauts microstructuraux créés par la solution solide et à la présence de bulles aux joints de grains. Les mécanismes de fluage ont été étudiés par des analyses microstructurales après déformation. En comparant UO2 et les combustibles simulants, à microstructure identique, un facteur de fluage a été déterminé. Il traduit un effet durcissant de la solution solide. La présence de bulles de gaz induit un couplage entre durcissement et amplification.Simulation of thermomechanical behaviour of UO2 has to take into account irradiation effects since Fission Products (FP) can modify its behaviour. Differentiation was made between fission products which create a solid solution and gaseous products as bubbles. Brittle and ductile behaviour of UO2 was investigated, under conditions representative of Pellet-Cladding Interaction. Addition of simulates FP increase the brittle-to-ductile transition temperature and reduce fracture stresses. Decrease of fracture stress is due to an increase of microstructural defects created by the solid solution and to bubbles at grain boundaries. Creep controlling mechanisms were evidenced by microstructural analysis performed on pellets at different strains. With calculations on fuels having the same microstructures than the SIMFUELs, a creep factor is determined. It revealed a hardening by the solid solution, whereas bubbles showed a coupling between hardening and softening effects.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Découpe de tôles en alliages d'aluminium (analyse physique et mécanique)

Lors des opérations de découpe sous presse des tôles, certaines nuances d'aluminium soulèvent la problématique d'émission de paillettes pour certaines conditions géométriques d'outillage non appropriées. Cette thèse décrit dans un premier temps le mécanisme de génération de paillettes. En pratique, ce mécanisme dépend des paramètres géométriques du procédé tels le jeu, le rayon de la lame, l'angle de coupe, l'épaisseur de la tôle et la présence éventuelle d'un soutien de chute mais également du matériau découpé. Toutefois, les tendances observées expérimentalement étant complexes et couplées, un modèle numérique global a été développé pour quantifier le phénomène. Il consiste en un model micro-mécanique pour la prévision de la ductilité en découpe et en un modèle macroscopique pour la prévision de la trajectoire de la fissure. Au final, les faciès et profils de découpe numériques sont confrontés avec succès aux observations expérimentales.During press trimming process of sheet metal, some aluminium alloys are subject to the problem of sliver production under inappropriate settings of cutting parameters. This thesis describes first the mechanism of sliver generation. In practice, this mechanism depends on geometrical process parameters like clearance, blade radius, cutting angle, sheet thickness, and scrap holder but also on the cut material. However, these experimental trends and their interactions are complex and a numerical model of the process has been developed to quantify the phenomenon. It consists of a micro-mechanical model for the prediction of crack initiation and a macroscopic crack bifurcation model for the prediction of crack trajectory. Finally, the numerical cutting surfaces for miscellaneous process parameters are successfully confronted with experimental cross sections of the sheet.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Endommagement des soudures d'aciers à très haute résistance pendant l'essai de traction en croix (analyse mécanique et métallurgique de la fissuration dans la zone fondue)

Le soudage par point est l un des procédés incontournables de l industrie automobile. Le développement de nouveaux aciers à très haute résistance (THR, Rm>=800MPa) doit répondre alors à des préconisations très spécifiques liées à ce procédé. Dans le test de traction en croix, l aspect après rupture généralement requis est le déboutonnage dans le métal de base ou dans la Zone Affectée Thermiquement (ZAT). Or ce comportement très courant pour les aciers faiblement alliés diffère pour les aciers Dual-Phase (DP) et TRansformation-Induced Plasticity (TRIP). La fissure se propage le plus souvent partiellement ou totalement dans la zone fondue (ZF) le long du plan de joint. Cette morphologie à rupture est souvent rejetée durant les tests qualitatifs car assimilée à une faible tenue mécanique du noyau fondu. En plus, la tenue mécanique (CTS) de l assemblage n augmente pas avec la résistance mécanique du métal de base. Une méthode originale d analyse de l évolution de la courbe de traction en croix nous a permis de révéler jusqu à six étapes d endommagement. Ces séquences traduisent la rigidité apparente de l assemblage durant le test. L interprétation physique des différentes évolutions confirme que la tenue CTS de l assemblage n est pas directement corrélée à un type de rupture précis. C est l interaction entre les composantes mécaniques du test et la résistance locale à la fissuration qui permettent d aboutir à la valeur en CTS. Plusieurs nuances DP et TRIP présentant des types de ruptures différentes ont été ainsi analysées. Notre compréhension de la microstructure locale nous a amené à évaluer l impact de chaque séquence d endommagement sur la tenue mécanique finale. On en conclut alors que les ruptures dans la zone fondue n induisent pas nécessairement une baisse de la tenue mécanique. Cette approche nous a permis aussi de développer un outil de compréhension du comportement des soudures (DCM, Damage Contribution Methodology) afin de cibler les leviers sur lesquels on pourrait agir pour atteindre des performances optimales.Resistance spot welding is the most widely used joining process in automotive industry. In order to assess the performances of the spot welds, specific behaviour is recommended after the cross-tension test. Mild and low-alloyed steels show a plug failure occurrence in the base metal or the Heat-Affected Zone (HAZ) and then meet the standards. Newly developed advanced high-strength steels (AHSS, Rm>=800MPa) have to meet also specific requirements of this process. However, Dual-Phase (DP) and TRansformation-Induced Plasticity (TRIP) steels exhibit a completely new behaviour where crack propagates very often partially or totally within the Fusion Zone (FZ) along the joint interface. The obtained plug size is generally rejected after qualitative tests because it is assumed to correspond to a very low mechanical strength. Add to this that the cross-tension strength (CTS) of the joint does not increase with base metal resistance. In this work, a new methodology to analyse the cross-tension test curves is developed and leads to the definition of the damage steps (6 at most). These sequences are highlighted by precise evolutions of the apparent rigidity during the test. Physical interpretations explain the occurrence of each sequence and confirm that CTS level is not directly correlated to a specific failure type. In order to assess CTS, we argue how both mechanical components of the solicitation and local crack resistance have to be considered. Several DP and TRIP steels exhibiting very different failure types are analyzed. Our characterization of local microstructure leads us to understand the variations of the apparent rigidity during a given sequence and hence the impact of base metal or weld microstructures on CTS. It is hence assessed that crack paths responsible for failures within the FZ are not necessarily indicative of a reduced mechanical strength. This approach is capitalized through the Damage Contribution Methodology, DCM. With the help of this new tool, it becomes possible to target the physical factors that steel developers have to act on to reach optimal mechanical behaviour.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Metal ductility at low stress triaxiality application to sheet trimming

International audienceThe growth and coalescence of voids nucleated by decohesion or cracking of second phase particles is a common damage process for many metallic alloys. Classical damage models, based on void growth and coalescence, predict a ductility increase if the stress triaxiality is decreased. But experiments show that the material ductility decreases at very low stress triaxialities typical of sheet metal forming operations. At very low stress triaxiality no void growth is observed in metals containing second phase particles. In the present work, a new damage model for metals containing second phase particles submitted to low stress triaxiality loading is propose

Etude des mécanismes de rupture du silicium induits par l'implantation ionique d'hydrogène dans le cadre de la technologie Smart Cut TM

La technologie Smart Cut est un procédé d élaboration de films minces et de substrats SOI basé sur l implantation ionique d ions légers dans le matériau (H+). Lors d un traitement thermique, les défauts étendus hydrogénés nucléés durant l implantation se développent, conduisant à la formation d une ligne de fissuration dans le matériau et au transfert du film mince. Les travaux de thèse ont consisté à étudier l étape de rupture du silicium liée au developpement de ces défauts structuraux sous activation thermique. Les mécanismes physico-chimiques clés impliqués dans la rupture du silicium ont pu être décrits ou quantifiés. Ils ont permis de mettre en évidence un mécanisme global de transfert de films minces et les différents modes de croissance des défauts étendus hydrogénés. Suite à l analyse du silicium implanté et recuit, des modèles permettant de prévoir le développement des micro-fissures et d optimiser la technologie Smart Cut ont été proposés.The Smart Cut technology is a thin layer and SOI substrates making process based on ion implantation of light elements in the material (H+). During a thermal treatment, the hydrogenated extended defects, created at the time of the implantation, grow up and form a fracture line in the material leading to the thin layer transfer. The research was essentially focused on the splitting mechanism in silicon related to the hydrogen extended defects growth under thermal treatment. The key physical chemistry and mechanical mechanisms of the hydrogen-induced layer transfer in silicon have been studied and quantified. A comprehensive picture of the splitting phenomenon was underlined. The different steps of growth kinetics of hydrogen extended defects were subsequently described. Following the analysis of the implanted and annealed silicon, models allowing to predict the growth kinetics of microcracks and optimize the Smart Cut technology were proposed.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Stress concentrations in non-convex elastic particles embedded in a ductile matrix

International audienceAluminium sheet is currently used for body panels on a number of mass-produced vehicles, in particular for closure panels. AA5xxx alloys always contain coarse inter-metallic particles (Alx(Fe,Mn)ySi, Mg2Si) after casting, undesirable for the final sheet forming and stamping operations. In the present work inter-metallic particle break-up during hot reversible rolling of AA5182 alloy sheets has been analysed by both experiments and by a micromechanical model. The sizes and shapes of inter-metallic particles in as cast and industrially hot rolled AA5182 alloys sheets were characterised by 3D X-ray tomography observations. The evolution of inter-metallic particle size and shape vs. hot rolling deformation was studied. The stresses and strains in inter-metallic particles, embedded in an elasto-viscoplastic aluminium matrix submitted to plane strain compression, were analysed by a finite element (FE) model. First, the mechanisms leading to stress and strain concentrations were analysed on several model particle shapes. A new algorithm for FE-analysis of stress concentrations around hard second phase particles in Al alloys was developed. A new failure criterion for brittle pre-cracked solids embedded in a soft matrix submitted to large straining was proposed. Secondly, this new algorithm and the new failure criterion were used to analyse the stress and strain concentrations in the real particles observed by X-ray tomography. The ability to break-up of the particles was analysed. The essential outcomes of the present work are as follows: a precise description of stress concentration mechanisms in non-convex particles, a new failure criterion based on the comparison between an active and a critical volume, a close description of the parameters controlling particle break-up, and finally a classification of the failure behaviour of real inter-metallic particles