Influence of deformation path on microstructure and damage evolution during the open die forging of high strength steels: experiments and FE analysis

Résumé

Les grands blocs forgés en aciers à outils à teneur moyenne en carbone et à haute résistance sont largement utilisés dans les industries de formage pour fabriquer des matrices destinées à des applications telles que le moulage par injection de plastique, la déformation à chaud et l'extrusion. La production de ces composants implique une séquence d'opérations de moulage, de forgeage, de trempe et de revenu. L'objectif principal du processus de forgeage est d'éliminer les défauts de coulée qui peuvent survenir pendant la solidification, tels que la ségrégation, le retrait, la porosité, et la rupture de la structure de la pièce coulée pour la convertir en un matériau plus homogène et isotrope, la microstructure de corroyage. Il est essentiel d'atténuer autant que possible les défauts de coulée au cours de la phase de forgeage. Toutefois, lorsque les défauts sont importants, il devient difficile de les éliminer complètement et de traiter l'hétérogénéité par le seul traitement thermique. Les paramètres clés présents au cours du processus de forgeage sont la vitesse de déformation, la température et la déformation, qui affectent de manière significative l'efficacité du processus et la qualité du produit final. Outre ces paramètres, des facteurs tels que la géométrie de la matrice et du lingot, le rapport entre la largeur de la matrice et la capacité de la presse influencent l'écoulement du matériau et l'évolution de la microstructure pendant le forgeage. Cette recherche étudie spécifiquement l'impact de la géométrie de la matrice en modifiant sa conception pour créer différents chemins de déformation. L'objectif principal de cette thèse est d'examiner les effets de ces trajectoires de déformation sur l'évolution de la microstructure et le développement des dommages pendant le forgeage à matrice ouverte des aciers à haute résistance. La première étape de cette étude a consisté à développer un modèle d'éléments finis basé sur la microstructure afin d'examiner l'impact du chemin de déformation sur l'évolution de la microstructure pendant le processus de refoulement des lingots te grande dimension d'acier à haute résistance, moyennement carboné et faiblement allié. Pour ce faire, des essais de compression à chaud ont été réalisés à l'aide du simulateur thermomécanique Gleeble 3800. Les données de contrainte d'écoulement obtenues à partir de ces essais ont été corrigées et utilisées pour établir un modèle de matériau et un modèle de microstructure. Ces modèles ont ensuite été intégrés dans le logiciel de simulation par éléments finis Forge® NxT 3.2 à l'aide d'une routine utilisateur. Les prévisions des éléments finis ont été validées en les comparant aux résultats expérimentaux des essais de compression à chaud, ce qui a permis d'obtenir des prévisions précises de la contrainte d'écoulement et de la taille des grains recristallisés à la fin de la déformation à chaud. Après validation, le modèle d'éléments finis a été mis à l'échelle pour simuler le processus industriel de refoulement, ce qui a permis d'étudier les effets de la trajectoire de déformation sur l'inhomogénéité de la déformation et l'évolution de la microstructure dans les grands lingots forgés. Une analyse de quatre géométries de matrice a été réalisée afin d'identifier la forme optimale de la filière pour minimiser l'inhomogénéité de la déformation et de la taille des grains dans le lingot. L'étude a montré que la matrice convexe provoquait la déformation la plus faible, tandis que la matrice concave induisait les valeurs de déformation les plus élevées au centre du lingot. En utilisant le coefficient de variation comme mesure de l'hétérogénéité, il a été conclu que la matrice en V et la matrice concave produisaient une distribution plus uniforme de la taille des grains que les matrices plates et convexes. La deuxième partie de l'étude s'est concentrée sur l'influence du chemin de déformation, illustré par la géométrie de la matrice, sur l'évolution des dommages pendant le cogging de l'acier AISI H13 difficile à forger, à teneur moyenne en carbone et à alliage élevé et à haute résistance. Des essais de compression et de traction à chaud ont été réalisés à l'aide du simulateur thermomécanique Gleeble 3800 pour développer le modèle de matériau optimal qui a ensuite été implémenté dans le code d'éléments finis Forge® NxT 3.2 à l'aide d'un sous-programme développé par l'utilisateur. Le critère d'endommagement normalisé de Cockcroft et Latham et la théorie de la rupture par contrainte de cisaillement maximale (Tresca) ont été utilisés pour prédire l'endommagement et la rupture dans l'axe central de l'arbre au moyen d'une analyse par éléments finis avec trois formes de matrice différentes : concave, plate et convexe. Une étude comparative entre les trois géométries de matrice a été menée pour quantifier les effets de chacune d'entre elles sur la sensibilité à l'endommagement de l'éclatement central. Le modèle d'éléments finis a été validé à l'aide de données industrielles. Les valeurs d'endommagement les plus faibles et les plus élevées ont été trouvées dans le cas d'un cogging avec une matrice concave et une filière plate, respectivement. Le coefficient de variation (CoV) a été utilisé comme mesure de l'hétérogénéité et il a été constaté que la matrice concave fournissait une déformation plus uniforme et les résultats les plus favorables pour le cogging par rapport aux matrices plates et convexes. La nouvelle approche, l'application de la matrice concave, a été mise en oeuvre avec succès à l'échelle industrielle. La troisième et dernière partie de cette étude se concentre sur les simulations physiques et numériques d'un processus de déformation en plusieurs étapes afin d'étudier comment le chemin de déformation influence l'évolution de la microstructure et la distribution des propriétés mécaniques. Des expériences de déformation en plusieurs étapes ont été menées sur des échantillons d'acier à haute résistance à l'aide du simulateur thermomécanique Gleeble 3800, équipé de l'accessoire MaxStrain®. Tous les essais ont été réalisés à une vitesse de déformation de 0,01 s-¹ et à une température de 1150°C, avec deux trajectoires de déformation différentes. Une déformation réelle totale de 0,84 a été obtenue en quatre étapes, avec une déformation d'environ 0,21 appliquée à chaque étape. Les résultats ont été analysés pour examiner l'effet des différentes trajectoires de déformation sur l'évolution de la microstructure et la distribution de la dureté. Un modèle d'éléments finis a été créé à l'aide du code Forge® NxT 3.2 pour simuler le processus de déformation en plusieurs étapes. Ce modèle d'éléments finis a été validé par rapport à la taille moyenne des grains mesurée et à la distribution de la dureté à la suite des expériences de déformation en plusieurs étapes. Une fois validé, le modèle FE a permis de prédire la distribution des déformations, la fraction volumique de la recristallisation dynamique (DRX) et l'évolution de la taille des grains au cours du processus. Une analyse comparative des résultats des deux voies de déformation a été réalisée afin d'identifier la voie optimale pour obtenir une déformation uniforme et une distribution de la taille des grains. Le coefficient de variation (CoV) a été utilisé pour évaluer l'hétérogénéité de la distribution de la dureté. Les résultats indiquent que les enclumes concaves favorisent une distribution plus élevée et plus uniforme de la déformation, ce qui se traduit par une distribution plus homogène de la taille des grains et de la dureté.

Date	3 sept. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice))