Modélisation du comportement mécanique des aciers à haute résistance
Directeur de thèse : Siham MGUIL
Unité d’Accueil : UMR 7357 - ICUBE
Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie
Département de mécanique
Equipe : Matériaux Multi Échelle et Biomécanique
Établissement de rattachement: UdS
Collaboration : Graduate Institute of Ferrous Alloy Technology, Pohang University of Science and Technology, Corée du Sud (Pr. Fréderic Barlat)
Descriptif du sujet :
Les aciers ont de nombreuses applications dans la construction, l'emballage (boîtes de conserve) et dans l'automobile. La diminution du poids des automobiles afin de réduire la consommation de carburant ainsi que l'amélioration de la sécurité sont des domaines importants de recherche dans l'industrie automobile. Les constructeurs exigent donc des matériaux plus résistants mais ayant toujours une excellente formabilité. L'industrie sidérurgique a donc développé une nouvelle classe d’aciers tels que les aciers à effet TRIP (TRansformation Induced Plasticty). Ces aciers sont des aciers multi-phasés particuliers où la ferrite se transforme partiellement en martensite après une sollicitation mécanique.
De nombreux travaux se sont focalisés sur la modélisation du comportement mécanique de ces aciers à effet TRIP. Mais ces modèles sont compliqués à utiliser et à introduire dans un code de calcul par éléments finis.
Le but de ce travail est de proposer une modélisation micromécanique fidèle du comportement des aciers à multi-phases tels que les aciers TRIP. Le modèle devra retranscrire la transformation de phase qui s'opère lors de la sollicitation mécanique imposée à ces aciers. La nouvelle modélisation sera développée en utilisant le concept de la modélisation auto-cohérente en se basant sur l’approche originale et performante du modèle- récemment développé au sein de l’IMFS par Ahzi et MGuil (2008). Le modèle proposé devra ensuite être introduit via un sous-programme VUMAT dans le logiciel de calcul par éléments finis ABAQUS/explicit. Des essais de mise en forme seront alors simulés. Les prévisions du modèle seront comparées avec les données expérimentales disponibles dans la littérature.
Contexte international
Ces travaux s’inscrivent dans une thématique générale de modélisation micromécanique avec une application dédiée à la mise en forme des métaux, en particulier des aciers TRIP.
Ces travaux sont axés sur la plasticité des cristaux et en particulier sur la prédiction des textures de déformation dans les métaux en grandes déformations viscoplastiques. Dans ce contexte, le nouveau modèle d’homogénéisation, baptisé le modèle-, qui peut prédire les transitions de texture dans les métaux polycristallins, s’avère être une modélisation très performante. La particularité de ce modèle est qu’il prend en compte les effets d’interactions entre les grains sans la théorie d’Eshelby.
Ces travaux de recherche intéressent fortement la communauté scientifique internationale (voir liste de publications). Nous collaborons avec plusieurs scientifiques mondialement reconnus qui sont fortement intéressés par l’originalité et le potentiel de notre approche. Ci-dessous, un bref aperçu des thèmes des collaborations et des publications en commun avec les personnes concernées :
Professeur F. Barlat - Université de Pohang (Corée du Sud) - «Mise en forme et texture»
Ce travail se déroulera en collaboration étroite avec le Professeur Frédéric Barlat (Graduate Institute of Ferrous Alloy Technology, Pohang University of Science and Technology, Corée du Sud). Le professeur F. Barlat est un expert des problèmes de modélisation en mécanique des matériaux. Il a travaillé notamment comme expert scientifique à Alcoa spécialisée dans l’aluminium. Depuis 2008, il travaille à l’Université des Sciences et Technologies de Pohang (Corée du Sud). Il est fortement intéressé par une application du modèle- aux aciers TRIP. Le laboratoire du Professeur F. Barlat fournira les résultats expérimentaux pour la validation de l’approche proposée.
Résultats de la collaboration avec le Professeur F. Barlat
- 2 articles dans des journaux internationaux
- 2 présentations orales dans des congrès internationaux
Professeur J. Gracio - Université d’Aveiro - «Simulations numériques et texture»
Le professeur J. Gracio nous oriente vers les aspects matériaux de notre modélisation (lien entre le paramètre et la taille des grains du polycristal, énergie de défaut d’empilement, …). Le professeur J. Gracio met à notre disposition les moyens expérimentaux de son laboratoire (mise en forme et caractérisation des matériaux).
Avec le professeur Gracio, nous avons participé au projet FCT (Fundação para a Ciência ea Tecnologia) suivant intitulé «Advanced material modelling through the use of an innovative polycrystal plasticity framework». (REF: PTDC/EME-TME/100895/2008, 2010-2013, 116 k€)
Ce projet porte sur le modèle- développé à ICUBE (ex. IMFS). Il s’agit en particulier de coupler le modèle à un code EF; de calibrer le modèle avec des expériences; d’élucider et de quantifier les liens entre le paramètre et les paramètres de microstructures. 3 articles ont été publiés dans le cadre de ce projet.
Résultats de la collaboration avec le Professeur J. Gracio :
- 8 articles dans des journaux internationaux
- 5 présentations orales dans des congrès internationaux
Professeur H. Garmestani - Georgia Tech, Atlanta (USA) - «Textures des matériaux hexagonaux»
Avec le professeur H. Garmestani, spécialiste du comportement du titane et du magnésium, nous nous intéressons au cas des matériaux à faible symétrie tels que les matériaux hexagonaux.
Résultats de la collaboration avec le Professeur H. Garmestani
- 2 présentations orales dans des congrès internationaux
Pr. M.A. Khaleel - PNNL : Pacific Northwest National Laboratory, WA, USA - «Simulations numériques et texture»
Le professeur M.A. Khaleel et son équipe ont utilisé notre modèle sur le Magnésium. Intéressés par les résultats obtenus (1 article en cours de publication dans International Journal of Plasticity), nous sommes en train de monter un projet international basé sur le nouveau modèle d’homogénéisation pour la prédiction et la simulation du comportement mécanique des matériaux polycristallins lors des opérations de mise en forme par déformation plastique. En effet, puisque ce modèle prend en compte les paramètres microstructuraux ainsi que les mécanismes physiques de la déformation plastique, il conduit à une description réaliste et précise des lois de comportement constitutives des matériaux sous sollicitations. Aussi, d’un point de vue fondamental, le projet peut aider à la compréhension de plusieurs mécanismes non élucidés à ce jour : cause des transitions de texture, déclanchement du mode de formation par maclage, la dépendance des matériaux à plusieurs paramètres microstructuraux ainsi que la plasticité à haute température. En effet, à ce jour aucun modèle existants (car inaptes à la prédiction des transitions de texture) ne peut rendre compte des modifications de textures cristallographiques sous divers chargements et conditions. Ce qui n’est pas le cas de notre modèle puisqu’il permet la prédiction des transitions de textures.
Résultats de la collaboration avec le Professeur M. A. Khaleel
- 2 présentations orales dans des congrès internationaux
- 1 article en cours de publication (International Journal of Plasticity)
Références liés au sujet de thèse (modèle-)
S. M’Guil, W. Wen, S. Ahzi and J. Gracio. 2013
Analysis of shear deformation by slip and twinning in low and high stacking fault energy FCC metals using the -model. Submitted to Materials Science & Engineering A, 2013
D.S. Li, S. Ahzi, S. M’Guil, W. Wen, C. Lavender and M.A. Khaleel. 2013
Modeling of deformation behavior and texture evolution in magnesium alloy using the intermediate -model. Accepted for publication in International Journal of Plasticity
W. Wen, S. M’Guil, S. Ahzi and J. Gracio. 2012
Coupled effects of the lattice rotation definition, twinning and interaction strength on the FCC rolling texture evolution using the viscoplastic -model. International Journal of Plasticity, DOI. 10.1016/j.ijplas.2012.09.009
W. Wen, S. M’Guil and S. Ahzi. 2012
Rolling texture transition in FCC metals using the viscoplastic -model and considering mechanical twinning. Materials Science Forum, Vols. 702-703, 2012
S. M’Guil, W. Wen, S. Ahzi, and J. Gracio. 2011
Modeling of large plastic deformation behavior and anisotropy evolution in rolled bcc steels using the viscoplastic polycrystalline intermediate -model. Materials Science & Engineering A, Vol. 528, pp. 5840-5853, 2011
S. M’Guil, S. Ahzi, F. Barlat and J. Gracio. 2011
Microstructural effects on yield surface evolution in cubic metals using the viscoplastic -model. International Journal of Plasticity, Vol. 27, pp. 102-120, 2011
S. M'Guil, W. Wen and S. Ahzi. 2010
Numerical study of deformation textures, yield locus, rolling components and Lankford coefficients for FCC polycrystals using the new polycrystalline -model. International Journal of Mechanical Sciences Vol. 52, pp. 1313-1318, 2010
S. M’Guil, S. Ahzi, H. Youssef, M. Baniassadi and J. Gracio. 2009
A comparison of viscoplastic intermediate approaches for deformation texture evolution in FCC polycrystals. Acta Materialia, Vol. 57, pp. 2496-2508. 2009
S. M’Guil, S. Ahzi and J. Gracio. 2009
Analysis of texture evolution in HCP polycrystals using a viscoplastic intermediate approach : the -model. International Journal of Material Forming, Vol. 2, pp. 57-60. 2009
S. M’Guil, S. Ahzi, F. Barlat and J. Gracio. 2009
Predictions of polycrystalline yield surfaces for fcc metals using a viscoplastic intermediate approach. International Journal of Material Forming, Vol. 2, pp. 399-402. 2009