L’étude bibliographique sur les inclusions a permis d’identifier les paramètres influents sur le comportement de ces défauts, notamment la température, la déformation, la pression hydrostatique et la vitesse de déformation. Quant à la simulation numérique du laminage, elle permet d’avoir une estimation de la valeur de ces grandeurs qui va servir à l’évaluation des performances de chaque essai envisagé.
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1.6.1 Les objectifs de la mise en œuvre d’un essai expérimental
Lors de l’élaboration de l’acier plusieurs types de défauts apparaissent comme la ségrégation, les porosités et les inclusions. Les deux derniers énoncés ont une forte influence sur les caractéristiques mécaniques des produits finis notamment sur la tenue en fatigue [THO71]. Pour faire face à l’exigence de plus en plus élevée des clients il est nécessaire de comprendre le comportement de ces défauts au cours du laminage afin de maitriser et d’améliorer la santé interne des produits laminés.
De nombreuses études numériques sur le comportement des inclusions sont disponibles dans la littérature. Les paramètres d’entrée variables des inclusions sont la taille, la forme, la nature et leur distribution dans la barre [YU09], [LUO01a]. Les conditions variables sur le laminoir sont la levée entre les cylindres qui détermine le taux de réduction appliqué au produit, la vitesse de laminage, la température et le diamètre des cylindres [ERV05]. A travers différentes études numériques rencontrées dans la littérature les auteurs identifient les paramètres de laminage influant sur le comportement des défauts. De plus, des études expérimentales sont menées pour analyser les conditions de fermeture des porosités durant le laminage [WAL85], [STÅ92], [WAN96].
Le suivi de l’évolution morphologique d’un défaut après chaque passe de laminage sur l’outil de production LUNA est impossible. Ces essais entraineraient un arrêt de la production et demanderait un investissement financier considérable. L’objectif des travaux de thèse est de comprendre le couplage thermomécanique sur l’évolution des défauts de coulée lors de l’opération de laminage. L’essai expérimental mis en œuvre doit reproduire un chemin thermique, des pressions hydrostatiques, des amplitudes de déformation et des vitesses de déformation dans le lopin similaires aux sollicitations rencontrées dans la barre laminée. Deux solutions sont possibles pour reproduire les sollicitations souhaitées. Soit les sollicitations rencontrées en laminage sont reproduites sur toute la section de l’échantillon ou soit des zones sur la section sont sélectionnées. Cet essai de caractérisation à échelle laboratoire permettra de suivre l’évolution des défauts au cours de la mise en forme. Le choix de l’essai est basé sur deux critères. Le premier est que l’essai doit respecter l’alternance des déformations comme en laminage. Le second critère concerne le rapport des déformations principales (𝜀𝜀𝑥𝑥
𝑦𝑦,
𝜀𝑥𝑥
𝜀𝑧𝑧). La Figure 39 présente l’essai de forgeage qui doit générer les mêmes sollicitations thermomécaniques qu’en laminage influent sur le comportement de l’inclusion. Une étude paramétrique des conditions de forgeage sera menée pour déterminer leurs influences sur l’évolution du défaut et ainsi faire une corrélation avec les paramètres de laminage.
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Figure 39 : Inclusion subissant des sollicitations thermomécaniques similaires que ce soit en laminage ou lors de l'essai de forgeage1.6.2 Etat de l’art sur les méthodes permettant de reproduire les sollicitations thermomécaniques du laminage
Les études présentes dans la littérature montrent que des essais rhéologiques sont utilisés pour déterminer des lois d’écoulement, des modèles de frottement et l’évolution de la microstructure dans des conditions proches de celles rencontrées en laminage. Les essais relevés s’appliquent au cas du laminage de tôle. L’essai le plus répandu pour représenter le laminage est le bi-poinçonnement. Cet essai consiste à déformer des échantillons parallélépipédiques entre deux poinçons [KUB80]. La largeur de l’échantillon (L) est grande par rapport à la largeur des poinçons (2a). La Figure 40 illustre d’une part l’analogie entre le laminage et le bi-poinçonnement et d’autre part le principe de l’essai.
Essai de caractérisation Inclusion Laminage Na tu re Forme Distribution Taille T° Forme Température Nomb re de cag es
Section initiale du bloom
Lev ée en tr e c ylind res Ø cylindr es Nomb re de pass es repr ésen tées Température Géométrie éprouvette Vit ess e de la minag e P ar amè tr es es sais Validation/ calage
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Figure 40 : a) Analogie laminage – bi-poinçonnement [GEL94] ; b) Schéma de principe de l'essai de bi-poinçonnement [KUB80]MONTMITONNET montre une similitude des zones de déformation plastique entre le laminage et l’essai de bi-poinçonnement, cela quel que soit le rapport L/ℎ̅ [MON03]. Le paramètre ℎ̅ correspondant à la hauteur moyenne du solide déformé. Il montre que les zones plastifiées sont plus grandes et que la déformation est de plus en plus homogène lorsque le rapport L/ℎ̅ augmente.
L’essai de bi-poinçonnement ayant des modes de déformation proches de ceux rencontrés en laminage, GELIN s’en sert pour déterminer des lois d’écoulement et les évolutions de la microstructure de tôle en aluminium [GEL94]. Dans son étude GELIN balaye divers essais rhéologiques comme les essais de compression et de torsion. Il écarte l’essai de torsion car il impose un état de déformation de cisaillement pur tandis qu’en laminage le cisaillement est faible. L’essai de compression peut convenir pour déterminer le comportement de la matière à chaud. Cependant il est difficile de minimiser le frottement entre l’échantillon et les outils ce qui peut entrainer des hétérogénéités de déformation. Dans ses travaux FORESTIER considère que les tôles obtenues en laminage présentent un comportement anisotrope et donc l’écoulement de matière est supérieur dans certaines directions [FOR04]. Ce phénomène justifie l’utilisation d’un modèle tridimensionnel comme l’essai de compression présentant un comportement anisotrope. L’échantillon de section circulaire avant déformation tend à s’ovaliser au cours de la mise en forme.
L’étude proposée par FARRUGIA traite des mécanismes d’endommagement dans les angles d’une brame durant le laminage [FAR06]. Cette zone de la brame est soumise à un régime complexe de triaxialité des contraintes. De plus un gradient de température d’environ 200°C est notable entre le cœur et la peau du produit laminé. Pour étudier l’influence des sollicitations thermomécaniques sur les mécanismes d’endommagement il utilise une approche numérique à travers un essai rhéologique permettant de reproduire les sollicitations du laminage. Pour déterminer le taux d’endommagement FARRUGIA a utilisé divers critères comme ceux de LATHAM & COCKROFT, COCKS et OYANNE. La modélisation est réalisée avec le logiciel ABAQUS/Explicit. Il étudie également l’influence des inclusions de
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type MnS en important les sollicitations thermomécaniques du macro modèle dans un micro modèle. Il énumère six essais différents parmi lesquels se trouvent le test de traction, l’essai de bi-poinçonnement et plusieurs tests de compression avec des échantillons de géométries différentes. Les essais sont illustrés sur la Figure 41. Parmi ces essais il en retient trois qui permettent de reproduire des sollicitations similaires à celles rencontrées en laminage. Il s’agit des essais de compression sur l’échantillon avec le double épaulement (c), avec l’ébavurage des arrêtes (f) et du bi-poinçonnement (b) qui s’avère être le plus représentatif des trois.Un modèle micro est développé en tenant compte des sollicitations du modèle macro. Il place des inclusions de type MnS de façon aléatoire dans un volume. Ces inclusions ont des formes, des tailles, des orientations et des indices de malléabilité différents. Il n’en dit pas plus sur les méthodes de modélisation.
Figure 41 : Divers essais rhéologiques étudiés permettant de reproduire les sollicitations thermomécaniques rencontrées lors du laminage de brames a) essai de compression avec échantillon cylindrique ; b) essai de bi-poinçonnement ; c) essai de compression sur un échantillon avec deux épaulements ; d) e) f) essai de compression sur des échantillons avec diverses géométries [FAR06]
1.6.3 Les essais envisagés
En tenant compte du cahier des charges établi et des travaux présents dans la littérature, plusieurs essais se retrouvent en concurrence. Ils sont au nombre de sept. Pour commencer les essais permettant de reproduire l’alternance des directions de mise en forme sont énumérés, il s’agit de :
- L’essai de forgeage libre avec des matrices de formes - L’essai de forgeage libre entre tas plats
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- L’essai en faisant passer le lopin à travers deux cylindres ayant une rotation libreLes études présentes dans la littérature montrent que des essais avec un chargement monotone peuvent reproduire les sollicitations du laminage. Parmi ces essais se trouvent :
- L’essai de bi-poinçonnement sur un lopin de section carrée - L’essai de bi-poinçonnement sur un lopin de section cylindrique - L’essai de compression avec le dilatomètre
- L’essai de compression sous presse
L’inconvénient majeur des derniers essais énumérés est qu’ils ne permettent pas de reproduire l’alternance des directions de mise en forme comme c’est le cas sur le train de laminage LUNA. L’efficacité de l’essai de bi-poinçonnement est surtout mise en évidence pour le laminage de tôle pour lequel la direction de déformation est constante.