Mise en forme du poussoir de soupape

IV.2.1 Rhéologie

La Figure IV-2 présente la courbe contrainte-déformation obtenue en traction à température ambiante. Nous en déduisons : Rp₀₂ =320MPa et Rm=450MPa. Nous utiliserons pour la simulation numérique du forgeage, une loi rhéologique de la base de données de Forge3® très proche : 3 4 2 1 m m m T m f Ae

ε

ε

σ

avec σ_f la limite d’écoulement, et A= 885,923 MPa ; m1=-0,0009 K-1 ; m2=0,15724 ; m3=0,00988 ; m4=0,00032. 0 100 200 300 400 500 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 déformation c o n tr a in te ( M P a )

Figure IV-2 : Courbe de traction du 16MC5 utilisé pour le poussoir de soupape

IV.2.2 Etat inclusionnaire

Nous savons que le comportement en fatigue peut dépendre directement de l’état inclusionnaire. C’est pourquoi nous avons réalisé des micrographies et des analyses EDX1 du matériau. Ces résultats nous permettent d’avoir une idée de la taille des inclusions et de leur forme, sans toutefois nous donner leur distribution. Nous pouvons voir sur la Figure IV-3 des inclusions fragmentées dont la morphologie devient assez élancée. Leur dimension reste relativement faible dans le sens de la largeur mais la longueur peut atteindre plusieurs dizaines de micromètres.

1 _{Electron Dispersive X-ray microscopy : microscopie à balayage électronique couplée à l’analyse dispersive par}

Figure IV-3 : Exemples d’inclusions allongées et fragmentées présentes dans le poussoir de soupape, vues en microscopie optique

Les analyses EDX ont montré que ces inclusions sont des sulfures de manganèse. IV.2.3 Simulation numérique

L’objectif est de réaliser un calcul de fatigue sur la pièce en intégrant les contraintes résiduelles et le fibrage. La première étape va donc consister à réaliser la mise en forme du poussoir avec Forge3®. Nous pourrons ensuite comparer le fibrage obtenu numériquement, avec des micrographies du poussoir. Les calculs de fatigue seront réalisés avec les modules implémentés et présentés dans le chapitre précédent.

IV.2.3.1 Mise en forme du poussoir de soupape

Pour réaliser la mise en forme à froid, une loi élastoplastique a été utilisée ; en effet, il y a peu d’influence de la vitesse de déformation à froid. La lubrification lors du forgeage est assurée par un phosphatage. Nous utilisons donc une loi de frottement de Coulomb limité Tresca avec les paramètres adéquats pour ce type de lubrification (base de données de Forge3®). Les calculs ont été réalisés sur un secteur angulaire de 15°.

Figure IV-4 : Secteur angulaire sur lequel les calculs sont réalisés (15°)

Nous pouvons voir sur la Figure IV-5 les résultats des différentes passes de forgeage. Nous remarquons que la mise en forme du poussoir s’apparente à un filage inverse en plusieurs étapes. La paroi du poussoir ainsi formée possède une épaisseur particulièrement fine. Cela entraîne une gestion du contact assez lourde, ce qui constitue la principale cause d’allongement des temps de calculs.

Figure IV-5 : Géométries obtenues avec Forge3® à l’issue des différentes passes de forgeage

Un fibrage initial homogène est introduit afin de reproduire le fibrage du barreau de départ. Le vecteur fibrage est ensuite calculé à chaque opération de forgeage. Nous obtenons ainsi un poussoir de soupape possédant un fibrage issu du calcul de forgeage et du corroyage initial. Les contraintes résiduelles sont aussi calculées.

La Figure IV-6 montre les contraintes autoéquilibrées (contraintes résiduelles) calculées au sein de la pièce, à l’issue de la dernière passe de forgeage. Nous voyons ainsi que les contraintes les plus élevées se situent dans la zone de courbure, à la base de la paroi du poussoir.

Plusieurs degrés de raffinement du maillage ont été testés afin de voir l’influence sur la qualité de la simulation, en particulier au niveau de la paroi du poussoir de soupape. Afin d’obtenir une qualité suffisante et des temps de calculs qui ne soient pas trop élevés, nous avons choisi d’avoir toujours deux éléments dans l’épaisseur.

Figure IV-6 : Contraintes résiduelles (von Mises) du poussoir (secteur angulaire de 15°)

Lopin initial Fin de la 1ère passe Fin de la 2ème passe

IV.2.3.2 Fibrage

La Figure IV-7 montre le fibrage obtenu dans une coupe du poussoir. A la base du poussoir (zone entourée), il est difficile d’identifier le fibrage. En revanche, les flèches montrent clairement un fibrage orienté suivant l’écoulement de la matière lors du forgeage, au niveau de l’ergot et de la base du poussoir (à mi-épaisseur).

Figure IV-7 : Fibrage du poussoir de soupape (vue en coupe)

Nous voyons sur la Figure IV-8 que le calcul du fibrage réalisé avec Forge3® suivant la méthode présentée dans le chapitre II (cas des inclusions ductiles), permet de bien retrouver l’allure du fibrage observé expérimentalement. Pour cela nous avons pris un corroyage initial égale à 2.

Figure IV-8 : Comparaison avec le fibrage du poussoir de soupape obtenu avec Forge3®

On peut voir par exemple sur la Figure IV-9, qu’en introduisant un corroyage initial trop important, en l’occurrence 6, l’allure générale est très différente. Le fibrage ne suit alors plus l’écoulement que la matière a subi durant le forgeage. Cela vient du fait que la déformation n’est pas suffisante en comparaison du fibrage initial.

Figure IV-9 : Fibrage obtenu en introduisant un corroyage initial égal à 6

Cette modélisation semble alors ne pas être réaliste. En effet, pour de telles valeurs de corroyage, les inclusions modélisées ont des longueurs très importantes et une description locale de la déformation ne peut pas être appliquée directement à une inclusion de grande taille. Une inclusion très étirée sera vraisemblablement réorientée avec l’écoulement de la matière environnante, en même temps qu’elle pourra subir des déformations. Nous avons vu que l’orientation pouvait être obtenue en utilisant directement le tenseur de déformation F (cf. § II.6.2) dans le cas d’inclusions dures. Il serait alors aussi nécessaire de déterminer avec précision la déformation des inclusions avec la déformation de la matrice. Par exemple, nous avons vu que les inclusions ont tendance à se fragmenter, ce qui devrait être pris en compte par le modèle.

Une valeur de corroyage initial peu élevée permet toutefois de retrouver l’orientation du fibrage. Connaissant les hypothèses la modélisation, nous utiliserons celle-ci pour le critère de Murakami, en prenant un corroyage initial de 2.