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Rhéologie d'un alliage coulé d'aluminium pour l'optimisation du procédé de forge d'une suspension automobile

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Laurent, Quentin (2019). Rhéologie d'un alliage coulé d'aluminium pour l'optimisation du procédé de forge d'une suspension automobile. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les alliages d’aluminium ont vu leur utilisation augmenter grandement ces dernières années, notamment dans le domaine de l’automobile, au vu de leur bon ratio poids-caractéristiques mécaniques. Pour optimiser l’utilisation de tels matériaux, il est nécessaire de connaitre leurs caractéristiques mécaniques. En forgeage, le comportement en compression à chaud devient alors particulièrement primordial. Différents phénomènes microstructuraux tel que l’écrouissage, l’adoucissement et la recristallisation peuvent intervenir pendant et après la déformation. Ces phénomènes ont un impact sur le comportement en contrainte et déformation de l’alliage. Dans le but d’optimiser le procédé de forgeage d’une pièce de suspension automobile, nous allons étudier la rhéologie d’un alliage d’aluminium produit selon quatre procédés différents. Il sera, par la suite, intéressant de simuler la compression à chaud, grâce aux lois de comportement de l’alliage.

La présente étude vise à connaitre l’évolution en contrainte de l’alliage d’aluminium 6082, obtenu suivant quatre procédés différents : l’alliage 1 homogénéisé et extrudé, l’alliage 2 non homogénéisé coulé par maintien électromagnétique, l’alliage 3 homogénéisé coulé et l’alliage 3 coulé de la même façon et non homogénéisé. Ces quatre types de procédé d’obtention feront l’objet de tests de compressions uni axiaux entre 450°C et 540°C pour des vitesses de déformations comprises entre 0,01s-1 et 0,5s-1. Les mesures de la force de compression et du déplacement nous donnent les contraintes et les déformations et nous permettent d’obtenir une relation du type σ = f (ε). Ces essais ont permis de comprendre l’effet de la vitesse de déformation et de la température sur les courbes de contraintes lors de la compression à chaud.

L’exploitation de ces courbes suit l’hypothèse de déformation uniforme au sein de l’échantillon. Les résultats en contrainte-déformation ont été corrigés de l’élévation de la température due à la transformation d’une partie de l’énergie de compression en chaleur, et également de la friction. Cette dernière a été étudiée suivant différentes approches et des calculs comparatifs ont été réalisés afin de déterminer l’influence de ces corrections sur les contraintes et les courbes de déformations. Nous pouvons alors modéliser ces courbes à l’aide de lois, notamment la loi d’Arrhenius qui transcrit des phénomènes microstructuraux de l’alliage par l’intermédiaire de l’énergie d’activation. Cette énergie est calculée pour chaque alliage d’une façon itérative (pas à pas) et d’une façon numérique (par recherche de l’optimum). La première méthode nous montre que l’énergie d’activation est fortement influencée par l’homogénéisation de l’alliage. Puis nous pourrons utiliser la loi de Hansel Spittel pour simuler des tests de compressions.

Les lois définies pour les alliages de l’étude serviront à réaliser des simulations de compression identiques aux tests expérimentaux. Lors de ces simulations, nous verrons que l’hypothèse de compression uniforme au sein de l’échantillon, n’est en réalité pas respectée. Nous étudierons l’effet des paramètres de friction sur la géométrie de l’échantillon simulé afin de s’approcher de la géométrie des essais expérimentaux. Nous déduirons ensuite les courbes de déformation de la simulation pour les comparer avec les courbes expérimentales. Nous montrerons alors le rôle joué par les hétérogénéités de déformations et de vitesses de déformation au sein de l’échantillon et chercherons à les lier à la différence de contrainte obtenue au niveau macroscopique. En plus de cette recherche sur l’hétérogénéité, l’effet des différents paramètres possibles (température, déformation et vitesses de déformation) sur la courbe de contrainte déformation seront étudiés en supprimant leur effet lors de la compression. Nous conclurons alors sur les effets de l’hétérogénéité de déformation, de la friction et des paramètres des lois de déformation.

Titre traduit

Rheology of a cast aluminium alloy for the optimisation of an automotive suspension

Résumé traduit

Aluminum alloys have seen their use increase drastically in recent years, especially in the automotive Industry, thanks to their good weight-mechanical properties. To optimize the use of such materials, it is necessary to know their mechanical properties. In forging, the behavior in hot compression becomes essential, on one side at the level of the stress but also to study the evolution of the microstructure. Various microstructural phenomena such as hardening, softening and recrystallization may occur during and after the deformation. These phenomena have an impact on the stress-strain behavior of the alloy. In order to optimize the forging process of a suspension arm, we will study the rheology of one aluminum alloy obtained by four different processes. It is, then, interesting to simulate the hot compression, thanks to the laws of behavior of the alloy.

The present study goal is to know the evolution in stress-strain of the alloy of aluminum 6082, obtained by the four processes: the homogenized and extruded alloy 1, the not homogenized electromagnetically maintained cast alloy 2, the homogenized cast alloy 3 and the same cast alloy 3 but not homogenized. We will do uniaxial compression tests to these four types of process between 450°C and 540°C for strain rates between 0.01s-1 and 0.5s-1. The measurements of the compression force and the displacement give us the stresses and strain and allow us to obtain a relation of the type σ = f (ε). These tests enable us to understand the effect of the strain rate and the temperature on the stress curves during hot compression.

The exploitation of these curves follows the hypothesis of uniform deformation within the sample. The stress-strain results consider the elevation of temperature due to the transformation of a part of the compression energy into heat and have been corrected of the friction. The latter has been studied according to different approaches and comparative calculations have been made to determine the influence of these corrections on the stress-strain curves. We can then model these curves using deformation laws, in particular the Arrhenius law, which transcribes microstructural phenomena of the alloy through the activation energy. This energy is calculated for each alloy by two ways: iteratively and numerically. The first method shows us that the activation energy is strongly influenced by the homogenization of the alloy. Then, we can use Hansel Spittel's law to simulate compression tests.

The laws defined for the alloys of the study will be used to perform compression simulations identical to the experimental tests. During these simulations, we will then see that the assumption of uniform compression within the sample, is in fact not respected. We will study the effect of friction parameters on the geometry of the simulated sample in order to approximate the geometry of the experimental tests. We will then deduce the stress-strain curves of the simulation to compare them with the experimental curves. This will enable us to show the role played by the heterogeneities of deformations and strain rates within the sample and we will try to link them to the difference in stress obtained at a macroscopic level. In addition to this research on heterogeneity, the variation of the parameters of the behavior law (temperature, strain and strain rate) of the strain-stress curve will be studied, by suppressing or by modifying their effect during compression. We will then conclude on the effects of deformation heterogeneity, friction and the parameters of deformation laws.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la production automatisée". Comprend des références bibliographiques (pages 123-125).
Mots-clés libres: aluminium, compression à chaud, loi de comportement, simulation par éléments finis
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt: 08 juill. 2019 20:07
Dernière modification: 08 juill. 2019 20:07
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2335

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