Caractéristique des contraintes d'écoulement et des cinétiques de transformation durant un forgeage libre de lingots d'aciers de grande taille

Bitterlin, Matthieu (2020). Caractéristique des contraintes d'écoulement et des cinétiques de transformation durant un forgeage libre de lingots d'aciers de grande taille. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’acier AISI 4330, initialement développé pour l’industrie aéronautique, est depuis peu grandement utilisé pour l’extraction de sables bitumineux. Sa teneur accrue en nickel lui confère de très bonnes caractéristiques mécaniques ainsi qu’une meilleure résistance à la corrosion, en comparaison à des nuances équivalentes dépourvues de cet élément chimique. Son forgeage reste néanmoins plus délicat et des problèmes de fissuration à chaud apparaissent fréquemment. Sa mise en forme consiste en une coulée en lingotière suivie d’un forgeage en matrice ouverte puis de plusieurs étapes de conditionnement. Les cas de fissuration recensés apparaissent essentiellement lors du refroidissement après forgeage. Les premières investigations menées permettent d’éliminer la thèse de fissuration par présence de secondes phases. En effet, il a été démontré que la propreté chimique de l’acier étudié est excellente, comparativement à d’autres nuances industrielles de même gamme de composition. Cependant, il apparaît que la composition chimique d’un acier peut grandement influencer son comportement mécanique lors d’une déformation. Or, l’occurrence des fissures lors du refroidissement de l’acier indiquent que les mécanismes qui gouvernent leur apparition sont d’ordres thermiques et mécaniques. Cependant, la littérature contient peu d’informations quant aux caractéristiques mécaniques à chaud de l’acier AISI 4330, ainsi que sur l’influence du nickel sur le forgeage à chaud en matrice ouverte et les phénomènes dynamiques apparaissant lors de cette étape de mise en forme. Dès lors, les objectifs principaux de cette étude sont interconnectés :

- Identifier la réponse mécanique à une sollicitation thermomécanique de l’acier AISI 4330.
- Caractériser l’influence du nickel sur ce comportement à chaud.
- Identifier la ou les causes de fissuration de l’acier AISI 4330 lors de son forgeage en matrice ouverte.

À partir de données du partenaire industriel, il a été possible de recréer les conditions de forgeage de l’acier par le biais d’essais de compression à chaud réalisés sur Gleeble-3800. Les résultats de ces simulations ont permis de déterminer les équations constitutives de l’acier AISI 4330, d’en déduire ses lois d’adoucissement et sa sensibilité au forgeage à l’aide de plusieurs modèles physiques largement utilisés dans la littérature pour des aciers similaires. Des études comparatives ont rendu possible l’identification de l’influence du nickel sur plusieurs paramètres liés au forgeage et aux phénomènes dynamiques apparaissant lors d’une déformation à chaud. De ces données ont pu être extraites des informations quant au phénomène de fissuration à chaud de l’acier AISI 4330.

Titre traduit

Flow characteristics and kinetics of recrystallization during open die forging of large size ingots

Résumé traduit

Initially widely used in the aerospace industry, AISI 4330 grade steel also found applications in critical equipment in the oil and gas industry. Its increased nickel content compared to low alloyed steel grades gives it very good mechanical properties as well as better resistance to corrosion. However, temperature formability can be modified by such adding and hot cracking problems occur frequently after ingot mold casting followed by open die forging and several conditioning steps. The identified cases of cracking appear mainly during cooling after hot forging. The first investigations exclude the second phases as being responsible for the hot cracking of ingots of steels as it has been reported by many studies. However, it appears that the chemical composition of steel can greatly influence its mechanical behavior during deformation. However, the occurrence of cracks during cooling after steel forging indicates therefore that the cracking mechanisms are due to thermomechanical process. Nevertheless, the literature contains little information on the hot mechanical properties of AISI 4330 steel, as well as the influence of nickel on open die forging and on dynamic mechanisms occurring during deformation. Therefore, the main objectives of this study are interconnected:

- Identify the mechanical response to thermodynamic forging of AISI 4330 steel.
- Characterize the influence of nickel on its mechanical behavior.
- Identify the root cause (s) of cracking of AISI 4330 steel during its open die forging.

Based on data from the industrial partner, it was possible to recreate the forging conditions of the steel by hot compression tests carried out on Gleeble-3800. The results of these simulations allow to determine constitutive equations of AISI 4330 steel grade, and therefore to deduce its softening equations and workability using several physical models widely used in the literature for similar steels. Comparative studies let to identify the influence of nickel on several parameters related to forging and the dynamic mechanics that occur during hot deformation. From these data could be extracted information about the phenomenon of hot cracking of AISI 4330 steel.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielleà l’obtention de doctorat en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 181-191).
Mots-clés libres:	aciers faiblement alliés à haute teneur en nickel ; comportement mécanique ; équation constitutive ; forgeage en matrice ouverte ; recristallisation dynamique ; forgeabilité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 mars 2023 14:47
Dernière modification:	03 mars 2023 14:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2451

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