Numerical modelling of complex shaped particle break-up with application to rolling of aluminium alloys
Modélisation numérique de la fragmentation de particules de formes complexes avec une application au laminage des alliages d'aluminium
Résumé
The aluminium alloy AA5182, largely employed in the form of plates used for the body panels in automotive industry, contains intermetallic particles Mg2Si and AlxFe. In as cast state, these particles (of a size > 50 µm) present complex shapes. During hot rolling, the particles are broken and redistributed in the sheet metal. However, the size and the spatial distribution of the intermetallic particles mainly control the formability of sheets after cold transformation.
This work identifies morphological and mechanical parameters controlling the particle break-up during hot rolling. The intermetallic particle break-up was characterized on the one hand by X-ray tomography (on industrially rolled sheets) and on the other hand mechanically based on finite element calculations. The new micromechanical model predicts the stress strain fields in the particles and at the particle-matrix interface during hot rolling.
This work leads to two major outcomes. First a new failure criterion for complex shaped particles is developed. This new failure criterion introduces naturally a length scale depending on material toughness. The other major result concerns the prediction of particle break-up during hot rolling. The role of material parameters (Young modulus, toughness ...) and process parameters (rolling, temperature, strain) are analysed in detail.
This work identifies morphological and mechanical parameters controlling the particle break-up during hot rolling. The intermetallic particle break-up was characterized on the one hand by X-ray tomography (on industrially rolled sheets) and on the other hand mechanically based on finite element calculations. The new micromechanical model predicts the stress strain fields in the particles and at the particle-matrix interface during hot rolling.
This work leads to two major outcomes. First a new failure criterion for complex shaped particles is developed. This new failure criterion introduces naturally a length scale depending on material toughness. The other major result concerns the prediction of particle break-up during hot rolling. The role of material parameters (Young modulus, toughness ...) and process parameters (rolling, temperature, strain) are analysed in detail.
L'alliage d'aluminium AA5182, largement employé sous forme de tôles embouties pour les carrosseries, contient des particules intermétalliques Mg2Si et Alx(Fe,Mn). Dans le matériau brut de coulée, ces particules (d'une taille > 50 µm) présentent des formes complexes. Pendant le laminage à chaud, ces particules sont cassées et redistribuées dans le métal. Or, la taille et la distribution spatiale des particules intermétalliques contrôlent en grande partie la formabilité des tôles après transformation à froid.
Cette étude identifie les paramètres morphologiques et mécaniques contrôlant la fragmentation des particules pendant le laminage à chaud. La rupture des particules intermétalliques a été caractérisée d'une part expérimentalement à l'aide d'observations par tomographie X (sur des tôles laminées industriellement) et d'autre part mécaniquement à partir de calculs éléments finis.
Le nouveau modèle micromécanique prédit les champs de contraintes dans les particules et à l'interface particule-matrice pendant le laminage à chaud. Ce travail contribue d'un point de vue théorique à la mis en place d'un nouveau critère de rupture pour les particules intermétalliques et pour l'interface particule-matrice.
Ce modèle a permis de mettre en avant plusieurs conclusions majeures quand à la prédiction de la rupture des particules pendant le laminage. En effet, l'orientation, l'étendue et la ténacité des particules jouent un rôle essentiel pour la rupture des particules. En revanche, les propriétés rhéologiques de la matrice (dans la gamme de laminage à chaud) ont une influence réduite.
Enfin, l'étude a permis de confirmer, mécaniquement, l'existence de trois classes de particules obtenues par analyse morphologique (travaux d'E. Parra-Denis).
Cette étude identifie les paramètres morphologiques et mécaniques contrôlant la fragmentation des particules pendant le laminage à chaud. La rupture des particules intermétalliques a été caractérisée d'une part expérimentalement à l'aide d'observations par tomographie X (sur des tôles laminées industriellement) et d'autre part mécaniquement à partir de calculs éléments finis.
Le nouveau modèle micromécanique prédit les champs de contraintes dans les particules et à l'interface particule-matrice pendant le laminage à chaud. Ce travail contribue d'un point de vue théorique à la mis en place d'un nouveau critère de rupture pour les particules intermétalliques et pour l'interface particule-matrice.
Ce modèle a permis de mettre en avant plusieurs conclusions majeures quand à la prédiction de la rupture des particules pendant le laminage. En effet, l'orientation, l'étendue et la ténacité des particules jouent un rôle essentiel pour la rupture des particules. En revanche, les propriétés rhéologiques de la matrice (dans la gamme de laminage à chaud) ont une influence réduite.
Enfin, l'étude a permis de confirmer, mécaniquement, l'existence de trois classes de particules obtenues par analyse morphologique (travaux d'E. Parra-Denis).