Comportement viscoplastique des tôles en traction et cisaillement. Analyse de la vitesse d'impact critique

Viscoplastic behavior of sheet metals in tension and shear. analysis of the critical impact velocity

Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux, UMR-CNRS 7554, Université de Metz, Ile du Saulcy, Metz

Résumé

Les processus de technologie moderne utilisés pour la production de pièces métalliques ou pour la fabrication de tôles sont continuellement améliorés. Un domaine de développement consiste à réduire les temps de production qui induisent des vitesses de déformation élevées durant les processus d'emboutissage. Ensuite, il faut assurer la résistance aux chocs des structures. Celles-ci devront être fabriquées avec des matériaux dont les propriétés mécaniques seront bien connues ; par exemple, les pièces mises en œuvre en construction automobile devront présenter une bonne résistance aux crashs et aux chocs. Les vitesses de déformation locales au cours de l'écrasement d'une structure métallique à profil tubulaire peuvent atteindre des vitesses de déformation de l'ordre de 5 x 10² s^-1. Dans ce domaine de vitesse de déformation, le comportement du matériau et surtout la résistance aux déformations plastiques peuvent changer considérablement.

Ces besoins industriels nous ont poussés à développer des techniques expérimentales dites "dynamiques" où les vitesses de déformation maximales peuvent atteindre 10³ s^-1. Au cours de ces essais, le chargement de l'échantillon se fait par la propagation d'ondes élastiques. On observe également une transition de régime isotherme-adiabatique en raison de la courte durée du chargement. Un autre phénomène inconnu pour un grand nombre de personne apparaît : il s'agit de la vitesse d'impact critique (VIC). Cette vitesse peut être définie comme une propriété physique intrinsèque au matériau comme le sont également le module d'Young et le coefficient de Poisson. Une fois que cette vitesse est atteinte, un processus d'instabilité plastique apparaît induisant une rupture fragile du matériau au niveau du point d'impact.

Le couplage de techniques expérimentales traditionnelles avec les techniques dites dynamiques permet de couvrir un large spectre de vitesse de déformation variant entre [math] en double cisaillement. En traction, la vitesse de déformation obtenue avec cette nouvelle technique varie dans l'intervalle [math].

L'ensemble de ces résultats nous a permis de proposer une nouvelle loi de comportement thermoviscoplastique en grande déformation. L'avantage considérable que présente cette loi est le nombre minimum de paramètres à identifier et la possibilité de l'introduire aisément dans un code de calcul par éléments finis. Un exemple d'application est l'analyse de la traction directe.

Abstract

Modern technological processes, especially in production of different metallic parts or the primary materials like sheet metals, are constantly improved. One trend is to shorten the production time leading to higher deformation rates in the metal forming. On the other hand the shock-resistant structures must be constructed with materials with well known mechanical characteristics, for example the energy-absorbing parts of cars and other vehicles. The local strain rates during crushing of a metallic structure, for example a profile tube, can be quite high, reaching even 5 x 10² s^-1. In such range of strain rates, the material behavior and mainly the resistance to plastic deformation may change substantially.

Because of the industrial demand the LPMM-Metz has developed during recent years some experimental techniques in the "dynamic" range of loading which permit to test materials up to maximum strain rate 103 s-1. In such test techniques a specimen is loaded, as a rule, by elastic waves. At high strain rates the transition occurs between isothermal and adiabatic conditions of deformation, which leads to some specific instabilities discussed in this paper. Another phenomenon, very important in materials testing in dynamics, and not much known to some engineers, is the Critical Impact Velocity (CIV) in tension. This velocity can be defined as a material property similar to Young's modulus or Poisson 's ratio. When such impact velocity is reached the plastic waves become important and high strain gradients appear along a specimen leading to a fast localisation and fracture near the impact point. Combination of standard experimental techniques with the new ones developed in LPMM-Metz permit to cover a wide range of strain rates varied as [math] in shear, by application of the double shear technique. Also, a new setup configuration has been developed to test materials in tension within the limits [math].

The experimental results obtained so far have allowed to develop a new viscoplastic constitutive relation coupled with temperature which takes into account large deformations. A considerable advantage of this constitutive relation is a small number of material constants. The constitutive relation analysed in this paper can be implemented in FE codes. One example of such application is demonstrated by an analysis of the impact tension test.