Sam 18 Mai 2019 - 0:03 par 
Extrait de " Métallurgie : une industrie en pleine mutation" de la revue Techniques de l’Ingénieur
Auteurs :
André PINEAU
Membre de l'Académie des technologies, Professeur à l'École nationale supérieure des mines de Paris
Yves QUERÉ
Membre de l'Académie des sciences, Professeur émérite à l'École polytechnique
********************************************************************************
Techniques de mise en forme et de mise en œuvre
via la Métallurgie
********************************************************************************
Les
premiers procédés de transformation des métaux (moulage à partir de l’état liquide) sont nés avec la Métallurgie. Ils se sont ensuite constamment développés, avec une accélération considérable au cours de la dernière guerre et depuis, pour assurer la production en grande série de pièces à faible coût. Avec la fonderie, qui s’est diversifiée en de nombreuses techniques de moulage, sont apparus très tôt les premiers procédés de formage (forgeage libre à chaud de pièces massives brutes de coulée, formage à froid de feuilles métalliques).
1-Mise en forme
Les procédés de mise en forme des métaux sont aujourd’hui d’une extrême variété. En laissant de côté ceux qui relèvent de la fonderie ou de la métallurgie des poudres, ainsi que l’usinage, l’accent est mis ici sur ceux (forgeage,
laminage, filage, emboutissage et leurs variantes) qui reposent sur la capacité des matériaux métalliques à supporter, à froid comme à chaud ou « à tiède », de grandes déformations irréversibles, plastiques, sans endommagement ni rupture.
Ils incluent, de manière séquentielle ou simultanée, les traitements thermiques associés. Les méthodes numériques appliquées à la modélisation thermomécanique des
procédés s’y sont déjà imposées comme condition clé des progrès. D’abord utilisées comme auxiliaires de l’ingénieur pour la résolution de problèmes pratiques, elles tendent aujourd’hui à devenir aussi un outil essentiel de compréhension et de représentation physiques, guidant le développement d’alliages ou l’optimisation de procédés. Désormais, on ne vise plus seulement une forme mais simultanément une microstructure finale déterminée, garante des propriétés souhaitées.
Ce fut d’abord le cas des textures cristallographiques , issues de la modification des orientations cristallines du métal polycristallin due aux fortes déformations plastiques de la mise en forme ; ces textures sont responsables d’une anisotropie des propriétés d’usage de la pièce formée dont il est possible de tirer parti en vue de l’utilisation visée. C’est de plus en plus aussi le cas au niveau du grain , du contrôle :
– de la taille des grains (par exemple pour l’obtention de grains ultrafins) ;
– de la distribution des joints de grains (on parle d’une «ingénierie des joints de grains », grain boundary engineering) ;
– des désorientations entre grains, de leur forme, de leur répartition spatiale.
Exemples
On évoque, dans l’encadré ci-dessous le cas des réfractaires, sachant que le même exercice pourrait être fait dans bon nombre de domaines. De nouveaux matériaux à base d’alumine et de salon permettent d’augmenter de façon importante la durée de vie des creusets des hauts-fourneaux en ménageant l’usure de la couche de carbone habituellement utilisée dans cette zone. Ainsi, les réfractaires constituent
un maillon essentiel de la production des matériaux métalliques, de l’élaboration à la mise en forme : revêtement des hauts-fourneaux et des cellules d’électrolyse
d’aluminium, filtres à métal liquide des fonderies... Les progrès de la Métallurgie, tant en nature et qualité des alliages qu’en coûts (durée de vie des fours), requièrent des améliorations ou modifications de ces matériaux. En
outre, ils jouent un rôle clé dans les économies d’énergie grâce à leurs propriétés (tenue thermochimique, propriétés d’isolation thermique), soit dans de nouveaux
procédés plus économiques souvent plus sévères, soit dans des fours existants. Entre matériau brut et produit fini s’insèrent, dans de nombreux cas, la mise en
forme , donnant aux pièces leur géométrie et leurs propriétés d’emploi, puis la mise en œuvre , assemblant les composants de la structure visée et leur appliquant éventuellement des traitements de finition : maillons essentiels de la chaîne industrielle et, pour la Métallurgie, champs permanents d’innovation.
S’y ajoutent les préoccupations – liées à l’utilisation croissante de matières recyclées – de contrôle de la variabilité des microstructures résultantes et de leur influence sur celle des propriétés finales induites. La mise en forme ainsi conçue comme une « mise en structure » ( microstructure design ) demande une optimisation poussée des gammes thermo-mécaniques : souvent étagées (« laminage contrôlé »
des aciers de construction, forgeage d’éléments de turbine en alliages à base nickel ou titane...) ; elles vont jusqu’à intégrer des chauffages localisés, pour l’obtention directe de pièces à gradients de propriétés.
Ces préoccupations se prolongent aux échelles plus fines en vue de maîtriser les phénomènes de recristallisation, de transformation de phase et de précipitation en cours de formage :
- fluage-revenu ( creep forming ) pour les alliages à durcissement structural
utilisation optimale des changements de phase en cours de gamme (aciers «
trempants », alliages de zirconium pour le nucléaire...) ;
–
introduction d’éléments d’addition pour un contrôle à l’échelle nanoscopique, etc. Cette évolution majeure de la Métallurgie l’amène à investir pleinement le champ de la mise en forme. Pour dépasser le stade initial de l’empirisme, il reste à relever des défis scientifiques et techniques redoutables. L’enjeu est de développer des approches résolument pluridisciplinaires, mobilisant les sciences de la matière à leur meilleur niveau, pour construire des outils adaptés de modélisation d’une réalité multi-échelles , grandement complexe du fait du fort couplage entre les échelles pertinentes, très différentes, impliquées. Il s’y ajoute la nécessaire composante probabiliste de telles approches, liée au caractère dispersé des données de départ, à toutes les
échelles, cela le plus souvent dans un cadre de sollicitations à grandes vitesse et de cycles thermiques rapides. L’objectif final implique la mise au point d’un chaînage de modèles opérant une succession de changements d’échelles, chacun s’appuyant sur une version allégée, partiellement phénoménologique, du
modèle qui le précède dans le passage au macroscopique. Ainsi la thermomécanique des simulations numériques à grande échelle – tenant compte du frottement métal-outil et de la lubrification et visant à prévoir les contraintes résiduelles ou le retour élastique – pourra alors faire sa jonction avec la
micromécanique des agrégats et des métaux multiphasés et la plasticité cristalline comme avec la Métallurgie physique de la plasticité, des transformations de phases et de la précipitation sous contraintes.
2 - Mise en œuvre
Une évolution comparable, bien que moins avancée, se dessine dans le domaine de la mise en oeuvre, s’agissant notamment des traitements de surface (revêtements inclus) et des procédés d’assemblage (au premier chef, les procédés de soudage). En parallèle à une explosion d’innovations techniques dans les
procédés, où l’utilisation du laser joue une place croissante, les efforts de modélisation appellent là aussi une intégration poussée des approches mécaniciennes et métallurgiques.
Auteurs :
André PINEAU
Membre de l'Académie des technologies, Professeur à l'École nationale supérieure des mines de Paris
Yves QUERÉ
Membre de l'Académie des sciences, Professeur émérite à l'École polytechnique
********************************************************************************
Techniques de mise en forme et de mise en œuvre
via la Métallurgie
********************************************************************************
Les
premiers procédés de transformation des métaux (moulage à partir de l’état liquide) sont nés avec la Métallurgie. Ils se sont ensuite constamment développés, avec une accélération considérable au cours de la dernière guerre et depuis, pour assurer la production en grande série de pièces à faible coût. Avec la fonderie, qui s’est diversifiée en de nombreuses techniques de moulage, sont apparus très tôt les premiers procédés de formage (forgeage libre à chaud de pièces massives brutes de coulée, formage à froid de feuilles métalliques).
1-Mise en forme
Les procédés de mise en forme des métaux sont aujourd’hui d’une extrême variété. En laissant de côté ceux qui relèvent de la fonderie ou de la métallurgie des poudres, ainsi que l’usinage, l’accent est mis ici sur ceux (forgeage,
laminage, filage, emboutissage et leurs variantes) qui reposent sur la capacité des matériaux métalliques à supporter, à froid comme à chaud ou « à tiède », de grandes déformations irréversibles, plastiques, sans endommagement ni rupture.
Ils incluent, de manière séquentielle ou simultanée, les traitements thermiques associés. Les méthodes numériques appliquées à la modélisation thermomécanique des
procédés s’y sont déjà imposées comme condition clé des progrès. D’abord utilisées comme auxiliaires de l’ingénieur pour la résolution de problèmes pratiques, elles tendent aujourd’hui à devenir aussi un outil essentiel de compréhension et de représentation physiques, guidant le développement d’alliages ou l’optimisation de procédés. Désormais, on ne vise plus seulement une forme mais simultanément une microstructure finale déterminée, garante des propriétés souhaitées.
Ce fut d’abord le cas des textures cristallographiques , issues de la modification des orientations cristallines du métal polycristallin due aux fortes déformations plastiques de la mise en forme ; ces textures sont responsables d’une anisotropie des propriétés d’usage de la pièce formée dont il est possible de tirer parti en vue de l’utilisation visée. C’est de plus en plus aussi le cas au niveau du grain , du contrôle :
– de la taille des grains (par exemple pour l’obtention de grains ultrafins) ;
– de la distribution des joints de grains (on parle d’une «ingénierie des joints de grains », grain boundary engineering) ;
– des désorientations entre grains, de leur forme, de leur répartition spatiale.
Exemples
On évoque, dans l’encadré ci-dessous le cas des réfractaires, sachant que le même exercice pourrait être fait dans bon nombre de domaines. De nouveaux matériaux à base d’alumine et de salon permettent d’augmenter de façon importante la durée de vie des creusets des hauts-fourneaux en ménageant l’usure de la couche de carbone habituellement utilisée dans cette zone. Ainsi, les réfractaires constituent
un maillon essentiel de la production des matériaux métalliques, de l’élaboration à la mise en forme : revêtement des hauts-fourneaux et des cellules d’électrolyse
d’aluminium, filtres à métal liquide des fonderies... Les progrès de la Métallurgie, tant en nature et qualité des alliages qu’en coûts (durée de vie des fours), requièrent des améliorations ou modifications de ces matériaux. En
outre, ils jouent un rôle clé dans les économies d’énergie grâce à leurs propriétés (tenue thermochimique, propriétés d’isolation thermique), soit dans de nouveaux
procédés plus économiques souvent plus sévères, soit dans des fours existants. Entre matériau brut et produit fini s’insèrent, dans de nombreux cas, la mise en
forme , donnant aux pièces leur géométrie et leurs propriétés d’emploi, puis la mise en œuvre , assemblant les composants de la structure visée et leur appliquant éventuellement des traitements de finition : maillons essentiels de la chaîne industrielle et, pour la Métallurgie, champs permanents d’innovation.
S’y ajoutent les préoccupations – liées à l’utilisation croissante de matières recyclées – de contrôle de la variabilité des microstructures résultantes et de leur influence sur celle des propriétés finales induites. La mise en forme ainsi conçue comme une « mise en structure » ( microstructure design ) demande une optimisation poussée des gammes thermo-mécaniques : souvent étagées (« laminage contrôlé »
des aciers de construction, forgeage d’éléments de turbine en alliages à base nickel ou titane...) ; elles vont jusqu’à intégrer des chauffages localisés, pour l’obtention directe de pièces à gradients de propriétés.
Ces préoccupations se prolongent aux échelles plus fines en vue de maîtriser les phénomènes de recristallisation, de transformation de phase et de précipitation en cours de formage :
- fluage-revenu ( creep forming ) pour les alliages à durcissement structural
utilisation optimale des changements de phase en cours de gamme (aciers «
trempants », alliages de zirconium pour le nucléaire...) ;
–
introduction d’éléments d’addition pour un contrôle à l’échelle nanoscopique, etc. Cette évolution majeure de la Métallurgie l’amène à investir pleinement le champ de la mise en forme. Pour dépasser le stade initial de l’empirisme, il reste à relever des défis scientifiques et techniques redoutables. L’enjeu est de développer des approches résolument pluridisciplinaires, mobilisant les sciences de la matière à leur meilleur niveau, pour construire des outils adaptés de modélisation d’une réalité multi-échelles , grandement complexe du fait du fort couplage entre les échelles pertinentes, très différentes, impliquées. Il s’y ajoute la nécessaire composante probabiliste de telles approches, liée au caractère dispersé des données de départ, à toutes les
échelles, cela le plus souvent dans un cadre de sollicitations à grandes vitesse et de cycles thermiques rapides. L’objectif final implique la mise au point d’un chaînage de modèles opérant une succession de changements d’échelles, chacun s’appuyant sur une version allégée, partiellement phénoménologique, du
modèle qui le précède dans le passage au macroscopique. Ainsi la thermomécanique des simulations numériques à grande échelle – tenant compte du frottement métal-outil et de la lubrification et visant à prévoir les contraintes résiduelles ou le retour élastique – pourra alors faire sa jonction avec la
micromécanique des agrégats et des métaux multiphasés et la plasticité cristalline comme avec la Métallurgie physique de la plasticité, des transformations de phases et de la précipitation sous contraintes.
2 - Mise en œuvre
Une évolution comparable, bien que moins avancée, se dessine dans le domaine de la mise en oeuvre, s’agissant notamment des traitements de surface (revêtements inclus) et des procédés d’assemblage (au premier chef, les procédés de soudage). En parallèle à une explosion d’innovations techniques dans les
procédés, où l’utilisation du laser joue une place croissante, les efforts de modélisation appellent là aussi une intégration poussée des approches mécaniciennes et métallurgiques.
