Modelling of the thermomechanical behaviour of FCC metals under various conditions

Abstract

The main objective of this study is to propose a physics-based modelling adapted to describing the thermomechanical behaviour of metal alloys (specifically FCC metals). This approach takes into account the prominent phenomena generated by plastic deformation. Because of its specific mechanical and physical properties (ductility, lightness, etc.), this study is conducted on 1050 aluminium sheets widely used in sheet metal forming sector. The effect of two opposite and simultaneous physical phenomena on plastic deformation has been highlighted: the strain hardening rules that occurs because of dislocation movements and dislocation multiplication within the crystal structure of the metal and the dynamic recovery governed by thermal activation at intermediate temperatures (T≥0,4Tm). The evolution of two internal state variables (dislocation density and subgrain size) under different loading conditions was investigated. A Fortran program was used to identify the constitutive model parameters. To validate the present model, the curves obtained by numerical method were compared with those obtained by experimental traction data derived from literature. In a wide range of strain rates and temperatures, the obtained results show that the proposed model is effective in predicting the thermomechanical behaviour in traction for FCC metals due to the good agreement between calculated and experimental data. The results show that the strain hardening decrease significantly with increase in temperature and/or decrease in strain rate which explains dominance of dynamic recovery at elevated temperatures. Based on research conducted in the field, some proposals were introduced in the study to contribute to the improvement of numerical results and attempt to expand the use of the model for other types of loading (creep for example whose study is underway). RÉSUMÉ. L'objectif principal de cette étude est de proposer une modélisation phénoménologique à base physique adaptée à la description du comportement 116 ACSM. Volume 42 – n° 1/2018 thermomécanique des alliages métalliques (en particulier les métaux CFC). Cette approche prend en compte les phénomènes dominants générés au cours de la déformation plastique. En raison de ses propriétés mécaniques et physiques spécifiques (ductilité, légèreté, etc.), le métal retenu pour cette étude est l'aluminium 1050 utilisé souvent dans le secteur de mise en forme des tôles métalliques. L'effet de deux phénomènes physiques antagonistes et simultanés sur la déformation plastique a été mis en évidence : l'écrouissage qui est dû aux mouvements et multiplication des dislocations au sein de la structure cristalline du métal et la restauration dynamique gouvernée par l’activation thermique à des températures intermédiaires (T≥0,4Tf). L'évolution de deux variables internes (densité de dislocations et la taille de sous-grain) sous différentes conditions de sollicitation a été étudiée. Un programme Fortran a été utilisé pour identifier les paramètres du modèle constitutif. Pour valider le modèle actuel, les courbes de traction obtenues par une méthode numérique ont été comparées à celles obtenues expérimentalement qui sont dérivées de la littérature. Sur une large gamme de température et de vitesse de déformation, les résultats obtenus montrent que le modèle proposé permet de prédire efficacement le comportement thermomécanique des métaux CFC en traction en raison d'un bon accord entre les courbes calculées et expérimentales. Les résultats montrent que l’écrouissage diminue significativement avec l’augmentation de la température et / ou la diminution de la vitesse de déformation, ce qui explique que à des températures élevées la restauration dynamique est prédominante. Sur la base des travaux menés dans ce domaine, de maintes propositions ont été introduites dans l'étude pour améliorer les résultats et tenter d'élargir l'utilisation du modèle à d'autres types de chargement (fluage par exemple dont l'étude est en cours).