FR3039084A1 - PROCESS FOR FORMING ULTRAFIN-GRAIN METALLIC FLAT OBJECT - Google Patents
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Abstract
Selon un procédé de formation d'une pièce, un matériau métallique subit une déformation plastique sévère. Pour cela, on introduit une barre (3) dudit matériau dans une matrice (1) selon une direction d'introduction (F), la matrice (1) comportant une zone d'entrée (11) avec une section en concordance avec la section de la barre (3) et une zone de sortie (13), la zone de sortie (13) étant orientée dans une direction de sortie latérale. La matrice (1) comporte une zone d'extrusion (14) ayant la même direction que la zone d'entrée (11) et de dimension moindre que la zone d'entrée (11), et une face de transition (120) en aval de la zone de sortie (13). On extrude la barre (3) à travers la zone d'extrusion (14), la face de transition (120) créant une pression pour pousser une partie du matériau à travers la zone de sortie (13) et extraire le matériau transformé en forme de tôle (4).In a one-piece forming process, a metallic material undergoes severe plastic deformation. For this, a bar (3) of said material is introduced into a die (1) in an insertion direction (F), the die (1) comprising an entry zone (11) with a cross-section with the section of the bar (3) and an exit zone (13), the exit zone (13) being oriented in a lateral exit direction. The matrix (1) comprises an extrusion zone (14) having the same direction as the input zone (11) and of smaller size than the input zone (11), and a transition face (120) in downstream of the exit zone (13). The bar (3) is extruded through the extrusion zone (14), the transition face (120) creating a pressure to push a portion of the material through the exit zone (13) and extract the shaped material into shape sheet metal (4).
Description
Procédé de formation d’un objet plat métallique à grains ultrafins Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de formation d’un objet plat tel qu’une tôle avec un matériau ayant une structure à grains ultrafins.
Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([ ]) renvoient à la liste des références présentée à la fin du texte.
Etat de la technique
La possibilité de produire des objets avec un matériau métallique à grains ultrafins est bien établie avec des méthodes de déformation plastique sévère telles que l’extrusion angulaire à section égale, la déformation multiaxes, l’extrusion-torsion, la torsion haute pression ou le laminage multipasses. La réduction de la taille des grains à des tailles sub-micromètriques ou nanométriques a pour effet de conférer au matériau métallique une haute limite élastique, une ductilité satisfaisante, une bonne résistance à la fatigue, aux basses températures et à l’usure. Ceci a été observé avec de nombreux métaux ou alliages métalliques, que ce soit des aciers, des alliages à base de titane, d’aluminium, de magnésium ou de lithium.
Lors de la mise en oeuvre d’une déformation plastique sévère, des changements microstructurels sont induits par des déformations plastiques très importantes imposées à un échantillon, d’un facteur souvent supérieur à 3.
La méthode la plus courante est celle du laminage [1]. Elle nécessite de réaliser de nombreuses passes successives, chacune réduisant l’épaisseur totale une tôle. Ce procédé est long à mettre en oeuvre ou nécessite des installations coûteuses et encombrantes. Les mêmes remarques s’appliquent à un procédé apparenté de colaminage cumulatif (accumulated roll bonding en anglais) détaillé dans le document [2],
Une autre technique permettant de travailler sur de plus petits échantillons est une technique d’extrusion angulaire à section constante dans laquelle un échantillon est forcé à travers une matrice comportant un canal en angle, par exemple en angle droit. Cette technique, correspondant au préambule de la revendication principale, nécessite de mettre en oeuvre des forces très importantes et rend la conception et la fabrication de la matrice très délicate. Les références [3], [4] et [5] sont des documents qui exposent cette méthode.
Dans une variante de cette méthode montrée dans le document [6], l’échantillon est plaqué contre une paroi rugueuse et entraîné en rotation jusqu’à une paroi formant butée où il subit une déformation en étant repoussé radialement.
Un procédé de cisaillement continu est montré par les publications [7] et [8] dans lequel un matériau en bande continu est forcé par une paire de rouleaux dans une matrice avec une sortie latérale.
Dans le procédé du document [9], une bande continue est soumise répétitivement à des déformations ondulées puis à des redressements.
Le document [10] propose une méthode dans laquelle une partie d’une pièce d’origine est découpée en surface et canalisée dans un espace radial. Une telle méthode ne permet pas de contrôler la pression statique sur le matériau et des fissures peuvent se créer le long de plans de glissement.
Le document [11] montre un procédé d’extrusion dont la sortie n’est pas symétrique. Un tel procédé ne permet pas d’atteindre de hauts niveaux de déformation.
Description de l’invention L’invention vise à proposer un procédé de production de pièces ayant une microstructure à grains ultrafins, obtenue par déformation plastique sévère, qui soit rapide à mettre en oeuvre et pouvant être mis en oeuvre avec des efforts modérés.
Avec ces objectifs en vue, l’invention a pour objet un procédé de formation d’une pièce dans lequel un matériau métallique subit une déformation plastique sévère afin de lui conférer une structure à grains ultrafins, dans lequel on introduit une barre dudit matériau dans une matrice selon une direction d’introduction, la matrice comportant une zone d’entrée avec une section en concordance avec la section de la barre et une zone de sortie, la zone de sortie étant orientée dans une direction de sortie latérale par rapport à la direction d’introduction pour extraire le matériau transformé, le procédé étant caractérisé en ce que, la matrice comportant une zone d’extrusion ayant la même direction que la zone d’entrée et de dimension moindre que la zone d’entrée dans la direction de sortie dans un rapport compris entre 0,75 et 1 exclu, une zone de transition comportant une face de transition en aval de la zone de sortie et effectuant la transition entre la zone d’entrée et la zone d’extrusion, on extrude la barre à travers la zone d’extrusion, la face de transition créant une pression pour pousser une partie du matériau à travers la zone de sortie et extraire le matériau transformé en forme de tôle.
Le procédé selon l’invention permet d’obtenir un produit très fin même en partant d’une barre de section importante. Pour autant, les efforts à fournir sont relativement limités puisqu’il n’est pas nécessaire de déformer l’ensemble de la section de la barre, mais uniquement une partie. Par ailleurs les déformations obtenues sont d’une grande ampleur, de telle sorte que la tôle obtenue n’a pas besoin d’être travaillée à nouveau : une structure à grains ultrafins est obtenue directement. Le procédé peut s’appliquer à de nombreux matériaux métalliques. On utilise par exemple des métaux purs ou des alliages métalliques, que ce soit des aciers, des alliages à base de titane, d’aluminium, de magnésium ou de lithium.
Selon une variante du procédé, on exerce en outre une contre-pression dans la zone d’extrusion. Cette contre-pression provoque une augmentation de la pression hydrostatique au niveau de la zone de transition, ce qui assure plus sûrement que le matériau flue vers la zone de sortie. Elle constitue un paramètre supplémentaire du procédé sur lequel on peut agir pour mettre en oeuvre le procédé.
De manière préférentielle, la matrice est choisie pour que :
avec : Ψ le rapport de réduction de section entre la section de sortie et la section d’entrée ; a l’angle entre la direction d’introduction et la face de transition ; t =a/h où 2a est la largeur de la zone de sortie et h est la différence de dimension entre la zone d’entrée et la zone de sortie ; et m est le coefficient de frottement entre le matériau et la face de transition.
Le procédé selon l’invention ne se produit pas si certaines conditions ne sont pas remplies. En particulier, on pourrait obtenir une simple extrusion sans que le matériau flue vers la zone de sortie si la pression hydrostatique n’est pas suffisante. Les conditions exposées ci-dessus sont suffisantes pour garantir, même en l’absence de contre-pression, que le matériau flue vers la zone de sortie pour former la tôle. Cette relation montre les conditions sont plus propices si le rapport de réduction Ψ diminue, si l’angle «augmente ou si le rapport f diminue.
Dans le cas de l’exercice d’une contre-pression, la matrice et la contre-pression sont choisis pour que :
avec : Ψ le rapport de réduction de section entre la section de sortie et la section d’entrée ; a l’angle entre la direction d’introduction et la face de transition ; t =a/h où 2a est la largeur de la zone de sortie et h est la différence de dimension entre la zone d’entrée et la zone de sortie ; m est le coefficient de frottement entre le matériau et la face de transition ;
Pbp est la contre-pression ; et kest la limite élastique en cisaillement du matériau.
Cette relation montre que l’exercice de la contre-pression facilite le procédé selon l’invention en autorisant une large plage de choix pour les autres paramètres tels que l’angle a, le rapport t ou le rapport de réduction de section.
Brève description des figures L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d’une matrice en coupe longitudinale dans laquelle le procédé selon un premier mode de réalisation de l’invention est mis en oeuvre ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 pour un deuxième mode de réalisation de l’invention ; - la figure 3 est une vue d’un détail de la figure 1 commun également à la figure 2, sans mise en oeuvre du procédé selon l’invention ; - la figure 4 est une vue similaire à la figure 3 avec mise en oeuvre du procédé selon l’invention ; - les figures 5a et 5b sont des diagrammes représentant les conditions de fonctionnement du procédé selon le premier mode de réalisation ; - les figures 6a et 6b sont des diagrammes similaires à ceux des figures 5a et 5b selon les conditions de fonctionnement du deuxième mode de réalisation du procédé ; - la figure 7 est un diagramme montrant l’évolution d’une déformation de von Mises pour la tôle ; - la figure 8 est une photo de côté d’une barre de laquelle la tôle est fabriquée.
DESCRIPTION DETAILLEE
Le procédé de formation de tôle selon l’invention est mis en œuvre dans un outillage comprenant une matrice 1 et un premier piston 2 permettant de pousser une barre 3 dans la matrice 1.
La barre 3 est réalisée dans un matériau métallique avec lequel on souhaite fabriquer la tôle 4 après sa transformation de structure pour obtenir une structure à grains ultrafins.
La matrice 1, montrée sur la figure 1 en coupe longitudinale selon une direction d’introduction, comporte une zone d’entrée 11 apte à recevoir une barre 3 dudit matériau selon la direction d’introduction F, une zone de transition 12, une zone de sortie 13 et une zone d’extrusion 14. La zone de sortie 13 est orientée dans une direction de sortie latérale par rapport à la direction d’introduction F. La zone d’extrusion 14 est dans le prolongement de la zone d’entrée 11, mais avec une dimension, considérée comme une hauteur, moindre du côté de la zone de sortie 13. Les hauteurs respectives de la zone d’extrusion 14 et de la zone d’entrée 11 sont dans un rapport compris entre 0,75 et 1 exclu. Dans l’exemple considéré, la section est rectangulaire, les différentes zones de la matrice 1 ayant une largeur égale dans la direction perpendiculaire au plan de coupe.
La zone de transition 12 comporte une face de transition 120 en aval de la zone de sortie 13 en effectuant la transition entre la zone d’entrée 11 et la zone d’extrusion 14. La face de transition 120 est inclinée d’un angle a par rapport à la direction d’introduction F.
Le premier piston 2 a sensiblement la même section que la zone d’entrée 11 et est apte à pousser la barre 3 dans la direction d’introduction F à travers la matrice 1. La barre 3 a également une section ajustée à celle de la zone d’entrée 11.
Selon le procédé de l’invention, on introduit la barre 3 par la zone d’entrée 11, on actionne le premier piston 2, on extrude la barre 3 à travers la zone d’extrusion 14 en même temps qu’on extrait une tôle 4 par une partie du matériau de la barre 3 qui flue à travers la zone de sortie 13.
En forçant le passage de la barre 3 avec une force F, le premier piston 2 induit le passage de l’épaisseur initiale H0 de la barre 3 à une hauteur réduite de H0-h. Dans la zone de transition 12, une grande pression est induite de telle sorte que la partie externe de la barre 3 flue dans la zone de sortie 13 et forme la tôle 4 avec une épaisseur 2a. En fluant, la matière subit une déformation plastique sévère, ce qui lui confère les propriétés de structure à grains ultrafins souhaitée.
Afin de déterminer les conditions dans lesquelles le procédé se produit, selon la théorie des majorants, on considère deux cas : deux champs de vitesse admissible cinématiquement, l’un qui simule l’extrusion directe à travers la matrice 1 (vers la zone d’extrusion 14), représenté sur la figure 3, l’autre avec la formation de la tôle 4, représenté sur la figure 4.
Dans le cas de la figure 3, on établit que la pression appliquée par le premier piston 2 Pa peut s’exprimer par :
(1) avec Ψ le rapport de réduction de section entre la section de sortie et la section d’entrée ; «l’angle entre la direction d’introduction F et la face de transition 120 ; m est le coefficient de frottement entre le matériau et la face de transition 120 ; k est la limite élastique en cisaillement du matériau ; wyr est une puissance de frottement de la barre 3 contre la zone d’entrée 11 ; et V0 est la vitesse de déplacement du premier piston 2.
Pour évaluer la pression q en fonctionnement entre la barre 3 et la face de transition 120, on écrit l’équilibre des forces exercées sur la barre 3, en omettant les forces de frottement :
(2)
En remplaçant/^, on obtient :
(3)
Pour les petits rapports de réduction de section (Ψ <0.2), on admet que :
d'où :
(4)
Cette relation montre que la diminution du rapport de section Ψ induit une augmentation de la pression locale q de manière hyperbolique.
Ainsi, une petite réduction de section induit une forte pression dans la zone de transition 12.
Afin de déterminer dans quelles conditions la formation de la tôle 4 peut avoir lieu, on exprime la pression Pb appliquée par le premier piston 2 pour le cas de la figure 4 :
(5) OÙ t =a/h .
La formation de la tôle 4 a lieu à condition que :
(6)
En définissant χ :
(7) la formation de la tôle 4 a lieu à condition que^<l, sinon c’est le scénario de la figure 3 qui se passe.
Pour calculer la déformation plastique lors de la formation de la tôle 4, en référence à la figure 4, on considère une discontinuité du champ de vitesse le long d’une ligne amont AB et d’une ligne aval AC, dans la vue en coupe longitudinale. Le point A est le sommet de l’angle entre la zone d’entrée 11 et la zone de sortie 13, le point C est le sommet de l’angle entre la zone de sortie 13 et la face de transition 120, et le point A est sensiblement l’intersection entre l’axe de la zone de sortie 13 et la projection selon la direction d’introduction F du sommet de l’angle entre la face de transition 120 et la zone d’extrusion 14. La déformation de cisaillement sur ces lignes est définie par la formule :
(8) où avt est le différentiel des composantes de vitesse tangentielle vn est la composante normale de vitesse sur la ligne de discontinuité. On en déduit l’expression de la déformation totale lors de la formation de la tôle 4 :
(9)
En utilisant maintenant la formule de déformation équivalente de von Mises
, on obtient :
(10) L’évolution de eu, la déformation équivalente dans le sens von Mises, en fonction de t est montrée sur la figure 7. Cette figure montre que pour les tôles fines et les feuilles, la déformation de von Mises est caractéristique des procédés de déformation plastique sévère.
Les isolignes de χ sont montrées sur les figures 5a et 5b, respectivement pour un angle or de 30° et de 60°. Le domaine Da, Db dans lequel la formation de la tôle 4 a lieu est représenté en grisé, au-dessus de la ligne χ = 1.
Selon un deuxième mode de réalisation, montré sur la figure 2, l’outillage est complété par un deuxième piston 5 apte à exercer une contre-pression sur l’extrémité de la barre 3 dans la zone d’extrusion 14.
On peut ainsi contrôler la pression hydrostatique lors de la formation de la tôle. La force exercée par le deuxième piston est nomméeFbp. De la même manière que précédemment, on établit que :
(11) (12) où Pbp = Fbpfs, et ^ est la section de la zone d’extrusion 14.
Le paramètre χ' utilisant Pbp a maintenant la forme :
(13)
Les isolignes de χ' pour Pb = 2k sont montrées sur les figures 6a et 6b, respectivement pour un angle a de 30° et de 60°. Le domaine Da’, Db’ dans lequel la formation de la tôle 4 a lieu est représenté en grisé, au-dessus de la ligne χ'=\.
Il en ressort clairement que l’application d’une contre-pression étend le domaine Da’, Db’ dans lequel la formation de la tôle 4 a lieu par comparaison avec le cas sans contre-pression.
Exemple 1
Par l'extrusion d’une barre 3 d'aluminium commercialement pur par le procédé inventé, les résultats suivants ont été obtenus :
Matériau : AU 050
Dureté initiale: 44 HV
Taille de grain initiale: 200 pm L’extrusion a été conduite à température ambiante selon le procédé de l’invention tel que décrit précédemment, en utilisant une contre pression. On a ainsi obtenu une tôle ayant les caractéristiques suivantes : Epaisseur de la tôle produite : 0,7 mm Dureté de la tôle : 108 HV Déformation plastique estimée dans la tôle : y= 8.1 T aille de grain dans la tôle : 610 nm.
Exemple 2 L’extrusion d'aluminium commercialement pur a été conduite à température ambiante selon le procédé de l’invention tel que décrit précédemment, avec une pression de 300 kN en utilisant une contre pression de 100 kN . On a ainsi obtenu une tôle d’épaisseur 1,5 mm, telle qu’illustrée par la photo de la figure 8.
Listes des références 1. R. Song, D. Ponge, D. Raabe, J.G. Speer, D.K. Matlock, Conventional Rolling, OverView of processing, microstructure and mechanicai properties of ultra fine grained bcc steels, Materials Science and Engineering A 441 (2006) 1-17. 2. Saito Y. et al. Ultra-Fine Grained Bulk Steel Production by Accumulative Roll-Bonding (ARB) Process, Scripta Materialia, 40 (1999) 795-800. 3. US 7,191,630 B2 4. US 5,850,755 A. 5. L.S. Toth, R. Lapovok, A. Hasani, C.F. Gu, Non-equal channel angular pressing of aluminum alloy, Scripta Materialia 61 (2009) 1121-1124. 6. US 7,152,448 B2 , publié le 26 décembre 2006 7. Y. Saito, H. Utsunomiya, H. Suzuki, T. Sakai, Improvement in the R-value of Aluminum Strip by a Continuous Shear Deformation Process, Scripta Materialia 42 (2000) 1139-1144. 8. C.Y. Nam, J.H. Han, Y.H. Chung, M.C. Shin, Effect of Précipitâtes on Microstructural Evolution of 7050 Al Alloy Sheet During Equal Channel Angular Rolling, Materials Science and Engineering A 347 (2003) 253-257. 9. US 6,197,129 B1. 10. US 7,617,750 B2. 11. US 2013/0055783 A1
Process for forming a flat metal object with ultrafine grains Technical field
The present invention relates to a method of forming a flat object such as a sheet with a material having an ultrafine grain structure.
In the description below, references in brackets ([]) refer to the list of references at the end of the text.
State of the art
The ability to produce objects with an ultra-fine grain metal material is well established with severe plastic deformation methods such as equal-section angular extrusion, multi-axis deformation, extrusion-torsion, high-pressure twisting or rolling. multipass. Reducing the size of the grains to sub-micrometers or nanoscale sizes has the effect of giving the metallic material a high yield strength, satisfactory ductility, good resistance to fatigue, low temperatures and wear. This has been observed with many metals or metal alloys, whether steels, alloys based on titanium, aluminum, magnesium or lithium.
During the implementation of a severe plastic deformation, microstructural changes are induced by very large plastic deformations imposed on a sample, a factor often greater than 3.
The most common method is rolling [1]. It requires many successive passes, each reducing the total thickness of a sheet. This method is time consuming or requires expensive and cumbersome installations. The same remarks apply to a related process of cumulative roll bonding (in English) detailed in document [2],
Another technique for working on smaller samples is a constant section angular extrusion technique in which a sample is forced through a matrix having an angled channel, for example at right angles. This technique, corresponding to the preamble of the main claim, requires the use of very large forces and makes the design and manufacture of the matrix very delicate. References [3], [4] and [5] are documents that expose this method.
In a variant of this method shown in document [6], the sample is pressed against a rough wall and rotated to a stop wall where it undergoes deformation by being pushed radially.
A continuous shearing process is shown by publications [7] and [8] in which continuous web material is forced by a pair of rolls into a die with a side exit.
In the method of document [9], a continuous strip is repeatedly subjected to corrugated deformations and then to rectifications.
The document [10] proposes a method in which part of an original part is cut on the surface and channeled in a radial space. Such a method does not make it possible to control the static pressure on the material and cracks can be created along sliding planes.
Document [11] shows an extrusion process whose output is not symmetrical. Such a method does not achieve high levels of deformation.
DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention aims to propose a method for producing parts having an ultrafine grain microstructure, obtained by severe plastic deformation, which is quick to implement and can be implemented with moderate efforts.
With these objectives in view, the subject of the invention is a process for forming a part in which a metallic material undergoes severe plastic deformation in order to confer on it an ultra-fine grain structure, into which a bar of said material is introduced into a matrix in an insertion direction, the matrix having an entry area with a cross-section with the section of the bar and an exit zone, the exit zone being oriented in a lateral exit direction with respect to the direction method for extracting the transformed material, the method being characterized in that, the matrix having an extrusion zone having the same direction as the input zone and of smaller size than the input zone in the exit direction in a ratio between 0.75 and 1 excluded, a transition zone comprising a transition face downstream of the exit zone and making the transition between the zone of In the extrusion zone, the extrusion zone is extruded, the transition face creating a pressure to push a portion of the material through the exit zone and extracting the converted material into sheet form.
The method according to the invention makes it possible to obtain a very fine product even starting from a bar of large section. However, the efforts to provide are relatively limited since it is not necessary to deform the entire section of the bar, but only a part. Moreover, the deformations obtained are of a great magnitude, so that the sheet obtained does not need to be worked again: an ultrafine grain structure is obtained directly. The process can be applied to many metallic materials. For example, pure metals or metal alloys, whether steels, alloys based on titanium, aluminum, magnesium or lithium, are used.
According to a variant of the method, there is also a back pressure in the extrusion zone. This back pressure causes an increase in the hydrostatic pressure at the transition zone, which ensures more surely than the flue material to the exit zone. It constitutes an additional parameter of the process on which one can act to implement the method.
Preferably, the matrix is chosen so that:
with: Ψ the section reduction ratio between the output section and the input section; at the angle between the insertion direction and the transition face; t = a / h where 2a is the width of the exit zone and h is the difference in size between the entry zone and the exit zone; and m is the coefficient of friction between the material and the transition face.
The process according to the invention does not occur if certain conditions are not met. In particular, it would be possible to obtain a simple extrusion without the material flowing towards the exit zone if the hydrostatic pressure is not sufficient. The conditions described above are sufficient to ensure, even in the absence of back pressure, that the material flows to the exit zone to form the sheet. This relationship shows the conditions are more conducive if the reduction ratio Ψ decreases, if the angle "increases or the ratio f decreases.
In the case of the exercise of a back pressure, the matrix and the back pressure are chosen so that:
with: Ψ the section reduction ratio between the output section and the input section; at the angle between the insertion direction and the transition face; t = a / h where 2a is the width of the exit zone and h is the difference in size between the entry zone and the exit zone; m is the coefficient of friction between the material and the transition face;
Pbp is the back pressure; and k is the elastic limit in shear of the material.
This relationship shows that the exercise of backpressure facilitates the method according to the invention by allowing a wide range of choices for other parameters such as the angle a, the ratio t or the section reduction ratio.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood and other features and advantages will appear on reading the following description, the description referring to the appended drawings in which: FIG. 1 is a schematic representation of a matrix in longitudinal section in which the method according to a first embodiment of the invention is implemented; FIG. 2 is a view similar to FIG. 1 for a second embodiment of the invention; - Figure 3 is a view of a detail of Figure 1 also common in Figure 2, without implementation of the method according to the invention; FIG. 4 is a view similar to FIG. 3 with implementation of the method according to the invention; FIGS. 5a and 5b are diagrams representing the operating conditions of the method according to the first embodiment; - Figures 6a and 6b are diagrams similar to those of Figures 5a and 5b according to the operating conditions of the second embodiment of the method; FIG. 7 is a diagram showing the evolution of a von Mises deformation for the sheet; - Figure 8 is a side photo of a bar of which the sheet is manufactured.
DETAILED DESCRIPTION
The sheet forming method according to the invention is implemented in a tool comprising a die 1 and a first piston 2 for pushing a bar 3 in the die 1.
The bar 3 is made of a metal material with which it is desired to manufacture the sheet 4 after its structural transformation to obtain an ultrafine grain structure.
The matrix 1, shown in FIG. 1 in longitudinal section along an insertion direction, comprises an entry zone 11 able to receive a bar 3 of said material in the insertion direction F, a transition zone 12, a zone 13 and an extrusion zone 14. The outlet zone 13 is oriented in a lateral outlet direction with respect to the insertion direction F. The extrusion zone 14 is in the extension of the entry zone 11, but with a dimension, considered as a height, less on the side of the exit zone 13. The respective heights of the extrusion zone 14 and of the inlet zone 11 are in a ratio of between 0.75 and 1 excluded. In the example considered, the section is rectangular, the different zones of the matrix 1 having an equal width in the direction perpendicular to the section plane.
The transition zone 12 has a transition face 120 downstream of the output zone 13 by making the transition between the input zone 11 and the extrusion zone 14. The transition face 120 is inclined at an angle α compared to the direction of introduction F.
The first piston 2 has substantially the same section as the input zone 11 and is adapted to push the bar 3 in the introduction direction F through the matrix 1. The bar 3 also has a section adjusted to that of the zone 11.
According to the method of the invention, the bar 3 is introduced through the inlet zone 11, the first piston 2 is actuated, the bar 3 is extruded through the extrusion zone 14 at the same time as a sheet metal is extracted. 4 by a portion of the material of the bar 3 which flows through the exit zone 13.
By forcing the passage of the bar 3 with a force F, the first piston 2 induces the passage of the initial thickness H0 of the bar 3 to a reduced height of H0-h. In the transition zone 12, a large pressure is induced so that the outer portion of the bar 3 flows into the exit zone 13 and forms the sheet 4 with a thickness 2a. In fluent, the material undergoes severe plastic deformation, which gives it the desired ultrafine grain structure properties.
In order to determine the conditions under which the process occurs, according to the theory of the majors, two cases are considered: two fields of kinematically admissible speed, one which simulates the direct extrusion through the matrix 1 (towards the zone of extrusion 14), shown in Figure 3, the other with the formation of the sheet 4, shown in Figure 4.
In the case of FIG. 3, it is established that the pressure applied by the first piston 2 Pa can be expressed by:
(1) with Ψ the section reduction ratio between the output section and the input section; The angle between the insertion direction F and the transition face 120; m is the coefficient of friction between the material and the transition face 120; k is the elastic limit in shear of the material; wyr is a friction power of the bar 3 against the entry zone 11; and V0 is the speed of movement of the first piston 2.
To evaluate the operating pressure q between the bar 3 and the transition face 120, the equilibrium of the forces exerted on the bar 3 is written, omitting the friction forces:
(2)
Replacing / ^, we get:
(3)
For small section reduction ratios (Ψ <0.2), it is assumed that:
from where :
(4)
This relation shows that the reduction of the section ratio Ψ induces an increase of the local pressure q hyperbolic way.
Thus, a small section reduction induces a high pressure in the transition zone 12.
In order to determine under what conditions the formation of the sheet 4 can take place, the pressure Pb applied by the first piston 2 is expressed for the case of FIG. 4:
(5) where t = a / h.
The formation of sheet 4 takes place provided that:
(6)
By defining χ:
(7) the formation of the sheet 4 takes place provided that ^ <l, otherwise it is the scenario of figure 3 which happens.
To calculate the plastic deformation during the formation of the sheet 4, with reference to FIG. 4, a discontinuity of the velocity field is considered along an upstream line AB and a downstream line AC, in the sectional view. longitudinal. Point A is the vertex of the angle between inlet zone 11 and exit zone 13, point C is the vertex of the angle between exit zone 13 and transition face 120, and point A is substantially the intersection between the axis of the exit zone 13 and the projection along the insertion direction F of the vertex of the angle between the transition face 120 and the extrusion zone 14. The shear deformation on these lines is defined by the formula:
(8) where avt is the differential of the tangential velocity components vn is the normal velocity component on the discontinuity line. We deduce the expression of the total deformation during the formation of the sheet 4:
(9)
Now using the von Mises equivalent deformation formula
, we obtain :
(10) The evolution of eu, the equivalent deformation in the von Mises direction, as a function of t, is shown in FIG. 7. This figure shows that for thin sheets and sheets, von Mises deformation is characteristic of the processes. severe plastic deformation.
The isolines of χ are shown in Figures 5a and 5b, respectively for a gold angle of 30 ° and 60 °. The domain Da, Db in which the formation of the sheet 4 takes place is represented in gray, above the line χ = 1.
According to a second embodiment, shown in FIG. 2, the tooling is completed by a second piston 5 able to exert a counter-pressure on the end of the bar 3 in the extrusion zone 14.
It is thus possible to control the hydrostatic pressure during the formation of the sheet. The force exerted by the second piston is named Fbp. In the same way as before, we establish that:
(11) (12) where Pbp = Fbpfs, and ^ is the section of the extrusion zone 14.
The parameter χ 'using Pbp now has the form:
(13)
The isolines of χ 'for Pb = 2k are shown in Figures 6a and 6b, respectively for an angle of 30 ° and 60 °. The domain Da ', Db' in which the formation of the sheet 4 takes place is shown in gray, above the line χ '= \.
It is clear from this that the application of backpressure extends the area Da ', Db' in which the formation of the sheet 4 takes place in comparison with the case without back pressure.
Example 1
By extruding a commercially pure aluminum bar 3 by the invented process, the following results were obtained:
Material: AU 050
Initial hardness: 44 HV
Initial grain size: 200 μm The extrusion was conducted at room temperature according to the method of the invention as described above, using a back pressure. A sheet having the following characteristics was thus obtained: Thickness of the sheet produced: 0.7 mm Hardness of the sheet: 108 HV Estimated plastic deformation in the sheet: y = 8.1 Grain size in the sheet: 610 nm.
EXAMPLE 2 Extrusion of commercially pure aluminum was carried out at room temperature according to the process of the invention as described above, with a pressure of 300 kN using a back pressure of 100 kN. There was thus obtained a sheet thickness of 1.5 mm, as illustrated by the photo of Figure 8.
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