Des tests de formabilité qui vous permettent de tirer le meilleur d'aciers automobiles plus résistants

Le problème des essais de traction

Les aciers à ultra-haute limite d’élasticité sont courants dans l’industrie automobile. Ils sont couramment utilisés dans certains renforts de carrosserie structurels, renforts de pare-chocs, barres de protection de porte ainsi que les armatures et mécanismes pour les sièges.

L’acier à ultra-haute limite d’élasticité permet d’obtenir des valeurs 5 étoiles en cas de choc et de réduire le poids des pièces jusqu’à 40 %. Il permet également aux équipementiers de diminuer les coûts et d’améliorer les performances de la production et de développer des plans de pièces plus innovantes qui ont plus de valeur sur le marché.

Malgré ces avantages, de nombreux équipementiers persistent encore à utiliser des nuances d’acier plus doux et passent à côté d’un net avantage sur leurs concurrents. C'est parce qu’ils ne se fient qu’aux résultats d’allongement des essais de traction pour calculer les possibilités de formage.

« L’essai de traction est ce qui est le plus souvent utilisé », explique le Dr Lars Troive, spécialiste du formage chez SSAB. « L’idée est de tirer l’échantillon jusqu’à la fracture. Ensuite, on mesure à quel point la tôle a changé de forme en longueur. Cela correspond à son allongement. Par exemple, si la pièce d’essai mesure 80 millimètres, puis fait 88 millimètres avant la fissuration, elle représente un allongement de 10 %. »

Il poursuit : « Alors que l’essai de traction a longtemps été la méthode habituelle pour estimer l’aptitude au formage de l’acier, les nuances d’acier modernes et plus robustes ne sont pas correctement prises en compte par cette méthode. Ces aciers plus résistants se comportent différemment et sont sujets à des déformations plastiques plus localisées que les nuances classiques en acier plus doux. »

Une manière plus précise de prédire le comportement d’un acier à ultra-haute limite d’élasticité consiste à créer un diagramme de limite de formage (FLD), qui se présente sous la forme d'une courbe de limite de formage. Un FLD à lui seul est une représentation graphique de plusieurs tests de défaillance effectués sur la matière. Ces tests sont en dômes poinçonnés et se font sur des échantillons de géométries différentes. Chaque éprouvette (flan d'acier) a un rapport largeur/longueur unique qui entraîne différents modes de déformation jusqu’à la rupture. Elles se déformeront différemment et auront leur propre chemin de contrainte.

Avant de procéder à un essai FLD, chaque échantillon est d’abord peint en blanc, puis recouvert de points noirs répartis de manière aléatoire par pulvérisation de peinture, selon un « motif moucheté ». La couleur de base blanche permet d'obtenir un bon contraste avec le motif noir.

Au cours des essais, le motif est photographié par deux appareils photo intégrés à la presse. Les appareils photo enregistrent les mouvements de chaque point pendant toute l’opération de formage, ce qui permet d’estimer le chemin de contrainte jusqu’à la rupture. Lorsque vous réalisez le test du dôme poinçonné sur chacune des différentes géométries (flans), vous obtenez deux valeurs pour chaque test : les contraintes principales et les contraintes mineures. Le FLD est ensuite représenté par un diagramme à abcisses et ordonnées, dans lequel une ligne relie toutes les valeurs de contrainte obtenues. Cette courbe représente la limite de formage à laquelle l’acier présente un risque élevé de fissuration.

Figure 1 : Modèle de croquis aléatoire (image de gauche) et déformations majeures et mineures tracées sur un diagramme limite de formage (FLD ; image de droite).

En d’autres termes, l’essai d’aptitude au formage détermine jusqu’où vous pouvez aller lors du formage avant que l’acier ne se fissure, en fonction de l’état de déformation et du sens dans lequel la matière est déformée.

Pour voir des preuves que l’acier à ultra-haute limite d’élasticité peut être formé bien au-delà des valeurs d’allongement qui vous sont données, regardez les coques étirées de la figure 2.

Figure 2 : gabarits réalisés à partir d'une série d'aciers, partant des très doux à ceux à ultra-haute résistance. Le 1400M par exemple montre une résistance à la traction de 1400Mpa.

Des résultats d’essai de formage d'UHSS plus précis

« Visuellement, une éprouvette fine de l’essai FLD se formera quasiment de la même manière que ce qu'indique l’essai de traction », indique M. Troive. « Elle se rétrécit au milieu quand elle est étiré, comme l'éprouvette d’essai de traction ; c’est ce qu’on appelle la « déformation uniaxiale ». Alors, pourquoi les résultats du test d’allongement diffèrent-ils des résultats du test FLD ? »

« Nous effectuons un test simple, en appliquant un modèle à grille carrée, de 2 mm par 2 mm, sur une éprouvette d’essai de traction, mesurée après défaillance », poursuit Troive. « Ce qui se produit sur une distance de 2 millimètres, en pourcentage, est bien plus important que ce qui se produit sur une longueur de 80 millimètres – qui est la mesure utilisée dans les essais de traction, où l’extension totale en millimètres est divisée par 80 millimètres, ce qui signifie un allongement moyen sur cette longueur. »

Figure 3 : par exemple, une contrainte locale de 20 % sur 2 millimètres (la grille) est bien plus importante en pourcentage que ce qui est indiqué en testant le même acier UHSS sur une plage de 80 millimètres, comme c’est le cas pour les essais de traction..

Cela explique pourquoi les deux tests (traction et FLD) présentent autant de différences de résultats et peuvent conduire à des conclusions très différentes concernant le potentiel de formage d’un acier UHSS.

Interpréter un FLD

Comme un FLD établit les données les plus précises sur la manière dont une nuance spécifique d’acier à ultra-haute limite d’élasticité peut être formée, il est crucial de comprendre comment interpréter les résultats.

Aujourd’hui, les simulations par éléments finis du processus de formage sont très couramment utilisées par l’industrie automobile. Sur cette base, le FLD est un outil très important car il peut montrer si les déformations calculées se situent dans la zone de formage sans risque – ou si elles sont proches de la rupture.

Le FLD peut être divisé en trois parties :

• Étirement équibiaxal vers la droite.
• Déformation plane au centre.
• Cisaillement pur (emboutissage) à gauche.

Troive explique : « Le diagramme FLD est une représentation graphique d’un certain nombre d’essais de rupture de matière avec différents chemins de contrainte. Fondamentalement, la zone située sous la courbe limite de formage est considérée comme sûre pour les opérations de formage. Il est courant de réduire légèrement la courbe pour avoir une marge de dispersion potentielle, en raison de variations mineures dans le méthodes d’emboutissage ou les propriétés de la matière. Les FLD sont largement utilisés comme critères de fracture pour les simulations de formage ou les mesures de déformation. »

« Toutefois, il existe quelques cas où les FLD ne peuvent pas prédire une défaillance. C'est le cas pour les bords de découpe. La ductilité des bords de découpe dépend beaucoup de la manière dont le flan a été découpé. Par exemple, le jeu de découpe était-il correct ? Les outils étaient-ils tranchants ? Etc. Dans ce cas, nous nous appuyons plutôt sur un test pratique et comparons les résultats avec le niveau de contrainte sur le bord », indique Troive. (Pour plus d’informations, consultez le webinaire à la demande Docol^® « Résolution des problèmes liés à la ductilité des bords des aciers AHSS ».)

Différents types de formes et de formage forceront la matière à se déformer de différentes manières. En général, le pire scénario se produit lorsqu’une pièce est formée à des conditions de contrainte purement planes. Pour ce type d’opération de formage, on peut prendre l'exemple d'un pliage simple. C'est ce qui entraîne le chemin le plus court vers la rupture. Parfois, il est possible de changer de chemin de contrainte. On peut par exemple optimiser la géométrie du flan de manière à éviter que la matière reste collée, pour qu'il soit tiré au lieu d’être étiré.

Comparaison des résultats des essais de traction et FLD

Par le passé, les constructeurs automobiles travaillaient beaucoup avec un acier plus doux et les résultats entre les essais de traction et les essais FLD étaient assez similaires. Cela étant dit, l’essai de traction était – historiquement – mieux considéré et par conséquent plus répandu. Si vous n’utilisez que l’essai de traction, vous risquez de manquer des occasions d’utiliser un acier plus résistant. Lars Troive explique :

« Si l’on ne regarde que les données de l’essai de traction, on peut penser que tout est impossible. Si vous regardez plutôt l’aptitude au formage, nous parlons d’une augmentation de près de 100 %, par exemple de 10 à 20 par rapport à la zone réelle prévue pour un processus de formage. Pour une application automobile, plusieurs possibilités s’offrent à vous si l'on regarde le diagramme des limites de formage au lieu de s'arrêter à l’allongement. »

Figure 4 : Test de traction à₈₀ (carrés blancs) et test FLD à 2 mm (carrés gris) (résultats en %).

Lorsque l’on trace les deux résultats d’allongement à partir d’un test de résistance à la traction et des résultats d’un test de formage, on constate facilement la différence à mesure que la résistance de l’acier augmente.

Preuve concrète de l’aptitude au formage des aciers UHSS

De nombreux constructeurs automobiles s’appuient déjà sur les données FLD pour sélectionner les matières. Par conséquent, nous avons déjà la preuve qu’un acier à ultra-haute limite d’élasticité avec une résistance à la traction extrêmement élevée peut être formé dans des applications automobiles.

Shape Corp. a par exemple créé des tubes de longeron de toit et des montants A plus légers, plus résistants et plus compacts par laminage tridimensionnel de l’acier martensitique Docol^® 1700MPa. Ces conceptions plus compactes augmentent l’espace intérieur et la visibilité du conducteur tout en optimisant le placement des airbags dans les Ford 2020 Explorer et 2020 Escape.

Avantages supplémentaires de l’utilisation d’aciers à plus haute résistance

En plus de permettre de meilleures performances en cas de collision et de réduire le poids, une sélection optimisée d’acier à ultra-haute limite d’élasticité peut donner d'autres avantages précieux aux constructeurs automobiles :

1. Moins de matières à utiliser : La résistance et les propriétés techniques uniques de l’acier à ultra-haute limite d’élasticité peuvent permettre aux équipementiers de réduire la quantité de matière nécessaire à la fabrication d’une pièce de voiture en utilisant des épaisseurs plus fines.
2. Matières moins chères : Les aciers à ultra-haute limite d’élasticité peuvent être beaucoup plus rentables que d’autres produits légers à haute limite d’élasticité, non seulement pour le coût de la matière, mais aussi pour le coût du formage.
3. Moins coûteux à former : Bien que vous ayez peut-être besoin d’investir dans des outils plus résistants que pour les aciers plus doux, les aciers UHSS sont généralement formés à l’aide d’équipements de production conventionnels, ce qui vous permet d'utiliser ceux que vous possédez déjà.
4. Formage plus rapide, avec moins d’énergie : Vous pourrez peut-être remplacer l’acier au bore estampé à chaud par des aciers AHSS formés à froid. Vous économiserez de l’argent puisque vous n'aurez pas besoin de matrices d’estampage à chaud complexes (qui nécessitent également beaucoup d’énergie pour le chauffage et le refroidissement), pour un temps de production accéléré.
5. Aptitude au soudage : De nombreux aciers à ultra-haute limite d’élasticité peuvent être soudés selon des méthodes de soudage standard du fait de leur composition chimique pauvre.

Optimisez votre potentiel de conception de pièces automobiles

Lorsque l’on choisit un acier à ultra-haute limite d’élasticité pour les pièces automobiles, les possibilités d’innovation sont excellentes. Or, si seules les données d’allongement résultant des essais de traction sont utilisées pour estimer l’aptitude au formage, les choix se porteront sur des aciers plus doux, négligeant ainsi des opportunités d'amélioration certaines. Intéressez-vous toujours au diagramme des limites de formage pour vous assurer de tirer le meilleur parti de l’acier à ultra-haute résistance que vous avez choisi.

Souhaitez-vous bénéficier de l’expertise de SSAB pour vous aider à déterminer si un acier UHSS particulier est suffisamment formable pour votre application automobile ? Contactez votre représentant local Docol^® local.