Comment résoudre les problèmes de ductilité des rives des aciers AHSS

Sur un acier AHSS, les rives après découpe et formage doivent être suffisamment ductiles, pour éviter d'éventuels problèmes de fissuration le long des bords des trous ou des brides.

Cet article aborde les causes possibles de fissuration des rives de tôles d’AHSS pendant la découpe et le formage. Il présente les meilleures pratiques pour la découpe, les outils et les essais sur la matière, utiles à la prévention de défaillance sur les bords. Cet article reprend les points marquants d’un webinaire récent sur la ductilité des bords Docol® avec Vili Kesti, spécialiste en formage senior chez SSAB.

Quand faut-il prévoir une ductilité des rives ?

En général, les bords de découpe doivent être ductiles s'il est prévu de les former. Pour les applications de châssis automobiles par exemple, les pièces sont souvent cisaillées mécaniquement ou poinçonnées en séries. Après la découpe, les bords peuvent se déformer de plusieurs manières, entre autres par expansion de trous, formage de collerettes ou étirement des brides, etc.

Comme les conceptions de pièces automobiles en AHSS deviennent de plus en plus complexes, réussir à former de bords de découpe en les gardant intacts peut être difficile, surtout pour les AHSS laminés à chaud. De plus, les propriétés de fatigue d’une pièce peuvent être altérées lorsque les bords présentent déjà des fissurations ou autres défauts.

Exemples de problèmes de ductilité des rives des aciers AHSS

Exemples de problèmes de ductilité des rives des aciers AHSS

C’est un problème typique : une fissure s’est produite sur le bord du trou pendant le processus d’expansion du trou. La fissure a démarré dans une section de la circonférence du trou dont la surface cisaillée est rugueuse.

Autre exemple de problèmes de ductilité des rives des aciers AHSS

Autre exemple : voici un gros plan d’une fissuration typique de bride dans une zone où d’importantes contraintes de traction ont été mises en œuvre pendant le formage.

Un logiciel de simulation peut être très utile pour détecter les zones critiques (soumises à de fortes contraintes) qui ne sont pas identifiées d'emblée comme zones à risque.

Les découpes mécaniques, de type poinçonnage, génèrent un écrouissage très important et parfois des zones de vide et des bavures le long des bords de découpe. C'est ce qui constitue la « zone affectée par le cisaillement » (SAZ en anglais).

Les mesures de microdureté faites par SSAB montrent que plus la face de coupe est proche, plus l'écrouissage est important. Par conséquent, avant tout façonnage, ces bords seront beaucoup plus complexes à mettre en forme.

Des vides suite à un cisaillement peuvent se produire à proximité d’inclusions, de carbures, de limites de phase, ou autres., suivant la microstructure de l’acier AHSS.

Outillage, jeu à la découpe et ductilité des bords

La première règle du formage est de connaître (et classer) le taux d’usure de votre outil. Sa progression classique démarre par un taux initial, suivi par un plateau, puis une accélération. Une progression similaire se produit généralement pour la formation de bavures : voir le tableau. Dans les deux cas, utilisez votre outillage avant sa phase d'usure accélérée. Des outils usés peuvent considérablement réduire les rapports d’expansion de trous (HER) pour certaines nuances d’acier AHSS.

Si c'est possible, faites que la bavure se produise sur un bord interne. Les bavures à l’extérieur d’un bord ont tendance à créer des défauts pour les pliages qui suivront.

Calculez le jeu optimal entre la matrice et le poinçon pour vos nuances spécifiques d'AHSS spécifique. Dans certains cas, sa valeur sera supérieure à celle de la norme ISO 16630 de 12 %. Vous pourrez ainsi augmenter le rapport d'expansion de trous. Consultez votre fabricant d’acier AHSS pour connaître les jeux de découpe pour une nuance et une application spécifiques.

Il y a toujours un lien entre l'état des outils et l’homogénéité des jeux de découpe. L’usure de l’outil est liée au jeu à la découpe et à la nuance AHSS découpée. La rigidité de l’outil est également importante : elle aide à maintenir un jeu constant autour des trous et le long des brides plus longues.

La zone affectée par le cisaillement peut être éliminée en remplaçant votre méthode de découpe par un perçage, un usinage ou une découpe au fil (EDM). Malheureusement, le perçage, l’usinage ou la découpe au fil prennent du temps et ne sont pas envisageables pour les grandes séries. Les découpes thermiques comme le laser ou le plasma peuvent améliorer la ductilité des bords, mais elles peuvent aussi créer des gradients de dureté du fait de l'émanation de chaleur.

Schéma d’outillage, jeu à la découpe et ductilité des bords

Un préperçage peut considérablement améliorer les rapports d'expansion de trous et la formabilité des bords de tôle

De nombreux documents techniques montrent que le préperçage des aciers AHSS, également appelé cisaillage à deux étapes, peut considérablement améliorer les rapports d’expansion des trous et, par conséquent, l’aptitude au formage des bords.

Avec le préperçage, un poinçon simple échelonné ou deux opérations de poinçonnage distinctes sont utilisées pour créer un premier trou suivi d’une coupe. Pour des résultats optimaux, choisissez soigneusement l’épaisseur du trou découpé ou poinçonné. Un préperçage peut considérablement améliorer ce rapport d'expansion, mais le niveau d’amélioration varie d’une nuance à l’autre, comme indiqué dans ce tableau.

Un préperçage peut considérablement améliorer les rapports d'expansion de trous et la formabilité des bords de tôle

Mêmes noms d’aciers AHSS, différentes ductilités des bords de tôle

La ductilité des bords peut varier considérablement d’une nuance à l’autre, même lorsque les nuances présentent des niveaux de résistance similaires. Vous remarquerez également des différences entre les différents producteurs d’acier d'une nuance nominale portant le « même nom ».

Par ailleurs, il n'y a pas de relation claire entre le rapport d'expansion de trous et la limite d’élasticité mesurée, la résistance à la traction ou l’allongement. (Cela dit, des publications récentes montrent une possible corrélation entre les contraintes de fracture d’épaisseur réelle et l’HER : si des recherches complémentaires confirment cette relation, nous espérons en parler dans un prochain article d’INSIGHTS.)

Par exemple, voici quatre nuances d’acier différentes, chacune ayant une résistance minimale à la traction de 800 MPa. Bien évidemment, en choisissant la bonne nuance d’acier, vous pouvez obtenir d’importantes améliorations dans les propriétés de formage des rives de tôles.

Autre considération lors du choix des aciers AHSS : en conditions de travail réelles, il peut être difficile de maintenir des jeux identiques à la découpe. Ce graphique montre comment la nuance Docol® HE (high edge) montre une meilleure qualité des rives de tôle et une meilleure aptitude au formage, pour des jeux de découpe différents, que les nuances AHSS classiques.

Diagramme en boîte des résultats d'expansion des trous (HER)
Diagramme en boîte du rapport HE S355MC vs Docol 355 HE différents dégagements [%]

Dépasser la norme ISO 16630 : diagramme de limites de formage (FLD) des rives en 3D

La norme internationale actuelle pour les essais d’expansion de trous est la norme ISO 16630, pourtant largement critiquée pour des résultats parfois incertains, aux variations excessives.

La norme ISO 16630 ne couvre qu'un état de contrainte (et donc une déformation) spécifique. Mais, en situation de production réelle, plusieurs cas de figure peuvent se présenter. Même dans une même pièce automobile, il peut y avoir différents états de contrainte/déformation sur les rives de tôle.

Avec d'autres essais, comme entre autres les mesures de déformation par corrélation d’images numériques (DIC) en ligne, il est possible de couvrir un plus grand nombre de situations de contrainte/déformation. Les chercheurs de SSAB s'appuient sur les essais :

  • Nakajima HE,
  • KWi HE,
  • Diabolo,
  • de double pliage,
  • d'étirement de trou.

Les chercheurs de SSAB travaillent sur un nouveau concept pour décrire « l’aptitude générale au formage des bords de tôle ». Leur approche intègre les tests ci-dessus pour tester un échantillon d’AHSS dans trois directions différentes (ε1, ε2 et ε3) et créer un diagramme de limite de formage des bords en 3D (FLD), en traçant les limites de contrainte juste avant la fissuration.

Les diagrammes 3D de limite de formage des bords sont un bon moyen de comparer visuellement différents matériaux et leur ductilité générale Il semble également qu'ils puissent servir à des simulations : restez à l’écoute.

Tracé de surface

Voulez-vous en savoir plus sur les diagrammes de limites de formage (FLD) des rives en 3D pour nos aciers ?

Auriez-vous des questions sur la manière de calculer la ductilité des bords d'une nuance AHSS en particulier pour une application de pièces automobiles ?

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