Offre de Thèse : Modélisation tribologique du laminage à froid d’aciers inoxydables.

Le laminage à froid n’a pas seulement pour but de réduire l’épaisseur, il doit en plus augmenter les propriétés mécaniques mais aussi transformer l’état de surface. Pour les aciers inoxydables, on part d’une surface macro-rugueuse, grenaillée et attaquée, et on doit atteindre un brillant quasi-miroir. Cela passe nécessairement par une refermeture des profonds cratères de grenaillage (Fig. 1a [1]). Ces derniers sont des réservoirs à lubrifiant dont la mise en pression s’oppose à ce lissage. L’expulsion du lubrifiant et la fermeture concomitante des cratères fait l’objet du phénomène plasto-hydrodynamique (Fig. 1b [2]).
Si la température de contact dérive, intervient aussi, comme mentionné plus haut, la formation sur le cylindre d’une couche de transfert adhésif rugueuse qui laboure la surface de la bande (Fig. 2) et accroît considérablement le frottement [3]. L’endommagement qui en résulte peut être cause de la formation, en fin de laminage, de microfissures qui dégradent la brillance.
Les travaux se placent donc au carrefour de la thermique du système bande-cylindre, de l’adhésion métal-métal en contact lubrifié, de l’endommagement mécanique de surface et de la modélisation en tribologie. Le but pratique pour l’entreprise est de doter un logiciel existant de conception de gamme de laminage des capacités de prédire et d’intégrer ces mécanismes pour orienter le schéma de passe vers un régime à la fois productif et peu endommageant pour la surface de la bande. Le programme de travail comporte :

1) la modélisation thermique couplée bande – cylindre : méthode des différences finies, sachant que la déformation plastique de la bande est la source de chaleur principale, le frottement à l’interface la source secondaire et que le transfert thermique se fait à grand nombre de Péclet (advection dominante).

2) L’implémentation d’un module de modélisation de l’épaisseur de film lubrifiant sur la base de l’équation de Reynolds. Le modèle de Lo & Wilson [2] servira à modéliser les premières passes de laminage, jusqu’à la refermeture des cratères de grenaillage, une forme plus classique [4] prenant alors le relais.

3) Sur la base de l’épaisseur de film lubrifiant, de la température de surface et d’un modèle simple d’endommagement de surface, une analyse du transfert adhésif sera menée à l’instar de [5], en termes d’existence ainsi que de rugosité. Cette dernière servira, à l’aide de modèles tribologiques adéquats entre surfaces rugueuses [6], à déterminer la composante « limite » du frottement.

4) L’ensemble de ces modèles et conclusions fera l’objet d’expériences de validation comportant des essais tribologiques en laboratoire, des essais (passés ou à venir) sur laminoir pilote avec des mesures thermiques, et de l’analyse de mesures en production. .

Figure 1 : laminage à froid de tôles d’acier inoxydable : mécanisme plasto-hydrodynamique d’élimination de la rugosité de grande longueur d’onde lors des premières passes. (a) mesure rugosimétrique 3D d’une tôle en cours de laminage, les poches sont en cours de refermeture [1] ; (b) le mécanisme plasto-hydrodynamique et sa modélisation [2]

Figure 2 : illustrations du mécanisme de transfert adhésif [3]. (a) la surface du cylindre juste après rectification fine ; (b) cylindre recouvert d’une couche de transfert adhésive après laminage ; (c) aspect macroscopique de la surface de la bande « labourée » par la couche de transfert rugueuse : « comètes » ; (d) zone labourée à plus fort grandissement : « écailles ».

Références bibliographiques :
[1] M.P.F. Sutcliffe, F. Georgiades: Characterisation of pit geometry in cold-rolled stainless steel strip. Wear 253 (2002) 963-974
[2] S.W. Lo, W.R.D. Wilson: A theoretical model of micro-pool lubrication in metal forming. J. Trib. (Trans. ASME) 121 (1999) 731-738
[3] P. Montmitonnet, E. Felder: Usure, transfert et conséquences. De l'observation à la modélisation. Les Techniques de l'Ingénieur, TRI 504 (2017)
[4] N. Marsault, P.Montmitonnet, P. Deneuville, P. Gratacos: Un modèle de laminage lubrifié en régime mixte. Revue de Métallurgie - Science et Génie des Matériaux 98, 5 (Mai 2001) 423-433
[5] O. Filali : Approche multiphysique du contact frottant en grande déformation plastique : prédiction numérique du grippage d’alliages d’aluminium en mise en forme à froid. Thèse, UPHF (2020)
[6] W.R.D. Wilson: Friction models for metal forming in the boundary lubrication regime. J. Engg. Mat. Technol. (Trans. ASME) 113, 1 (1991) 60-68