Multifactorial analysis of cold forging tools deteriorating toward wear

Les matrices en carbure de Tungstène et Cobalt (WC‐Co) sont utilisées dans les procédés de frappe à froid de l’acier pour leur exceptionnelle capacité à résister aux phénomènes d’usure. Ces travaux ont pour objectif de mieux comprendre les mécanismes complexes qui entrainent finalement la dérive des matrices vers l’état usé. Cette complexité vient des liens étroits entre la microstructure et les propriétés mécaniques macroscopiques de ces matériaux. Pour la compréhension des mécanismes de dérive vers l’usure, une stratégie de travail en quatre étapes est établie. La première étape est le prélèvement de matrices de frappe, avec différentes durées de vie, directement sur la chaîne de production. La deuxième étape est l’identification de la rhéologie. Elle s’accompagne de la modélisation numérique du procédé de frappe pour calculer le champ des contraintes et des déformations plastiques. La troisième étape est la caractérisation localisée de l’évolution de la surface selon trois axes : les propriétés tribologiques, morphologiques, et mécaniques. On quantifie ainsi la dégradation progressive des conditions de contact corrélée avec une fragilisation des surfaces et la décohésion de grains de carbures WC. Pour comprendre les mécanismes qui conduisent à la décohésion de grains, une stratégie de modélisation numérique à l'échelle mésomécaniques 2D est mise en place. L’énergie de rupture entre un grain et le reste du matériau est modélisée par des éléments cohésifs. Ces modèles montrent que la sensibilité de chaque grain à l’arrachement dépend non seulement des conditions de contact et de la ténacité du matériau, mais également de la taille et de la configuration du grain au voisinage de la surface.Tungsten carbide and Cobalt (WC‐Co) dies are used for cold forming processes of steel because of their exceptional performances in resisting wear phenomena. This work aims to a better understanding of the complex damage mechanisms that eventually cause wear. This complexity comes from the existing relationships between their microstructure and their macroscopic mechanical properties. For a better understanding of the damage mechanisms leading towards wear, a four‐step strategy is presented. The first step is the cold heading dies sampling directly on the production line. They are collected at different lifetimes. The second step is the identification of the die rheology. It is followed by numerical modeling of the forging process to calculate the stress field and plastic strain magnitude. The third step is to characterize the local evolution of the surface properties along three axes: the tribological, the morphological and mechanical aspects. These analyses quantify the progressive decrease of contact conditions correlated with surface embrittlement and WC carbide grains debonding. To understand the mechanisms that lead to the grains debonding, a set of 2D mesoscale contact models are performed. The fracture energy between a WC grain and the rest of the material is computed using cohesive elements. These models show that the sensitivity to debonding depends not only on the contact conditions and the material fracture toughness, but also on the grain size and grain configuration in the vicinity of the surface