Comment les propriétés des différents matériaux influencent-elles le travail à froid des matériaux de contact électrique AgSnO₂ ?

I. INTRODUCTION

Les contacts électriques sont fréquents dans les appareils ménagers, les systèmes d'alimentation électrique, l'aérospatiale et d'autres équipements. On les divise principalement en trois catégories : les contacts fixes, qui transmettent des signaux électriques par l'intermédiaire de deux contacts fixes (comme les connecteurs électriques) ; les contacts glissants, qui transmettent des signaux électriques par le glissement de deux contacts (comme les contacts entre balais et rouleaux électriques) ; et les contacts séparables, comme ceux de divers appareils de commutation, qui sont obtenus par l'ouverture et la fermeture de deux contacts.

Certains phénomènes physiques se produisent fréquemment, notamment lors de la mise en œuvre de contacts séparables : augmentation de la résistance de contact, érosion de la surface de contact, soudage par fusion, usure, transfert de matière, etc. Avec le développement des sciences et des technologies, les exigences relatives aux performances des matériaux de contact électrique sont devenues plus élevées. Les matériaux de contact électrique à rivets sont largement utilisés dans divers domaines de la commutation grâce à leurs excellentes propriétés, notamment l'association de l'argent et d'autres additifs.

Cependant, la complexité du processus de transformation plastique des matériaux métalliques à rivets ne permet plus, par les méthodes traditionnelles, d'obtenir une analyse approfondie des contraintes de formage. Cependant, l'introduction de la méthode des éléments finis permet de simuler avec précision le processus de mise en forme des matériaux et leur état de contrainte. La méthode des éléments finis rigides-plastiques a été largement utilisée dans l'étude de la mise en forme plastique de divers métaux. Elle repose sur le principe des petites déformations et ne tient pas compte de la déformation élastique lors de la déformation plastique. Cette méthode est applicable à la modélisation de la déformation plastique des matériaux soumis à de fortes déformations lors du travail à chaud et de la mise en forme. Généralement, les hypothèses suivantes sont formulées pour les matériaux rigides-plastiques : la déformation élastique est négligée ; les forces volumiques et d'inertie sont également négligées ; le volume du matériau reste constant ; l'écoulement du matériau suit la théorie de Lévy-Mises.

Certains ont utilisé le logiciel ABAQUS pour simuler le processus de rivetage quasi-statique par la méthode des éléments finis tridimensionnels, afin d'obtenir la déformation de la tige de rivet après le rivetage de rivets à tête conique et semi-circulaire classique. Ils ont également comparé et analysé l'évolution des contraintes résiduelles de la plaque. Un système gris, composé de l'uniformité de la déformation de la tige de rivet, de la taille du rivet et de la hauteur de sa tête, a ainsi été établi. Le calcul et l'analyse du degré de corrélation de ce système ont permis de déterminer l'influence de la taille et de la hauteur de la tête du rivet sur l'uniformité. Il en résulte que l'uniformité de la tige de rivet après rivetage avec des rivets coniques est supérieure à celle obtenue avec des rivets classiques. D'autres ont utilisé le logiciel DEFORM-3D pour étudier l'effet de différents paramètres du procédé de frappe à froid sur la formabilité de l'alliage de titane TC16.

Les résultats montrent que la déformation équivalente maximale augmente avec le coefficient de frottement, puis augmente puis diminue avec la vitesse de déformation ; la contrainte équivalente maximale augmente également avec le coefficient de frottement, puis diminue puis augmente avec la vitesse de déformation. La température de la billette augmente avec le coefficient de frottement ou la vitesse de déformation ; la charge de frappe à froid augmente également avec ces mêmes facteurs, le coefficient de frottement ayant l'influence la plus importante. Les paramètres du procédé de frappe à froid des barres en alliage de titane TC16 ont été optimisés par analyse. L'influence des procédés de frappe à froid et à chaud sur la microstructure de l'alliage TC16 a été comparée et analysée.

Les essais montrent qu'après vieillissement en solution, la microstructure et les propriétés mécaniques des échantillons frappés à froid et à chaud sont très similaires. Qingyun Zhao a analysé le processus de formage de la tête d'un boulon à tête hexagonale en alliage de titane par simulation numérique. Le logiciel d'éléments finis DEFORM-3D a été utilisé pour simuler l'évolution du champ de température, l'écoulement de matière, la distribution des champs de contraintes et de déformations, ainsi que la charge de déformation lors du formage de la tête du boulon hexagonal, et pour analyser ce processus.

II. ÉTABLISSEMENT D'UN MODÈLE DE SIMULATION DU TRAVAIL À FROID

A. Établissement d'un modèle 3D par éléments finis.
Afin de faciliter l'analyse par simulation du processus de formage des matériaux de contact électrique des rivets sous différentes propriétés (allongement, module d'élasticité, dureté), le modèle a été simplifié. Seuls les moules supérieur et inférieur ainsi que les pièces à usiner ont été conservés pendant le formage.

À l'aide du logiciel 3D SolidWorks, un modèle 3D de formage à froid des rivets a été créé, puis assemblé selon la position réelle de formage. Après assemblage, le modèle a été converti dans un format intermédiaire et importé dans le logiciel d'éléments finis. Le résultat de la simulation est présenté sur la figure 1.

Matériel	H26	AgSnO 2 (15)
Coefficient de Poisson	0,3	0,31
Densité (g/ cm³ )	7.8	9,89
Conductivité thermique (W · m⁻¹ K⁻¹ )	24,5	30.6
Capacité thermique massique (J·Kg -1 K-1)	0,46	0,35
Coefficient de dilatation thermique (10 -5 K -1 )	1.1	1.22

Le matériau du moule utilisé dans la simulation est l'acier H26, le matériau de l'outil du logiciel et le matériau de la pièce est l'AgSnO2(15). Les propriétés mécaniques et physiques du moule et de la pièce sont présentées dans le Tableau I.

B. Paramétrage du processus de simulation numérique.
Dans le logiciel d'éléments finis, un maillage hexaédrique a été adopté pour l'ébauche de la pièce. Afin d'assurer des résultats d'essai plus précis, la taille des cellules du maillage a été uniformément fixée à 0,9 mm, divisée en 8 606 cellules, et les matrices supérieure et inférieure ont été traitées comme des corps rigides.

Lors de l'étape d'ébauche, une presse hydraulique a été sélectionnée pour la simulation, et la vitesse a été fixée à une vitesse constante de 0,1 mm/s. Pendant l'ébauche, le moule inférieur est resté fixe, et la condition limite de frottement entre l'outil et le moule a été définie comme un frottement de cisaillement, avec un coefficient de frottement de surface de 0,2. La température ambiante a été fixée à 20 °C, la température initiale de la pièce et du moule était également de 20 °C, et l'équipement et le moule ont été libérés après l'essai.

III. ANALYSE DES RÉSULTATS DE LA SIMULATION

L'allongement, le module d'élasticité et la dureté des matériaux de contact électrique , tels que les rivets, ont été simulés numériquement à l'aide d'un logiciel de simulation numérique afin d'étudier l'influence des variations de paramètres sur la force d'action du milieu et la déformation équivalente des matériaux lors de l'écrouissage. Les résultats ont ensuite été analysés et discutés en détail.

A. Effet de l'allongement sur la mise en forme du matériau

. Afin d'analyser l'influence de différents allongements sur l'écrouissage et la mise en forme des matériaux, ainsi que sur la distribution des contraintes et déformations équivalentes, l'allongement du matériau a été fixé à 0,05, 0,1 et 0,15 respectivement, pour des paramètres identiques par ailleurs. Les résultats relatifs à la déformation équivalente sont présentés sur la figure 2 et ceux relatifs à la contrainte équivalente sur la figure 3.



On observe sur la figure 2 que la déformation due à l'effet de rivetage s'accumule principalement au contact entre la tête du rivet et la matrice inférieure, et que sa distribution est extrêmement hétérogène. L'allongement n'entraîne pas de changement notable de la position de cette déformation ni de la déformation accumulée, probablement en raison de la faible variation de l'allongement, ce qui limite la variation de la déformation du matériau.

La figure 3 montre que la contrainte équivalente sur la face de travail du rivet et au contact avec la matrice est maximale, et qu'une bande de cisaillement en forme de X, relativement marquée, se forme au centre. Avec l'allongement, la contrainte équivalente de cette bande diminue progressivement le long de la tête du rivet, de l'axe central vers les quatre côtés, pour atteindre sa valeur minimale aux extrémités. Ceci démontre que l'allongement influe sur la contrainte du rivet une fois formé, ainsi que sur la distribution spatiale de la bande de cisaillement dans la tête du rivet, affectant ainsi la qualité du rivetage. La raison est que, avec l'augmentation de l'allongement, la déformation du centre de la tête du rivet sous l'effet de cet allongement devient plus aisée. Dans ce cas, la chaleur générée par la déformation plastique augmente et la résistance à la déformation diminue, ce qui entraîne une diminution progressive de la contrainte équivalente.

B. Influence du module d'élasticité sur la mise en forme du matériau
. En général, dans les applications industrielles, le module d'élasticité est considéré comme une valeur fixe, négligeant ainsi son influence sur le matériau. Cependant, pour certains matériaux métalliques présentant un phénomène de retour élastique marqué, celui-ci affecte considérablement l'optimisation du processus de mise en forme et le contrôle précis des dimensions. Il est donc nécessaire de clarifier l'influence du module d'élasticité sur la mise en forme des rivets lors de l'analyse de la mise en forme du matériau.
Dans la simulation, les autres paramètres restent inchangés et le module d'élasticité du matériau a été fixé à 13,5 GPa, 27 GPa et 54 GPa respectivement. Les résultats de la déformation équivalente sont présentés sur la figure 4. On constate sur cette figure que la déformation équivalente des rivets s'accumule principalement au point de contact entre la tête du clou et la matrice inférieure du rivet. Avec l'augmentation du module d'élasticité, la quantité cumulée de déformation équivalente ne change pas significativement, ce qui indique que le module d'élasticité a peu d'effet sur la déformation équivalente lors du moulage du matériau dans cette plage.

Les résultats de la force équivalente sont présentés sur la figure 5. On constate que, sous une même force, la contrainte de section du rivet diminue lorsque le module d'élasticité augmente. Ceci pourrait s'expliquer par l'augmentation de la température du matériau. Selon la théorie des vibrations atomiques dans les solides, les atomes s'écartent de leur position d'équilibre et leur déplacement augmente avec la température. Dans ce cas, l'espacement interatomique s'accroît et les forces de liaison entre les atomes s'affaiblissent, ce qui entraîne une diminution de l'énergie du système. Conformément à la formule du module d'élasticité volumique, l'énergie diminue et le module d'élasticité diminue également. Pour un module d'élasticité de 54 GPa, la contrainte équivalente dans la section du rivet diminue le plus (environ 30 MPa), mais cette diminution a peu d'incidence sur la qualité globale du rivet.



C. Effet de la dureté sur la mise en forme du matériau.
Selon le modèle établi, la dureté du matériau a été fixée à 80 HV, 100 HV et 120 HV, les autres paramètres restant inchangés. Les résultats de la déformation équivalente lors de la mise en forme

du matériau pour différentes duretés sont présentés sur la figure 6. Comme on peut le constater, l'accumulation des effets équivalents au contact entre la tête du rivet et la matrice inférieure diminue progressivement avec l'augmentation de la dureté. La déformation équivalente reflète généralement le degré de déformation du matériau. Lors de la mise en forme d'un rivet unique, la tête du rivet est soumise à une force de cisaillement qui génère un écoulement de métal le long de la surface de la matrice inférieure. L'augmentation de la surface de contact avec la matrice inférieure entraîne une action conjointe de la force de cisaillement et de la force d'extrusion à cet endroit, ce qui explique que la déformation équivalente accumulée y soit plus importante que dans les autres zones. Lors de la mise en forme de rivets de duretés différentes, l'augmentation de la dureté entrave la fluidité du matériau, ce qui explique la diminution de l'accumulation de la déformation équivalente.

Les résultats de contrainte équivalente lors du formage du matériau sont présentés sur la figure 7. On constate que pour des duretés de matériau de 80 HV, 100 HV et 120 HV, les contraintes équivalentes correspondantes sont respectivement de 153 MPa, 306 MPa et 612 MPa. La contrainte dans le rivet est principalement concentrée à la jonction entre la tête du rivet et la matrice, la contrainte au centre étant faible. Avec l'augmentation de la dureté, la contrainte dans le rivet lors du formage augmente progressivement et sa distribution devient non uniforme.



La dureté du matériau influe considérablement sur son aptitude à la transformation. Sous l'effet des contraintes, le matériau se déforme, ce qui altère la directionnalité de sa structure. Plus la déformation augmente, plus il devient difficile de le mettre en forme. Dans ce cas, la chaleur générée par la déformation plastique diminue, la résistance à la déformation augmente et la contrainte équivalente croît progressivement. Il en résulte une forte concentration de contraintes à la jonction entre le bord de la face de travail du rivet et la matrice supérieure. Or, cette répartition inégale des forces d'action est susceptible de provoquer des défauts tels que des fissures lors du rivetage, ce qui correspond davantage à la situation et à la position des fissures observées en production.

IV. CONCLUSION

L'augmentation de l'allongement n'a pas entraîné de changement notable de la position de la déformation équivalente du rivet ni de son accumulation, et la contrainte équivalente a diminué.

Lorsque le module d'élasticité se situait entre 13,5 et 54 GPa, l'augmentation de ce module n'a pas modifié significativement la distribution de la déformation équivalente dans chaque zone du matériau, et la contrainte équivalente a diminué, sans toutefois affecter la formation globale du rivet.

La contrainte équivalente sur la face de travail du rivet a augmenté avec la dureté du matériau, et la probabilité de fissuration en surface a progressivement crû, se rapprochant ainsi de la fissuration des rivets observée en production.

Afin d'améliorer la qualité de formage des rivets, nous recommandons de concevoir des matériaux présentant un allongement élevé, un module d'élasticité élevé et une faible dureté.