Le comportement en fluage et à la relaxation d’aciers au chrome est étudié par indentation instrumentée, ce qui permet de solliciter le matériau dans des conditions de chargement proches de celles des essais classiques. L’objectif principal n’est pas ici de se substituer à eux mais de proposer un classement des matériaux selon leur sensibilité en fluage / relaxation par indentation.Pour cela, nous déterminons, d’abord à température ambiante, les conditions optimales d’indentation en termes de temps de maintien, de charge de maintien, de vitesse de chargement et de forme de l’indenteur. La méthodologie proposée est appliquée ensuite à plus hautes températures jusqu’à 400 °C (limitation de l’instrument). A température ambiante, le coefficient de sensibilité à la contrainte obtenu correspond à la valeur extrapolée à température ambiante des données obtenues par fluage classique à hautes températures. Malheureusement, cette corrélation n’est pas vérifiée par indentation à chaud probablement à cause de la dérive thermique subie par l’instrument. Le comportement en relaxation par indentation a également été étudié à température ambiante. Nous proposons deux méthodes analytiques permettant de déterminer le coefficient d’homothétie défini dans la théorie de Hart. L’inverse de ce coefficient, déduit de la relaxation par indentation, est comparable au coefficient de sensibilité à la contrainte déterminé par fluage, ce qui permet de comparer les deux modes de sollicitation. Malgré les difficultés expérimentales rencontrées, nous proposons un classement des matériaux selon leur sensibilité au fluage. / The creep and relaxation behaviors of based-chromium steels are studied by instrumented indentation, which allows the application of loading conditions close to those of conventional tests to the material. The main objective here is not to substitute the classical tests by the indentation one, but to give a classification of materials according to their sensitivity in creep/relaxation by indentation.For that, we first determine at room temperature the optimum conditions of indentation in terms of holding time, indentation loading, the unloading and loading rates and indenter shape. The proposed methodology is afterwards applied at higher temperatures below 400 °C due to instrument limitation. At room temperature, we obtained the stress sensitivity exponent that corresponds to the extrapolated value at ambient temperature of data obtained by classical creep tests performed at high temperatures. Unfortunately, this correlation is not obtained by indentation at higher temperatures probably due to thermal drift of the instrument. We have also studied at room temperature the behavior in relaxation by indentation. We propose two analytical methods for determining the coefficient of scale defined in Hart's theory. The interest of this coefficient inferred from the relaxation by indentation is that its inverse is comparable to the stress sensitivity exponent determined by indentation creep, which allows to compare these two modes of solicitation. Despite the experimental difficulties encountered, we propose a classification of the tested materials according to their creep sensitivity.

Στην εργασία αυτή θα πραγματευθούμε προβλήματα με βάση τη γενικευμένη θεωρία των Lord και Shulman και αυτή των Green και Lindsay. / --

Cette étude réalisée dans le cadre du procédé SPS (Suspension Plasma Spraying) a pour but de mieux appréhender les mécanismes de formation des lamelles résultant de l'impact de particules submicroniques par une approche adimensionnelle. Cette approche repose sur la diminution de la vitesse d'impact à l'échelle micrométrique (40 µm) pour se rapprocher des conditions d'impact des particules sub-microniques (300 nm). Un banc dédié permet d'étudier la dynamique d'étalement de gouttes micrométriques. Cette étude comprend - une étude expérimentale de l'étalement de gouttes isolées durant le procédé, - une approche adimensionnelle comparant les comportements à l'étalement de gouttes aux échelles micrométrique et sub-micrométrique, - une étude de la morphologie des lamelles avec la rugosité des substrats. Les résultats acquis permettent de définir une rugosité la mieux adaptée à un étalement maximal des lamelles aux deux échelles de mesure et d'éviter la présence de défauts à l'interface dépôt/substrat. Des essais de tractions sur des dépôts projetés montreront que le profil de rugosité joue un rôle décisif sur l'adhérence des dépôts. / As part of the Suspension Plasma Spraying process (SPS), this study aims at a better understanding of the impact behavior of sub-micrometric droplets. Using a dimensionless approach, the governing mechanisms of splat formation are studied. This approach is based on the velocity decrease of the micrometric droplet (40 µm), in order to be closer to sub-micrometric particle impact conditions. A specific test bench is used to study the dynamic flattening of micrometric droplets. This work includes - an experimental study of the impact of single droplets on a substrate, - a dimensionless approach to compare flattening behaviors of micrometric and sub-micrometric droplets - a study of splat morphology related to the substrate roughness. The results allow to define the substrate roughness for maximum splat flattening for both measuring scales, and to prevent the formation of any defects at the coating / substrate interface.

Οι κατασκευές των περισσοτέρων τεχνολογικών εφαρμογών υπόκεινται σε σύνθετες θερμικές καταπονήσεις. Παράλληλα, η επεξεργασία σύγχρονων υλικών συνήθως συνδέεται με ειδικές θερμικές κατεργασίες. Η πολυπλοκότητα στη γεωμετρία των κατασκευών αυτών σε συνδυασμό με τις απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας και γενικότερα της επιβαλλόμενης θερμικής καταπόνησης, συχνά οδηγεί στη λύση της συνέχειας των υλικών μέσω της δημιουργίας ρωγμών η οποία μειώνει τα επίπεδα αξιοπιστίας και παράλληλα αυξάνει δραματικά το κόστος συντήρησης και παραγωγής τους. Οι θερμικές φορτίσεις των ρηγματωμένων κατασκευών οι οποίες συνδέονται σχεδόν πάντα με απορρόφηση θερμότητας και επομένως ταυτόχρονη διαστολή των υλικών, οδηγούν στο λεγόμενο «κλείσιμο» της ρωγμής κατά το οποίο οι επιφάνειες της ρωγμής έρχονται τμηματικά ή και εξολοκλήρου σε επαφή δηλαδή συμβάλλουν. Εξαιτίας της πολυπλοκότητας και της μη γραμμικής φύσης του προβλήματος της επαφής, o χαρακτηρισμός της θερμικής θραύσης, υπό την παρουσία φαινομένων συμβολής των επιφανειών της, δεν έχει διερευνηθεί διεξοδικά στη βιβλιογραφία. Η επικρατούσα παραδοχή, ότι δηλαδή η ρωγμή παραμένει εντελώς ανοιχτή κατά τη θερμική φόρτιση, οδηγεί σε εσφαλμένα αποτελέσματα και επομένως δεν έχει πρακτική αξία στον κατασκευαστικό σχεδιασμό. Για το λόγο αυτό, η ανάπτυξη ενός αξιόπιστου και οικονομικού από απόψεως υπολογιστικής ισχύος αριθμητικού εργαλείου για την αντιμετώπιση τέτοιων προβλημάτων είναι αναγκαία. Η αριθμητική προσομοίωση και ο χαρακτηρισμός, μέσω της μεθόδου των συνοριακών στοιχείων, της θερμικής θραύσης η οποία επηρεάζεται από το φαινόμενο της επαφής των επιφανειών της ρωγμής είναι ο σκοπός της παρούσας διατριβής. / The structures of most technological applications are subject to complicate thermal loadings. Additionally, the processing of modern materials is usually related with special thermal treatments. The complex geometry of these structures in combination with the rabid changes of the temperature and generally with the imposed thermal load, often leads to the dissolution of continuity of the materials via the creation of cracks, fact that decreases the reliability standards and simultaneously increases dramatically the maintenance and manufacturing cost. The thermal loadings of the cracked structures which are associated with heat absorption and consequently simultaneous dilation of materials, lead to the well known crack closure phenomenon in which the surfaces of the crack come partially or even entirely into contact i.e. they interfering. Due to the complexity and non linear nature of the contact problem, the fracture characterization under crack closure phenomena has not been investigated thoroughly in the literature. The prevalent assumption, that the crack remains completely open during thermal loading, leads to inaccurate results and thus is not of practical importance in structural design. Therefore, the development of a reliable numerical tool offering low computational cost is required for the treatment of such problems. The numerical simulation and characterization, through the boundary element method, of thermal fracture that is influenced by crack closure phenomenon is the aim of the present thesis.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγινε προσπάθεια να μελετηθούν μέσω φασματοσκοπίας Raman τα δομικά και τα δυναμικά χαρακτηριστικά διαφόρων ανόργανων υγρών και γυαλιών σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος. Αναπτύχθηκαν μέθοδοι, με τις οποίες επιτεύχθηκε η φασματοσκοπική μελέτη υλικών υψηλής καθαρότητας σε θερμοκρασίες έως και 2000oC. Τα φασματοσκοπικά δεδομένα Raman διαφόρων γυαλιών και υγρών περιορίζονται σε θερμοκρασίες έως 1000oC λόγω διαφόρων πειραματικών δυσκολιών που παρουσιάζονται σε μετρήσεις δονητικής φασματοσκοπίας σε υψηλές θερμοκρασίες. Η κυριότερη δυσκολία είναι η πολύ ισχυρή ακτινοβολία μέλανος σώματος, η οποία υπερκαλύπτει το ασθενές σήμα Raman μην επιτρέποντας από κάποιο σημείο και πέρα τη λήψη των φασμάτων. Προκειμένου να ξεπεραστούν οι πειραματικές δυσκολίες αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής ένα σύστημα Raman που συνδυάζει τις «τεχνικές ελλείψεως δοχείου» (“containerless techniques”) και τη χρήση ενός laser υπερύθρου (CO2-laser) ως θερμαντική πηγή, επιτρέποντας τη λήψη φασμάτων για πρώτη φορά σε θερμοκρασίες έως και 2000oC. Οι «τεχνικές ελλείψεως δοχείου» χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, την «τεχνική αιώρησης» του δείγματος (“levitation technique”) όπου το υλικό αιωρείται υπό μορφή υγρής σταγόνας σε κατάλληλης γεωμετρίας ακροφύσιο με χρήση προωθητικού αερίου και την «τεχνική αυτοϋποστήριξης» του δείγματος (“self-support technique”) όπου το υγρό υποστηρίζεται από τη στερεά φάση του ίδιου υλικού. Το βασικότερο πλεονεκτήμα του συνδυασμού της φασματοσκοπίας Raman, των «τεχνικών ελλείψεως δοχείου» και της θέρμανσης με χρήση ενός laser υπερύθρου είναι ο σημαντικός περιορισμός της θερμικής εκπομπής, αφού απουσιάζει η ισχυρή θερμική εκπομπή του φούρνου, δίνοντας τη δυνατότητα μελέτης υψηλότηκτων υλικών αποφεύγοντας μολύνσεις, ετερογενή πυρηνοποίηση, αντιδράσεις μεταξύ υλικών και δοχείων σε υψηλές θερμοκρασίες επιτρέποντας την εφαρμογή της επιθυμητής ατμόσφαιρας στο υπό εξέταση υλικό. Μελετήθηκαν με δονητική φασματοσκοπία Raman μη-οξυγονούχες (ZnCl2, ZnBr2, xZnCl2-(1-x)AlCl3) και οξυγονούχες (SiO2, K2Si4O9, xCaO-(1-x)SiO2, xCaO-(1-x)Al2O3) ενώσεις με ενδογενείς πειραματικές δυσκολίες, όπως πολύ υψηλά σημεία τήξης (~2000oC για την περίπτωση των οξειδίων), υψηλή υγροσκοπικότητα, μεγάλες τάσεις ατμών κ.α. ξεπερνώντας τους διαφόρους πειραματικούς περιορισμούς και πραγματοποιήθηκε προσπάθεια σύνδεσης ανάμεσα στο δομικό και δυναμικό χαρακτήρα τους λαμβάνοντας φάσματα Raman σε θερμοκρασιακό εύρος που περιλαμβάνει την κρυσταλλική, υαλώδη, υπέρψυκτη και υγρή κατάσταση. Από τις πληροφορίες που λαμβάνονται για τα τοπικά πολύεδρα συναρμογής σε μικρής κλίμακας τάξη μέσω φασματοσκοπίας Raman γίνεται προσπάθεια να διασαφηνιστεί ο ρόλος των «τροποποιητών του δικτύου» (“network modifiers”) κατά την εισαγωγή τους σε υλικά με πλήρως πολυμερισμένες, τρισδιάστατες, δικτυακές τετραεδρικές δομές (“network formers”). Η δομή σε ενδιάμεσης κλίμακας τάξη (φάσμα Raman χαμηλών συχνοτήτων), η κορυφή Boson, η ημιελαστική κορυφή και χαρακτηριστικά όπως ο εύθραυστος/ισχυρός χαρακτήρας και η μη-εκθετική/εκθετική συμπεριφορά των υπό μελέτη υλικών προσδιορίστηκαν συναρτήσει της θερμοκρασίας και τα αποτελέσματα αναλύονται στα πλαίσια θεωρητικών και φαινομενολογικών μοντέλων που αφορούν την υαλώδη μετάβαση. / e present the Raman spectroscopic results concerning the structure and the dynamics of several inorganic melts and glasses in a broad temperature range. The development of pioneering methods appropriate for high temperature material research and their combination with Raman spectroscopy provided spectroscopic results of high-purity materials at temperatures up to 2000oC. High-temperature Raman data are limited at temperatures below 1000oC due to several experimental difficulties concerning high-temperature vibrational measurements. The main difficulty is the intensive black body radiation, which overwhelms the weak Raman signal and consequently no spectrum can be recorded. In order to overcome the experimental difficulties, we developed a Raman setup, which combines the “containerless techniques” with the use of an infrared laser (CO2-laser) as a heating source permitting the recording of Raman spectra at temperatures up to 2000oC. The “containerless techniques” are divided in two main categories. The “levitation technique”, where the liquid sample is levitated using a nozzle with the appropriate geometry and a supporting gas and the “self-support technique”, where the liquid sample is supported from the solid part of the same material. The main advantage of the Raman spectroscopy-containerlees techniques-laser heating combination is the effective limitation of the black body radiation giving the opportunity to use the desirable atmosphere on the sample and study high-melting materials preventing contamination, heterogeneous nucleation, reactions between materials and containers at high temperatures. We studied several non-oxide (ZnCl2, ZnBr2, xZnCl2-(1-x)AlCl3) and oxide (SiO2, K2Si4O9, xCaO-(1-x)SiO2, xCaO-(1-x)Al2O3) systems with intrinsic experimental difficulties, such as high melting points (~2000oC), hygroscopic nature, high vapor pressures etc. We recorded Raman spectra in extensive temperature range covering the crystalline, the glassy, the supercooled and the molten state in order to elucidate the structure and the involved dynamics of these materials. Information concerning the local coordination polyhedra in short range order have been used for clarifying the role of “network modifiers” inside the fully polymerized threedimensional tetrahedral networks (“network formers”). The structure in medium range order (low-frequency Raman spectrum), the Boson peak, the Quasi-Elastic line and characteristics such as the fragile/strong character and the non-exponential/exponential behavior of these materials have been put under focus and the results are discussed in the framework of the current phenomenological status of the field.

Τα δομικά στοιχεία των μηχανολογικών κατασκευών υπόκεινται σε επαναλαμβανόμενες κυκλικές καταπονήσεις, από τις οποίες δημιουργούνται και διαδίδονται ρωγμές. Οι καταπονήσεις αυτές, οι οποίες προκαλούν κόπωση στις κατασκευές, μπορεί να είναι είτε καθαρά μηχανικές είτε θερμικές ή να προκύπτουν σα συνδυασμός θερμικής και μηχανικής φόρτισης. Τυπικές περιπτώσεις θερμικών και θερμομηχανικών φορτίσεων εμφανίζονται σε κατασκευές, όπως σωλήνες κυκλωμάτων ψύξης, πιεστικά δοχεία, συνιστώσες ηλεκτρικών κυκλωμάτων, θάλαμοι μηχανών εσωτερικής καύσης και πτερύγια στροβιλοκινητήρων. Η κυκλική μεταβολή του θερμικού φορτίου στις προαναφερθείσες περιπτώσεις, συνιστά συνθήκες θερμικής κόπωσης. Επίσης, λόγω της σχετικά υψηλής συχνότητας του φορτίου η θερμοκρασία παρουσιάζει έντονη μεταβολή στο χώρο και στο χρόνο. Ο προσδιορισμός της διάρκειας ζωής ενός δομικού στοιχείου κατά τη φάση του σχεδιασμού μπορεί να γίνει με τη βοήθεια πειραματικών διαδικασιών. Τα πειράματα όμως κόπωσης είναι δαπανηρά και χρονοβόρα και προφανώς απαιτούνται περισσότερες από μια πειραματικές δοκιμές. Οπότε, είναι εύλογο να υπάρχουν υπολογιστικά εργαλεία που να δίνουν τη δυνατότητα στο μηχανικό να εκτιμήσει την διάρκεια ζωής ή τη σοβαρότητα της βλάβης ενός εξαρτήματος. Τα περισσότερα υπολογιστικά μοντέλα αναφέρονται σε καθαρά μηχανικές καταπονήσεις. Έτσι υπάρχει πρόσφορο έδαφος για την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων για την ανάλυση προβλημάτων θερμικής και θερμομηχανικής κόπωσης. Τέτοιου είδους εργαλεία θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη το κλείσιμο των ρωγμών, που συμβαίνει λόγω των θερμικών παραμορφώσεων, διότι είναι δυνατόν να επηρεάζεται τοπικά το θερμοκρασιακό πεδίο. Επομένως, χρειάζεται επαναληπτική διαδικασία για τον προσδιορισμό του θερμικού και τασικού πεδίου που αλληλεπιδρούν. Είναι προφανές ότι η ανάλυση της θερμικής κόπωσης εξελίσσεται σε συνθέτη διαδικασία, που θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει τον υπολογισμό της κατανομής της θερμοκρασίας, την τοπική επίδραση του άκρου της ρωγμής στο τασικό πεδίο καθώς και την επαφή των επιφανειών της ρωγμής. Η μέθοδος των συνοριακών στοιχείων είναι ικανή να αντιμετωπίζει τέτοιου είδους τοπικές επιδράσεις. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη υπολογιστικού εργαλείου βασισμένου στα συνοριακά στοιχεία, για την πρόβλεψη της διάδοσης ρωγμών και την εκτίμηση της διάρκειας ζωής, εξαρτημάτων υπό θερμική και θερμομηχανική κόπωση. Έμφαση δίνεται σε περιπτώσεις που το θερμικό φορτίο προκαλεί κλείσιμο της ρωγμής και σε περιπτώσεις διεπιφανειακών ρωγμών, όπου το θερμοκρασιακό πεδίο επηρεάζεται από την θερμική αντίσταση ανάμεσα στις επιφάνειες της ρωγμής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση σε εργασίες που εστιάζουν σε φαινόμενα κόπωσης και διάδοσης ρωγμών, καθώς και στην ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων για την πρόβλεψη της διάδοσης ρωγμών. Επιπλέον, προσδιορίζεται λεπτομερώς το αντικείμενο της παρούσας διατριβής και εξηγείται η συνεισφορά της και τα καινοτόμα σημεία της. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η ιδιόμορφη συμπεριφορά του άκρου της ρωγμής, δίνονται οι διατυπώσεις των μεγεθών θραύσης που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση της κόπωσης και αναφέρονται τρόποι με τους οποίους μελετάται η διάδοση ρωγμών. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται λεπτομερώς οι ολοκληρωτικές συνοριακές διατυπώσεις για την επίλυση προβλημάτων θερμοελαστικότητας. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι υπολογιστικές διαδικασίες που ακολουθούνται στην παρούσα εργασία για τον προσδιορισμό του πεδίου θερμοκρασιών και μετατοπίσεων, καθώς και ο τρόπος που προσομοιώνεται η διάδοση ρωγμής. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις αναλύσεις για διάφορες περιπτώσεις, ενώ στο έκτο κεφάλαιο εξάγονται συμπεράσματα και διατυπώνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The prediction of fatigue life is essential for the integrity and reliability of a structure when designing engineering components that undergo cyclic loading. In most cases, the mechanical cyclic loads are taken into account in order to evaluate the life and damage tolerance of structures with existing cracks. However, there exists a category of structures that experience severe thermal cycling that acts alongside the mechanical loads. Such structures include cooling system pipes, pressure vessels, pistons and combustion chambers of internal combustion engines, gas turbine blades and components of electrical circuits. Interfacial crack growth is of paramount importance when designing components that are protected by thermal barrier coatings in order to increase their endurance and efficiency. These types of structures are exposed to very intense thermo-mechanical cycling, which gradually causes delamination and eventually leads to spallation of the coating Numerical simulations, via the finite element method, are a common trend, when analysing the endurance of coated components. However, important aspects such as the heat exchange between the contacting faces and friction are not taken into account in fracture assessments of these components. The boundary element method is very attractive for crack-growth analyses because only the boundary is meshed, rather than the whole domain of the problem. In the present thesis, the boundary integral equations of uncoupled, time-dependent thermo-elasticity are employed to account for the time-varying nature of the thermal load. Our study discusses the influence of crack closure on quasi-static, sub-critical crack extension in the presence of thermo-mechanical cyclic loading. Appropriate thermal and mechanical boundary conditions are imposed on the numerical model to account for the contact state. The validity of the code to compute the temperature distribution under thermal cycling is checked through analytical solutions. Afterwards, a pure mode-I and mixed mode fracture problems in homogeneous material are analysed and the results are compared to other boundary element solutions. The singularity resulting from tractions and heat flux around the crack tip is effectively captured by singular quarter-point elements, while the fracture magnitudes can be computed using appropriate traction formulas. In these problems, the fatigue life is evaluated in terms of load cycle when the crack closure is considered. The number of cycles required for an existing crack to grow a certain length can be empirically predicted using the Paris’ law. The crack extension angle is evaluated by means of the maximum circumferential stress. The results are discussed, clearly indicating the impact of crack closure on fatigue life evaluation. The main conclusion is that crack closure should be incorporated into the analysis whenever the contact effect is inevitable. Otherwise, the fatigue life may be underestimated, leading to a conservative design. Finally, the sub-domain boundary element procedure is applied to interfacial cracks where the crack closure is more pronounced. Specifically, a case of a thermal barrier coating system is investigated. The thermal resistance between the contacting crack faces is incorporated into the procedure and it is assumed to be dependent on the contact pressure. If crack closure due to thermal distortion takes place, then the displacement and traction field may affect the heat flux between the crack faces, and the thermal and mechanical parts of the problem will need to be solved repeatedly until thermo-mechanical convergence is achieved. The results suggest that there are significant effects on the behaviour of stably growing cracks and the evaluation of failure capacity, emanating from crack closure, the amount of thermal resistance and the phase angle between the mechanical and thermal loads.