The effect of Laves phase (Fe2Nb) formation on the Charpy impact toughness of the ferritic stainless steel type AISI 441 was investigated. The steel exhibits good toughness after solution treatment at 850°C, but above and below this treatment temperature the impact toughness decreases sharply. With heat treatment below 850°C the presence of the Laves phase on grain boundaries and dislocations plays a significant role in embrittlement of the steel whereas above that temperature, an increase in the grain size from grain growth plays a major role in the impact embrittlement of this alloy. The toughness results agree with the phase equilibrium calculations made using Thermo–Calc® whereby it was observed that a decrease in the Laves phase volume fraction with increasing temperature corresponds to an increase in the impact toughness of the steel. Annealing above 900°C where no Laves phase exists, grain growth is found which similarly has a very negative influence on the steel’s impact properties. Where both a large grain size as well as Laves phase is present, it appears that the grain size may be the dominant embrittlement mechanism. Both the Laves phase and grain growth, therefore, have a significant influence on the impact properties of the steel, while the Laves phase’s precipitation behaviour has also been investigated with reference to the plant’s manufacturing process, particularly the cooling rate after a solution treatment. The microstructural analysis of the grain size shows that there is a steady increase in grain size up to about 950°C, but between 950°C and 1000°C there is a sudden and rapid 60 % increase in the grain size. The TEM analysis of the sample that was annealed at 900°C shows that the Laves phase had already completely dissolved and cannot, therefore, be responsible for “unpinning of grain boundaries” at temperatures of 900°C and higher where this “sudden” increase in grain size was found. The most plausible explanation appears to be one of Nb solute drag that loses its effectiveness within this temperature range, but this probably requires some further study to fully prove this effect. During isothermal annealing within the temperature range of 600 to 850°C, the time – temperature – precipitation (TTP) diagram for the Laves phase as determined from the transformation kinetic curves, shows two classical C noses on the transformation curves. The first one occurring at the higher temperatures of about 750 to 825°C and the second one at much lower temperatures, estimated to possibly be in the range of about 650 to 675°C. The transmission electron microscopy (TEM) analyses show that there are two independent nucleation mechanisms that are occurring within these two temperature ranges. At lower temperatures of about 600°C, the pertaining nucleation mechanism is on dislocations and as the temperature is increased to above 750°C, grain boundary nucleation becomes more dominant. Also, the morphology of the particles and the mis-orientation with the matrix changes with temperature. At lower temperatures the particles are more needle-like in shape, but as the temperature is increased the shape becomes more spheroidal. The effect of the steel’s composition on the Laves phase transformation kinetics shows that by lowering the Nb content in these type 441 stainless steels, had no significance effect on the kinetics on precipitation of the Laves phase. However, a Mo addition and a larger grain size of the steel, retard the formation of the Laves phase, although the optimum values of both parameters still need further quantification. The calculation made for the transformation kinetics of the Laves phase, using the number density of nucleation sites No and the interfacial energy, as the fitting parameters in this work, demonstrated a reasonable agreement with experimental results. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2010. / Materials Science and Metallurgical Engineering / unrestricted

This work is focused on the evaluation of the selected fracture parameters of quasi-brittle material, especially concrete, and an assessment of their dependence on the size and shape of the fracture process zone developing at the tip of the macroscopic crack during fracture. For this purpose, experimentally obtained loading diagrams published in the scientific literature have been utilized. These diagrams have been processed into a form enabling creation and calibration of numerical models of these tests in the ATENA FEM program. The results obtained from simulations of the three-point bending tests on beams of four sizes, with three notches lengths, using the created numerical models were used for determination of fracture parameters of concrete. Results of the work consist of the determined values of the specific energy dissipated for creation of new surfaces of the effective crack and an estimation of the specific energy dissipated in the volume of the fracture process zone, which exhibits specific parameters for each beam size and notch length.

Laser beam welding has gained a significant interest during the last two decades. The suitability of the process for high volume production has the possibility to give a strong advantage compared to several other welding methods. However, it is important to have the process in full control since various quality issues may otherwise occur. During laser welding of boron steels quality issues such as imperfections, changes in local and global geometry as well as strength reduction can occur. The aspects that need to be considered are strongly depending on alloy content, process parameters etc. These problems that can occur could be fatal for the construction and the lowest level of occurrence is wanted, independent of industry. The focus of this study has been to investigate the properties of laser welded boron steel. The study includes laser welding of boron alloyed steels with strengths of 1500 MPa and a recently introduced 1900 MPa grade. Focus has been to investigate weldability and the occurrence of cracks, porosity and strength reducing microstructure that can occur during laser welding, as well as distortion studies for tolerances in geometry. The results show that both conventional and 1900 MPa boron alloyed steel are suitable for laser welding. Due to the martensitic structure of welds the material tends to behave brittle. Cracking and porosity do not seem to be an issue limiting the use of these steels. For tolerances in geometry for larger structures tests has been done simulating laser welding of A-pillars and B-pillars. Measurements have been done with Vernier caliper as well as a more advanced optical method capturing the movements during the welding sequence. Results from the tests done on Ushaped beams indicates that depending on the geometry of the structure and heat input distortions can be controlled to give distortions from 1 to 8 mm, at a welding length of 700 mm. This means that important geometry points can be distorted several millimeters if the laser welding process not is controlled.

Un enjeu majeur de mécanique de la rupture est de modéliser l'initiation d'une fissure dans une structure saine. Il y a deux difficultés: la première est de proposer une loi capable de prédire la nucléation, la seconde est d'ordre purement numérique. En ce qui concerne ce deuxième point, il est en effet difficile de calculer avec une bonne précision toute quantité comme le taux de restitution d'énergie associée à une fissure de faible longueur qui apparaît en fond d'entaille. La méthode des éléments finis classique conduit à des résultats inexacts en raison de la superposition de deux singularités (l'une due à l'entaille, l'autre à la pointe de la fissure) qui ne peuvent être correctement capturées par cette méthode. Une méthode spécifique d'approximation basée sur des développements asymptotiques est préférable comment il a déjà été constaté dans des situations analogues présentant des défauts localisés. Le premier chapitre de la thèse est consacré à la présentation de cette méthode asymptotique dite Méthode des Développements Asymptotiques Raccordés (MAM) dans le cas d'un défaut (ce qui inclut le cas d'une fissure) situé à l'extrémité d'une entaille. Cette première étude est faite dans le cadre simplifié de l'élasticité linéaire antiplane avant d'être étendue à l'élasticité plane dans le troisième chapitre. Un objectif majeur est d'utiliser cette méthode asymptotique pour prédire la nucléation ou la propagation d'une fissure à proximité d'un point singulier. Le deuxième chapitre de la thèse sera consacré à cette tâche. Cela nécessite, bien sûr, de lever la première difficulté en proposant un critère de nucléation physiquement raisonnable. Cette délicate question n'a pas reçu de réponse définitive à l'heure actuelle et a été considérée pendant longtemps comme un problème qui ne pouvait être résolu dans le cadre de la théorie de Griffith. La principale raison invoquée est que le taux de restitution de l'énergie dû à une petite fissure tend vers zéro lorsque la longueur de la fissure tend vers zéro. Par conséquent, si l'on suit le critère de Griffith qui stipule que la fissure peut se propager que lorsque le taux de libération d'énergie atteint une valeur caractéristique du matériau, il n'y a pas de nucléation possible. Ce "défaut" de la théorie de Griffith fut l'une des motivations qui conduit Francfort et Marigo à remplacer le critère de Griffith par un principe de minimisation de l'énergie. Il s'avère que ce principe de minimum global de l'énergie est vraiment en mesure de prédire la nucléation des fissures dans un corps sain. Cependant, la nucléation est nécessairement brutale dans le sens où une fissure de longueur finie apparaît brutalement à une charge critique et de plus il faut que le système franchisse une barrière d'énergie qui peut être d'autant plus haute que le minimum est "loin". Une autre façon de rendre compte de la nucléation de fissures est de quitter le cadre de la théorie de Griffith en introduisant le concept de forces cohésives. L'intérêt d'une telle approche est qu'elle contient automatiquement la notion de contrainte critique qui permet de régir naturellement la nucléation sans passer par le principe de minimisation globale de l'énergie. En résumé, nous proposons de traiter le problème de la nucléation d'une fissure à la pointe d'une entaille de trois façons et de comparer les trois critères correspondants. L'un de nos objectifs est aussi d'utiliser la MAM pour obtenir des expressions semi-analytiques pour la charge critique à partir de laquelle une fissure apparaît ainsi que la longueur de la fissure une fois nucléée. De façon précise, la thèse est organisée comme suit. Le chapitre 1 est consacré à la description de la MAM sur un problème générique d'élasticité linéaire antiplane où la structure contient un défaut situé au voisinage de la pointe d'une entaille. Nous avons d'abord décomposé la solution en deux développements: l'un, le développement extérieur, valable assez loin de la pointe de l'entaille, l'autre, le développement intérieur, valable au voisinage de la pointe de l'entaille. Ces développements contiennent une séquence de termes "intérieurs" et "exterieurs" qui sont solutions de problèmes "intérieurs" et "extérieurs" reliés les uns aux autres par des conditions de raccord. En outre, chaque terme contient une partie régulière et une partie singulière. Nous expliquons ensuite comment tous les termes et les coefficients qui entrent dans les parties singulières et régulières sont déterminés séquentiellement. Le chapitre se termine par un exemple où la solution exacte est connue et peut donc être développée directement avant d'être comparée à celle fournie par la MAM. Dans le chapitre 2, laMAMest appliquée au cas où le défaut est une fissure. Le premier objectif est de calculer avec une bonne précision le taux de restitution d'énergie associée à une fissure non cohésive de faible longueur située près de la pointe de l'entaille. En effet, il s'agit d'un véritable problème dans le cas où l'entaille n'est elle-même pas une fissure parce que le taux de restitution d'énergie est voisin de 0 lorsque la longueur de la fissure nucléée est voisine de 0, puis augmente rapidement avec la longueur de la fissure avant d'atteindre un maximum pour finalement redécroître. On explique d'abord comment le taux de restitution d'énergie est calculé par la Méthode des Elémenst Finis et pourquoi les résultats numériques sont moins précis lorsque la longueur de la fissure est faible. Ensuite, on utilise la MAM pour calculer le taux de restitution d'énergie pour les petites valeurs de la longueur de la fissure et on montre, comme il était prévu, que plus la taille de la fissure est petite, plus le résultat fourni par la MAM à un ordre donné est précis. Il s'avère même que l'on peut obtenir des résultats très précis en calculant seulement un petit nombre de termes. Nous discutons aussi de l'influence de l'angle de l'entaille sur l'exactitude des résultats. Cet angle joue un rôle important dans le processus de nucléation (parce que, en particulier, la longueur à partir de laquelle le maximum du taux de restitution d'énergie est atteinte dépend de l'angle de l'entaille). Lorsque l'angle de l'entaille est suffisamment grand, il suffit de calculer les deux premiers termes non triviaux du développement du taux de restitution d'énergie pour obtenir avec une très bonne précision la dépendance du taux de restitution d'énergie avec la longueur de fissure. Nous considérons ensuite le cas des fissures cohésives en introduisant le modèle de forces cohésives de Dugdale. En combinant la MAM avec la méthode G , nous obtenons un système de deux équations non linéaires couplées régissant l'évolution des longueurs de la zone non-cohésive et la zone cohésive en fonction du chargement. Il s'avère que le problème intérieur fourni par la MAM est un problème de Hilbert qui peut être résolu par la méthode des potentiels complexes. Ce faisant, la résolution se ramène à de simples quadratures qui sont calculées numériquement. On obtient ainsi, de façon quasiment analytique, la charge critique à partir de laquelle la petite fissure se propage de façon instable pour donner lieu à une fissure "macroscopique". En particulier, l'ordre de grandeur de cette charge critique est directement relié à l'exposant de la singularité de la solution avant fissuration qui est lui-même fonction de l'angle de l'entaille. Le chapitre 3 propose une généralisation de toutes les méthodes et résultats précédents au cas de l'élasticité plane. De façon précise, le but est toujours d'étudier la nucléation de fissures cohésives ou non cohésives à l'angle d'une entaille dans un milieu linéairement élastique et isotrope, mais maintenant en considérant des déplacements plans. De plus, il s'agit de traiter les conditions de nucléation aussi bien sous mode I pur que sous mode mixte. Dans la première partie du chapitre, nous utilisons le principe de minimisation globale pour traiter le cas des fissures non cohésives, alors que dans la deuxième partie nous utilisons le modèle de Dugdale pour traiter le cas des fissures cohésives. Dans les deux cas, la MAM est mise en oeuvre pour pallier le manque de précision de la méthode des éléments finis. Tous les résultats qui sont obtenus peuvent être considérés comme de simples généralisations de ceux développés dans le cas antiplan. En effet, d'un point de vue conceptuel et qualitatif, nous obtenons essentiellement le même type de propriétés. Toutefois, d'un point de vue technique, la MAM est plus délicate d'application en élasticité plane parce que l'obtention de la suite des fonctions singulières passe par la résolution d'équations transcendantes. Ce faisant, la mise en oeuvre numérique est sensiblement plus coûteuse. De plus, d'un point de vue analytique, les calculs et les démonstartions sont beaucoup plus lourds et une partie est donc passée en annexe.

Un enjeu majeur de mécanique de la rupture est de modéliser l'initiation d'une fissure dans une structure saine. Il y a deux difficultés: la première est de proposer une loi capable de prédire la nucléation, la seconde est d'ordre purement numérique. En ce qui concerne ce deuxième point, il est en effet difficile de calculer avec une bonne précision toute quantité comme le taux de restitution d'énergie associée à une fissure de faible longueur qui apparaît en fond d'entaille. La méthode des éléments finis classique conduit à des résultats inexacts en raison de la superposition de deux singularités (l'une due à l'entaille, l'autre à la pointe de la fissure) qui ne peuvent être correctement capturées par cette méthode. Une méthode spécifique d'approximation basée sur des développements asymptotiques est préférable comment il a déjà été constaté dans des situations analogues présentant des défauts localisés. Le premier chapitre de la thèse est consacré à la présentation de cette méthode asymptotique dite Méthode des Développements Asymptotiques Raccordés (MAM) dans le cas d'un défaut (ce qui inclut le cas d'une fissure) situé à l'extrémité d'une entaille. Cette première étude est faite dans le cadre simplifié de l'élasticité linéaire antiplane avant d'être étendue à l'élasticité plane dans le troisième chapitre. Un objectif majeur est d'utiliser cette méthode asymptotique pour prédire la nucléation ou la propagation d'une fissure à proximité d'un point singulier. Le deuxième chapitre de la thèse sera consacré à cette tâche. Cela nécessite, bien sûr, de lever la première difficulté en proposant un critère de nucléation physiquement raisonnable. Cette délicate question n'a pas reçu de réponse définitive à l'heure actuelle et a été considérée pendant longtemps comme un problème qui ne pouvait être résolu dans le cadre de la théorie de Griffith. La principale raison invoquée est que le taux de restitution de l'énergie dû à une petite fissure tend vers zéro lorsque la longueur de la fissure tend vers zéro. Par conséquent, si l'on suit le critère de Griffith qui stipule que la fissure peut se propager que lorsque le taux de libération d'énergie atteint une valeur caractéristique du matériau, il n'y a pas de nucléation possible. Ce "défaut" de la théorie de Griffith fut l'une des motivations qui conduit Francfort et Marigo à remplacer le critère de Griffith par un principe de minimisation de l'énergie. Il s'avère que ce principe de minimum global de l'énergie est vraiment en mesure de prédire la nucléation des fissures dans un corps sain. Cependant, la nucléation est nécessairement brutale dans le sens où une fissure de longueur finie apparaît brutalement à une charge critique et de plus il faut que le système franchisse une barrière d'énergie qui peut être d'autant plus haute que le minimum est "loin". Une autre façon de rendre compte de la nucléation de fissures est de quitter le cadre de la théorie de Griffith en introduisant le concept de forces cohésives. L'intérêt d'une telle approche est qu'elle contient automatiquement la notion de contrainte critique qui permet de régir naturellement la nucléation sans passer par le principe de minimisation globale de l'énergie. En résumé, nous proposons de traiter le problème de la nucléation d'une fissure à la pointe d'une entaille de trois façons et de comparer les trois critères correspondants. L'un de nos objectifs est aussi d'utiliser la MAM pour obtenir des expressions semi-analytiques pour la charge critique à partir de laquelle une fissure apparaît ainsi que la longueur de la fissure une fois nucléée. De façon précise, la thèse est organisée comme suit. Le chapitre 1 est consacré à la description de la MAM sur un problème générique d'élasticité linéaire antiplane où la structure contient un défaut situé au voisinage de la pointe d'une entaille. Nous avons d'abord décomposé la solution en deux développements: l'un, le développement extérieur, valable assez loin de la pointe de l'entaille, l'autre, le développement intérieur, valable au voisinage de la pointe de l'entaille. Ces développements contiennent une séquence de termes "intérieurs" et "exterieurs" qui sont solutions de problèmes "intérieurs" et "extérieurs" reliés les uns aux autres par des conditions de raccord. En outre, chaque terme contient une partie régulière et une partie singulière. Nous expliquons ensuite comment tous les termes et les 4 coefficients qui entrent dans les parties singulières et régulières sont déterminés séquentiellement. Le chapitre se termine par un exemple où la solution exacte est connue et peut donc être développée directement avant d'être comparée à celle fournie par la MAM. Dans le chapitre 2, laMAMest appliquée au cas où le défaut est une fissure. Le premier objectif est de calculer avec une bonne précision le taux de restitution d'énergie associée à une fissure non cohésive de faible longueur située près de la pointe de l'entaille. En effet, il s'agit d'un véritable problème dans le cas où l'entaille n'est elle-même pas une fissure parce que le taux de restitution d'énergie est voisin de 0 lorsque la longueur de la fissure nucléée est voisine de 0, puis augmente rapidement avec la longueur de la fissure avant d'atteindre un maximum pour finalement redécroître. On explique d'abord comment le taux de restitution d'énergie est calculé par la Méthode des Elémenst Finis et pourquoi les résultats numériques sont moins précis lorsque la longueur de la fissure est faible. Ensuite, on utilise la MAM pour calculer le taux de restitution d'énergie pour les petites valeurs de la longueur de la fissure et on montre, comme il était prévu, que plus la taille de la fissure est petite, plus le résultat fourni par la MAM à un ordre donné est précis. Il s'avère même que l'on peut obtenir des résultats très précis en calculant seulement un petit nombre de termes. Nous discutons aussi de l'influence de l'angle de l'entaille sur l'exactitude des résultats. Cet angle joue un rôle important dans le processus de nucléation (parce que, en particulier, la longueur à partir de laquelle le maximum du taux de restitution d'énergie est atteinte dépend de l'angle de l'entaille). Lorsque l'angle de l'entaille est suffisamment grand, il suffit de calculer les deux premiers termes non triviaux du développement du taux de restitution d'énergie pour obtenir avec une très bonne précision la dépendance du taux de restitution d'énergie avec la longueur de fissure. Nous considérons ensuite le cas des fissures cohésives en introduisant le modèle de forces cohésives de Dugdale. En combinant la MAM avec la méthode G , nous obtenons un système de deux équations non linéaires couplées régissant l'évolution des longueurs de la zone non-cohésive et la zone cohésive en fonction du chargement. Il s'avère que le problème intérieur fourni par la MAM est un problème de Hilbert qui peut être résolu par la méthode des potentiels complexes. Ce faisant, la résolution se ramène à de simples quadratures qui sont calculées numériquement. On obtient ainsi, de façon quasiment analytique, la charge critique à partir de laquelle la petite fissure se propage de façon instable pour donner lieu à une fissure "macroscopique". En particulier, l'ordre de grandeur de cette charge critique est directement relié à l'exposant de la singularité de la solution avant fissuration qui est lui-même fonction de l'angle de l'entaille. Le chapitre 3 propose une généralisation de toutes les méthodes et résultats précédents au cas de l'élasticité plane. De façon précise, le but est toujours d'étudier la nucléation de fissures cohésives ou non cohésives à l'angle d'une entaille dans un milieu linéairement élastique et isotrope, mais maintenant en considérant des déplacements plans. De plus, il s'agit de traiter les conditions de nucléation aussi bien sous mode I pur que sous mode mixte. Dans la première partie du chapitre, nous utilisons le principe de minimisation globale pour traiter le cas des fissures non cohésives, alors que dans la deuxième partie nous utilisons le modèle de Dugdale pour traiter le cas des fissures cohésives. Dans les deux cas, la MAM est mise en oeuvre pour pallier le manque de précision de la méthode des éléments finis. Tous les résultats qui sont obtenus peuvent être considérés comme de simples généralisations de ceux développés dans le cas antiplan. En effet, d'un point de vue conceptuel et qualitatif, nous obtenons essentiellement le même type de propriétés. Toutefois, d'un point de vue technique, la MAM est plus délicate d'application en élasticité plane parce que l'obtention de la suite des fonctions singulières passe par la résolution d'équations transcendantes. Ce faisant, la mise en oeuvre numérique est sensiblement plus coûteuse. De plus, d'un point de vue analytique, les calculs et les démonstartions sont beaucoup plus lourds et une partie est donc passée en annexe.

Saab Microwave Systems, SMW is a supplier of radar systems. The circuit boards that are operating in their radars have components which solder joints contains lead. However, the EU directive RoHs and WEEE are causing SMW to prepare for a transition to lead free solder joints. The objective of this thesis is to gain deeper knowledge of lead free solder joints. Brittle fractures in solder joints is a type of failure that might increase in a transition to lead free solder joints. The brittle fractures are induced by the creation of the intermetallic phases which are formed during soldering. The amount and composition of the intermetallics affects the mechanical strength of the joint. An intermetallic layer is thickened during heat exposure as during soldering, thermal aging and rework. The focus of this thesis was to investigate how rework affect the brittleness of the lead free solder joint and thereby how the intermetallic layers change depending on chemical composition, design and reflow cycles. Two types of components and two types of solder materials (SnPb and SAC305) were studied. To study the mechanical properties of the joint a shear testing device was used. This is a way of measuring the reliability of the joint when subjected to mechanical shock. The intermetallic layers were examined in a Scanning Electron Microscope and the fracture surfaces were studied in a optical microscope, a scanning electron microscope and a stereomicroscope. The heat spread over the board where examined by soldering thermocouples to the board and plotting the values of time and temperature. The results showed that the rework process did not have any significant impact of the intermetallic growth. The adjecent and distant components were not damaged during rework. A lead free rework process can therefor be preformed successfully at SMW. The intermetallic layers formed at the interface between the a lead free solder and a nickel finish grew faster than an intermetallic layer formed between a leaded solder and a nickel finish. The presence of nickel could therefore have a more negative effect on the intermetallic growth rate for the lead free material compared to the leaded.

Au cours de cette thèse, nous avons développé un outil numérique, basé sur une formulation intégrale en éléments de frontière, qui permet une analyse classique du comportement d'une fissure 3D soumise à des sollicitations mécaniques complexes. Cet outil industriel est destiné à être intégré dans un code de calcul à usage industriel. Dans le but d'appréhender l'impact de la microstructure sur le comportement en fissuration fragile, nous nous sommes intéressés aux modèles de comportement non local. Nous avons commencé par adopter le modèle de comportement élastique non local de Eringen, qui permet de décrire plus finement le comportement élastique au voisinage de la fissure en prenant en compte les interactions à longue distance au sein du matériau. Cette modélisation du comportement conduit, contrairement à l'approche classique, à un un champ de contrainte fini sur le front de la fissure et localement maximal en avant du front. Ces résultats montrent qu'il est possible de prévoir la stabilité et la direction de propagation de la fissure à l'aide d'un critère plus simple et plus naturel, basé sur les variations du champ de contrainte au voisinage du front de la fissure. La stratégie numérique adoptée permet de traiter indifféremment des cas de fissure en traction, compression, cisaillement ou sollicitation mixte. L'intérêt de l'approche non-locale étant clairement démontré, nous avons considéré la version améliorée du modèle de Eringen telle que proposée par Polizzotto. Cette modélisation est la plus appropriée pour les milieux finis et requiert une mise en oeuvre numérique particulière. Les bases d'une méthodologie numérique, initiée par R. Kouitat ont été établies. Cette méthode est fondée sur un couplage des éléments de frontière avec une méthode de collocation par points d'équations aux dérivées partielles. Les premiers résultats obtenus dans ce cadre sont très encourageants et montrent qu'il sera effectivement possible de traiter le phénomène irréversible de fissuration de la même façon que les problèmes de plasticité / In this thesis, we have developed a numerical tool, based on a classical boundary elements method, which allows a conventional analysis of a stationary crack in a 3D specimen under complex mechanical loading. In order to assess the impact of the microstructure on the brittle fracture, we were interested in non local models of behavior. First, we have adopted the non local elastic model due to Eringen. This refined constitutive equation allows to account for long range interactions in the description of the elastic behavior in the vicinity of the crack front. Unlike the traditional approach, this type of model leads to a finite stress field at the crack front. Moreover, the stress is locally maximal ahead of the front. These interesting results indicate that it is possible to predict the stability and direction of crack propagation in a simple and more naturel way by using stress based criteria. The implemented numerical strategy can handle cases of crack in tension or compression, under shear stress or mixed loadings. Having clearly highlighted the interest of non local models, we have adopted the improved version of Eringen elastic model as proposed by Polizzotto. This elastic model is applicable to finite domains and requires a specific numerical treatment. The basis of such a numerical strategy initiated by R. Kouitat has been established. The method couples the conventional boundary element method with local point interpolation of a strong form differential equation. Promising results are obtained and show that with such modeling of material behavior, it is possible to describe the irreversible process of fracturing in a similar way as plasticity

La Maladie de la Feuille Cassante du Palmier dattier (Phoenix dactylifera L.) constitue un cas d'émergence d'une maladie à fort impact économique causée par un agent étiologique inconnu. Notre stratégie a visé à élaborer une approche sans à priori de l'émergence pouvant être transposée à n'importe quelle situation de ce type. En nous appuyant sur des caractérisations successives des compartiments viraux, bactériens et fongiques de tissus sains et malades, nous avons cherché à mettre en évidence des différences de composition spécifiques et de distribution de ces flores sur 2 campagnes de prélèvements réalisées en 2010 et 2012. Alors que la microscopie électronique à transmission nous a permis de visualiser des structures d'origine virale probable au niveau des chloroplastes du parenchyme chlorophyllien, une étude moléculaire de séquençage de gènes ribosomaux nous a permis de corréler l'apparition de ces structures a de profondes modifications qualitative et quantitative de la microflore endophyte. Ainsi il nous est apparu que la symptomologie de la maladie était corrélée à une modification profonde de la distribution spécifique de la microflore endophyte, visible à la fois au niveau du compartiment fongique et bactérien, suggérant la complète disparition de la pression de sélection exercée par le palmier sain sur sa flore et mise en évidence dans les 2 cas, par un shift d'une répartition de type Poisson vers une répartition normale. Dans le compartiment fongique, une claire déplétion des Pleosporaceae, associées à la plante saine pouvait ainsi être liée à une apparition de nouvelles familles (Trichocomaceae et Mycosphaerellaceae). De même, parmi les bactéries, une disparition des Rhizobium et Ensifer sp associés au compartiment racinaire de la plante saine a ainsi pu être mise en évidence, ces espèces pouvant servir ultérieurement d'indicatrices de bonne santé des palmiers. Dans une deuxième partie de notre travail nous avons cherché à utiliser des éléments de la flore endophyte mais également de substances naturelles dans la lutte biologique contre d'autres pathogènes du palmier. Ainsi, un antagonisme a été mis en évidence entre une souche endophyte d'Arthrobacter agilis et un pathogène majeur, Fusarium oxysporum sp Albedinis / The Brittle Leaf Disease of the Date Palm Tree (Phoenix dactylifera L.) constitutes a case study of an emerging disease of economic impact caused by a yet uncharacterized etiologic agent. Our strategy was to develop an approach that could be indistinctly transposed to any situation of this type. While basing our investigations on the successive characterization of the diversity of viral, bacterial and fungal endophytic compartments of healthy and diseased Palm trees, we aimed at enlightening differences in species composition but also distribution over two sampling campaigns performed in 2010 and 2012. While transmission electronic microscopy allowed us to visualize structures of probable viral origin affecting chloroplasts of the chlorophyllic cell layer, a molecular approach based on ribosomal gene sequencing allowed us to evidence correlations between the occurrence of such structures and deep modifications of the structure of the palm date tree associated endophytic flora suggesting a strong depletion of the ability of the palm to control its associated endophytes. This was evidenced in both fungal and bacterial compartments by a shift from a Poisson like diversity distribution towards a Gaussian distribution in the flora associated to MFC affected palms. In the fungal compartment, Pleosporaceae, that dominated in healthy palms were replaced by an opportunistic flora of Trichocomaceae and Mycosphaerellaceae. Among bacteria, the disappearance of Rhizobium and Ensifer species, typically associated to the root compartment of healthy palms was enlighten, suggesting that these species could indeed be used as biomarkers of healthy plant status. In a second part of this study, we investigated the potential use of cultivable palm endophytes, but also natural compounds for biocontrol applications. In particular, we evidence the antagonistic potential of Arthrobacter agilis, a palm endophyte, against a major palm date disease agent, Fusarium oxysporum sp. Albedinis.

Student Number: 0420801P Master of Science in Engineering. Faculty of Engineering and the Built Environment / Underground observations at a coal mine indicated failure of the immediate roof above the bords while pillars were observed to be intact. To determine the underlying causes of roof failures, careful observations and photographic recording of occurrences of roof failures have been made. Rock samples of the immediate shale roof were collected for laboratory testing to determine the rock strength and deformation properties. Numerical simulations were carried out to analyse stress and strain distributions and also to attempt to explain the guttering process. Mapping of roof failures showed that these took place mainly towards the centre of the roadways. The roof failures, termed “roof guttering”, were observed to occur violently and with little warning. Occurrence of roof guttering had a negative impact on production. Some panels are abandoned, production times have increased and safety of workers is compromised. The mine authorities initially thought that roof guttering was caused by shear failure of the rock mass. Roof bolts are therefore used as a means of primary support. No improvements have been observed. Increasing the size of pillars has not solved the problem either. It has only increased the amount of coal left in the pillars without any improvements in reducing roof failures. Stress measurement results carried out in 2001 showed that high horizontal stresses exist at the mine. The immediate shale roof was observed to be weak. Laboratory testing showed that the shale rock is transversely isotropic. Numerical modelling results indicated that there are insignificant stress concentrations towards the centre of the roadway using the elastic and transversely isotropic elastic models. Stress concentrations were predicted at the roof-pillar contact area. It is therefore expected that failure should initiate and occur at the roof-pillar contact area. The Mohr-Coulomb and Mohr-Coulomb strain softening models predicted shear failure at the roof-pillar contact area. The two models over predicted the depth and under predicted the width of failures. The extension strain criterion predicted correctly the depth and width of failures although the failures were predicted at the roof-pillar contact area while the observations indicated failure mainly towards the centre of the roads. Initiation of failure was predicted ahead of the coal face at the centre of the road position using the extension strain criterion. Although none of the constitutive behaviours predicted correctly the observed underground failures the extension strain criterion has shown the best agreement. Guttering that occurred at the roof-pillar contact was modelled successfully using the extension strain criterion. The extension strain criterion predicted initiation of failure ahead of the coal face at the road centre position. It is possible that fracture initiation could be taking place in this location ahead of the coal face, and, on blasting the rock that has been fractured falls forming a gutter at the centre of the road.

Alguns espelhos usados em câmeras de satélite devem apresentar qualidade superficial elevada. Eles são normalmente fabricados em ZERODUR®, um material vitrocerâmico, por meio de processos abrasivos. Observou-se que a qualidade da superfície do material deteriora-se algum tempo após a usinagem, necessitando assim de retrabalho. A causa mais influente desse fenômeno é o crescimento de trincas devido à corrosão sobtensão. Estas trincas são geradas pelas condições impostas nos processos convencionais de lapidação e polimento. Este trabalho apresenta um estudo sobre a usinabilidade do ZERODUR® utilizando torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante de ponta única como uma alternativa a estes métodos tradicionais. Amostras de ZERODUR® foram submetidas a testes de indentação e riscamento a fim de se estudar as propriedades mecânicas do material, a transição dúctil-frágil e os mecanismos de remoção de material. Com base nesses testes, foi delineado um experimento fatorial do tipo 23 para avaliar a influência das seguintes variáveis de usinagem: profundidade de corte, nos níveis 0,4 e 0,2 \'mü\'m, taxa de avanço, nos níveis 0,3 e 0,1 \'mü\'m/rev e ângulo de saída da ferramenta, nos níveis -5º e -20º. As amostras do experimento foram usinadas em um torno de ultraprecisão com a ferramenta de diamante de ponta única. A qualidade superficial de cada combinação foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura e perfilometria óptica interferométrica. Os resultados dos experimentos foram analisados estatisticamente, por meio de análise de variância (ANOVA). Para os intervalos das variáveis testadas verificou-se que o ângulo de inclinação da ferramenta é o que mais afeta a qualidade superficial. Ângulos com inclinações mais negativas (-20º) proporcionaram as melhores qualidades superficiais (em torno de 200 nm). Nos resultados não houve evidência de que o corte do material tenha ocorrido dentro do regime dúctil. Porém, a rugosidade superficial encontrada em algumas combinações de corte sugere que o torneamento de ultraprecisão pode ser uma alternativa ao processo lapidação que antecede o polimento. Este trabalho de caráter exploratório contribui com estimativas de alguns parâmetros ótimos para usinagem do ZERODUR®, fornecendo subsídios para pesquisas futuras sobre este tema. / Some mirrors used in satellite cameras must present a high surface quality. They are usually made of ZERODUR®, a brittle glass ceramic, by means of abrasive processes. It was observed that the surface quality of the material deteriorates some time after the machining, thus requiring rework. The most influential cause of this phenomenon is the crack growth due to stress corrosion. These cracks are generated by the conventional machining processes of lapping and polishing. This work presents a study on the machinability of ZERODUR® using ultraprecision turning with single-point diamond tool as an alternative to these traditional methods. ZERODUR® samples were subjected to indentation and nano-scratching tests in order to study the ductile-brittle transition and material removal mechanisms. After that, a \'2 POT.3\' factorial experiment was designed in order to assess the influence of three machining parameters on the resulting surface roughness, which are: depth of cut (tested at levels 0,4 and 0,2 \'mü\'m), feed rate (tested at levels 0,3 and 0,1 \'mü\'m/rev) and rake angle of the cutting tool (tested at levels -5º e -20º). The samples were turned with single-point diamond tool using different combinations of the parameters at the levels described above. The surface quality of each sample was evaluated using an interferometric optical profiler and a scanning electron microscope (SEM). The results of the experiments were statistically evaluated by means of Analysis Of Variance (ANOVA). For the ranges tested, it was found that the rake angle of the tool was the most influential parameter. The angle of -20º provided the best values for surface quality, which were around 200 nm. There was no evidence that the cut of the material occurred in the ductile regime, however, the obtained surface roughness showed that the ultraprecision turning may be a feasible alternative for the lapping process of optical components. This exploratory research contributes to the existing knowledge by providing estimates for optimal parameters of ZERODUR® machining, furnishing empirical basis for future research in this field.