The Astoria-Megler Bridge is a 6.6 kilometer (4.1 mile) long bridge, connecting Oregon and Washington on US 101, with a continuous steel truss main span of 376 m (1232 ft). It is the second longest main span bridge of this type in the world. Due to vortex shedding, some of the long truss verticals exhibit wind-induced torsional vibrations. These vibrations can create large numbers of repeated stress cycles in the truss verticals and the gusset plate assemblies. The members and connections were not designed for such conditions and the impact of this behavior on the service life of the bridge is uncertain. A full-scale representation of one of the truss verticals observed to exhibit such wind induced torsional response was fabricated and tested in the Structural Engineering Research Laboratory at Oregon State University. Experimental data of the rotational behavior and the stress distribution along the vertical were collected using inclinometers, an angular rate sensor, and uniaxial and rosette strain gages. The data collected were compared with existing analytical methods and predictions from finite element models. The observed experimental results including twist angle, stress distribution, and stress magnitude were well captured by both the finite element model and the analytical equations. Using analytical expressions, the fatigue lives of the existing bridge verticals were predicted based on assumed storm duration and recurrence. / Graduation date: 2013

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen Bauelemente, die auf der Basis von sog. akustischen Oberflächenwellen, in der Fachsprache üblicherweise mit dem Begriff SAW (surface acoustic wave) bezeichnet, arbeiten. In den vergangenen ca. 40 Jahren haben SAW-Bauelemente einen außerordentlich starken Aufschwung erlebt. Den Beginn markierte ein neuartiger Zwischenfrequenz-Filter für Fernsehgeräte am Ende der 1960er Jahre. Heute finden sich unterschiedliche Arten dieser Bauelemente in nahezu jedem Bereich unseres täglichen Lebens wieder. Als Beispiele können hier allgemein die draht-, funk- und fasergestützte Daten- und Signalübertragung und im Speziellen Mobil- und Schnurlostelefone oder Fernbedienungen genannt werden. Inzwischen sind auch neue Anwendungen in der Sensorik sowie der Identifikationstechnik hinzugekommen. Es gibt für SAW-Bauelemente eine Entwicklung hin zu höheren Arbeitsfrequenzen, steigenden Leistungen, erhöhter Zuverlässigkeit, weiterer Miniaturisierung und zunehmender Modulintegration, wobei alle Anforderungen bei gleichzeitig sinkenden Herstellungskosten realisiert werden müssen. Dabei zeichnet sich ab, dass mit den herkömmlichen Herstellungstechnologien nicht alle Bedürnisse erfüllt werden können. So ist z.B. die Lift-off-Technik, mit der ein Großteil der Bauelemente hergestellt wird, nicht auf beliebig kleine Strukturen anwendbar. Eine Alternative bildet die sog. Damaszentechnologie, die auch zur Herstellung modernster Mikroprozessoren eingesetzt wird. Dabei werden die Metallelektroden anstatt auf dem Substrat aufzuliegen, in das Substrat eingelassen, woraus sich für zukünftige SAWBauelemente Vorteile ergeben können, wie z.B. eine erhöhte Leistungsbeständigkeit, kostengünstige Abscheideverfahren, eine Reduktion der Strukturgrößen und eine planare Oberfläche. Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt darin, die Damaszentechnologie erstmalig auf SAW-Strukturen anzuwenden und mit den Vorteilen der Cu-Technologie zu kombinieren. Als inhaltliche Schwerpunkte wurden die Herstellung von Demonstratorbauelementen und die Bewertung der Prozessschritte, die Eigenschaftsbestimmung der Strukturen sowie deren Schädigungsverhalten bei Leistungsbelastung definiert.

Les méthodes de calcul en fatigue à grande durée de vie sont en cours de développement depuis des décennies et sont utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les structures. Généralement, ces méthodes se basent sur la mise en équations de quantités mécaniques calculées à l'échelle macroscopique ou mésoscopique. Les critères de fatigue multiaxiale reposent généralement sur des hypothèses de changement d'échelle dont l'objectif est d'accéder à l'état de contraintes ou de déformations à l'échelle du grain. Dans les approches de type plan critique (Dang Van, Papadopoulos, Morel), l'amorçage d'une fissure de fatigue est considéré comme piloté par une quantité mécanique liée à une orientation matérielle particulière (plan critique). Si ces phénomènes sont bien établis dans le cas des chargements uniaxiaux, la nature des mécanismes liés à l'activation des systèmes de glissement, à la multiplicité du glissement et aux différents sites préférentiels d'amorçage de fissures sous chargements complexes reste peu connue.Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement en fatigue multiaxiale, les techniques d'analyse et de caractérisation de l'activité plastique (activation des systèmes de glissements, bandes de glissement persistantes) et d'observation de l'endommagement par fatigue ont été mises en place en se basant principalement sur des observations MEB et analyses EBSD. Ces investigations ont permis de mettre en lumière les effets des chargements non proportionnels sur la multiplicité du glissement sur du cuivre pur OFHC. L'étude statistique des sites préférentiels d'amorçage de fissures montre que les grains à glissement multiple présentent une forte probabilité d'amorçage de fissures, surtout sous les chargements non proportionnels. Nous avons également mis en évidence le rôle des joints de grains et des joints de macle sur le développement de la plasticité à l'échelle de la microstructure. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux du calcul éléments finis (EF) en plasticité polycristalline sur des microstructures synthétiques 3D semi-périodiques. L'application du critère de Dang Van à l'échelle mésoscopique (le grain) montre une forte variabilité de la contrainte hydrostatique et du cisaillement. Cette variabilité est plus importante pour un modèle de comportement cristallin élastique anisotrope. Le rôle de la plasticité cristalline se révèle secondaire. Ces analyses permettent de remettre en perspective les hypothèses usuelles de changement d'échelle utilisées en fatigue multiaxiale. Enfin, une méthode basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour le dépouillement des calculs EF sur agrégats. Cette analyse a été appliquée sur la contrainte équivalente associée au critère de fatigue de Dang Van pour les calculs d'agrégats polycristallins avec différentes morphologies et orientations des grains. Les effets de la surface libre, du type de chargement et du modèle de comportement mécanique des grains ont été analysés. Les résultats offrent des perspectives intéressantes sur la modélisation de l'amorçage des fissures en fatigue multiaxiale des matériaux et des structures avec une prise en compte de la microstructure. / The development of high cycle fatigue (HCF) strength assessment methods has now been running for more than a century, leading to relatively efficient methods for engineers. Generally, these methods are based on mechanical quantities calculated at macroscopic or mesoscopic scales and validated by the model's ability to accurately reproduce experimental results. Multiaxial fatigue strength criteria are usually based on scaling transition assumptions aiming at capturing the stress or strain state in the grain. In the case of critical plane based criteria (Dang Van, Papadopoulos, Morel), fatigue crack initiation is supposed to be controlled by a mechanical quantity linked to a particular orientation (critical plane). If fatigue crack initiation phenomena are well established in the case of uniaxial loadings, the nature of the mechanisms involved in the activation of slip systems, multiple slip and preferential sites of rack initiation under complex loadings remains little known.To better understand the mechanisms of multiaxial fatigue crack initiation, analysis and characterization of the plastic activity (e.g. activation of slip systems, persistent slip bands) and observations of fatigue damage have been carried out on pure OFHC copper, using SEM and EBSD analyses. These investigations enabled to highlight the effects of non-proportional multiaxial loadings through the induced multiplicity of slip. The statistical study of preferential crack initiation sites shows that grains with multiple slip have a high probability of crack initiation, especially under non-proportional loading. We also highlighted the role of grain boundaries and twin boundaries on the development of plasticity across the microstructure. The experimental results were compared with those of finite element crystal plasticity computations on synthetic 3D semi-periodic microstructures. The application of the Dang Van criterion at the mesoscopic (grain) scale showed a strong variability of the hydrostatic stress and the shear stress. This variability was greater for anisotropic elastic behavior, while the role of crystal plasticity seemed to be secondary. These analyses allowed putting into perspective the usual assumptions of scaling transition rules used in multiaxial fatigue. Finally, a method based on the extreme values statistics ​​was proposed and applied to the equivalent stress associated to the Dang Van fatigue criterion for polycrystalline aggregate computations with different morphologies and grains orientations. The effects of the microstructure, free surface, loading types and mechanical behavior were analyzed. The results offered interesting insights into the multiaxial fatigue modeling of metals and structures taking into account the microstructure.

L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'influence de la microstructure et de défauts géométriques sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un acier inoxydable austénitique 316L. La méthodologie proposée s'appuie sur des simulations par éléments finis (EF) d'agrégats polycristallins qui permettent de décrire les champs mécaniques à l'échelle des mécanismes impliqués dans les processus d'amorçage de fissures de fatigue.Une étude numérique préliminaire, s'appuyant sur des données expérimentales issues de la littérature, est conduite sur un cuivre électrolytique à l'aide de simulations numériques d'agrégats polycristallins en 2D. L'effet du trajet de chargement et de défauts artificiels de taille proche ou légèrement supérieure à celle de la microstructure sur les réponses mécaniques mésoscopiques sont analysés. Les capacités de prédiction de quelques critères de fatigue, s'appuyant sur des quantités mécaniques mésoscopiques, sont évaluées. Il est mis en évidence que les limites de fatigue macroscopiques prédites par un critère de fatigue probabiliste sont en accord avec les tendances expérimentales observées en fatigue multiaxiale et en présence de défauts.Une campagne expérimentale a été menée sur un acier austénitique 316L. Des essais de fatigue oligocyclique sont conduits afin de caractériser le comportement élasto-plastique du matériau. Des essais de FGNC, utilisant des éprouvettes avec et sans défaut de surface (défaut artificiel hémisphérique) ont été effectués pour estimer les limites de fatigue dans différentes conditions de sollicitation (traction, torsion, traction et torsion combinée, traction biaxiale) et pour plusieurs rayons de défaut. Dans le but de compléter la caractérisation du matériau, la microstructure est étudiée à l'aide d'analyses EBSD et la texture cristallographique est mesurée par diffraction des rayons X. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour reproduire, avec des simulations EF, les essais de FGNC sur des microstructures 2D et 3D représentatives de l'acier austénitique. L'hétérogénéité de quantités mécaniques mésoscopiques pertinentes en fatigue est discutée avec une attention particulière sur l'effet des défauts. L'approche probabiliste est appliquée aux résultats des modèles EF pour quantifier l'effet de la taille du défaut, pour différents trajets de chargement. La pertinence, vis-à-vis des observations expérimentales, des distributions de la limite de fatigue prédites est évaluée. / The aim of this study is to analyze the influence of both the microstructure and defects on the high cycle fatigue (HCF) behaviour of a 316L austenitic stainless steel thanks to finite element (FE) simulations of polycrystalline aggregates.%The scatter encountered in the HCF behavior of metallic materials is often explained by the anisotropic elasto-plastic behavior of individual grains leading to a highly heterogeneous distribution of plastic slip.Since fatigue crack initiation is a local phenomenon, intimately related to the plastic activity at the crystal scale, it seems relevant to rely on this kind of modeling to evaluate the mechanical quantities.A preliminary numerical study, based on experimental data drawn from the litterature, was conducted on an electrolytic copper using simulations of 2D polycrystalline aggregates. The effect of the loading path and small artificial defects on the mesoscopic mechanical responses have been analyzed separately. Moreover, the predictive capabilities of some fatigue criteria, relying on the mesoscopic mechanical responses, has been evaluated. It was shown that the macroscopic fatigue limits predicted by a probabilistic fatigue criterion are in accordance with the experimental trends observed in multiaxial fatigue or in the presence of small defects.An experimental campaign is undertaken on an austenitic steel 316L. Low cycle fatigue tests are conducted in order to characterize the elasto-plastic behavior of the material. Load-controled HCF tests, using both smooth specimens and specimens containing an artificial hemispherical surface defect, are carried out to estimate the fatigue limits under various loading conditions (tension, torsion, combined tension and torsion, biaxial tension) and several defect radii. To complete the characterization of the material, the microstructure is studied thanks to EBSD analyzes and the cristallographic texture is measured by X-ray diffraction. These experimental data are used to reproduce, with FE simulations, the HCF tests on 2D and 3D microstructures representative of the austenitic steel. The heterogeneity of the mesoscopic mechanical quantities relevant in fatigue are discussed in relation to the modeling. The results from the FE models are then used along with the probabilistic mesomechanics approach to quantify the defect size effect for several loading paths. The relevance, with respect to the experimental observations, of the predicted fatigue strength distributions is assessed.

Le dimensionnement en fatigue à grand nombre de cycles d'un contact roulant entre des éléments ayant subi un traitement thermochimique de cémentation s'avère rapidement complexe.D'une part le traitement de cémentation apporte une hétérogénéité de propriété dans les couches supérieures de la pièce qui dépend du protocole utilisé. D'autre part le chargement de contact roulant est un chargement complexe dont le mode de défaillance en fatigue s'initie en sous-couche.Afin de limiter le temps de la caractérisation des champs de propriétés en fatigue, l'utilisation des mesures d'auto-échauffement sous sollicitation cyclique ainsi que leur interprétation par un modèle probabiliste à deux échelles est proposé. Néanmoins de par l'hétérogénéité du matériau et de par la particularité du chargement il peut s'avérer délicat d'appliquer une telle méthode d'évaluation. ll est alors proposé d'explorer ces deux difficultés de manière séparé.Pour prendre en compte l'hétérogénéité matériaux, un protocole d'analyse de courbe d'auto-échauffement basé sur une variante d'un modèle probabiliste à deux échelles et sur les mesures de taux de carbone a été proposé. Les paramètres du modèle ont été identifiés sur une classe d'acier via des mesures d'auto-échauffement réalisées sur des éprouvettes représentatives de l'hétérogénéité du au traitement de cémentation. Enfin le modèle a été validé par comparaison avec des points de fatigue expérimentaux.En ce qui concerne le chargement de contact roulant, les difficultés pour réaliser une mesure d'auto-échauffement ont mené à effectuer une première campagne de mesure sur le cas intermédiaire du contact répété. A l'aide d'un modèle analytique simple, l'évolution du champ de température a pu être reliée à un terme source de chaleur moyen dont le lien avec les mécanismes de fatigue reste à démontrer. Finalement, des prototypes de machine de contact roulant dédiés aux mesures d'auto-échauffement ont été proposés. Les mesures réalisées sur ces dernières et leur interprétation laissent à penser qu'il sera possible d'identifier des propriétés de fatigue à partir de mesure d'auto-échauffement. / The rolling contact fatigue prediction between two carburizing part quickly becomes complex.On one hand, the carburizing treatment give heterogeneous properties in surface layer depending on the treatment protocol. On the other hand, the rolling contact load is a complex load with a fatigue initiation in the sub-layer. To limit the duration of the field fatigue properties characterization, self-heating measurements under cycle load are used and their interpretation by a probabilistic two scales model is proposed. Nevertheless applying this fatigue evaluation method on heterogeneous material and for rolling contact load can be difficult. ln first approach those difficulties are split.To take into account the material heterogeneity, an analysis based on a variation of one probabilistic two scales model and on carbon rate measurement is proposed. Model parameters are identified on one steel class with self-heating measurement made on specimens representative of carburizing material heterogeneity. Finally the model is validated by comparison with experimental fatigue point.Making self-heating measurement for rolling contact load is complex. Consequently a first self-heating measurement campaign is made on the intermediary case of repeated contact. With a simple analytic model, the temperature field evolution can be linked to a mean heat source whose link with fatigue mechanism must be proven. Finally, rolling contact machine prototypes are proposed. Self-heating measurement made on those prototypes and their interpretation suggest that it will be possible to identify fatigue properties with self-heating measurement.

The thesis is focused on clarifying fatigue damage mechanisms and fatigue-creep damage mechanisms of MAR-M 247 and IN 713LC polycrystalline Ni-based superalloys. This thesis begins with basic information about nickel-based superalloys and their microstructure, followed by a description of fatigue and creep mechanisms and their mutual interaction. The next part contains experimentally obtained results describing the behavior of MAR-M 247 and IN 713LC superalloys under various sets of conditions. Three testing temperatures - 800, 900 and 950 °C were used for the measurement of fatigue properties under symmetrical loading cycle, because in the temperature range 800 – 950 °C, the mechanism of fatigue crack propagation of both superalloys should change from the originally crystallographic at "lower" temperatures (800 °C) to non-crystallographic at "higher" temperatures (950 °C). In addition the effect of processing technology on fatigue properties was studied on the superalloy IN 713LC. High-frequency cyclic loading (about 120 Hz) with high mean stress at elevated temperatures was applied to induce fatigue-creep interaction. The combined fatigue-creep loading was performed on the IN 713LC superalloy at 800 °C and on the MAR-M 247 superalloy at 900 °C.

Cette thèse présente une approche globale d’optimisation vis-à-vis de la fatigue des matériaux et structures en alliages à mémoire de forme (AMF). Cette approche s’articule en trois étapes : i) Le développement d’une loi de comportement capable de prédire la réponse thermomécanique à l’état stabilisé d’une structure en AMF sous chargement cyclique multiaxial non proportionnel. On prend notamment en compte la dépendance de la déformation résiduelle par rapport à la température. Par ailleurs, la méthode LATIN à grand incrément de temps a été généralisée pour les AMF dans le cadre du modèle ZM. Ceci permet de résoudre les problèmes de convergence numérique rencontrés lorsque le processus de transformation de phase se produit avec une pente du plateau de transformation faible. ii) Le développement d’un critère de fatigue à grand nombre de cycles pour les AMF. Ce critère s’inscrit dans le cadre de la théorie d’adaptation à l’instar du critère de Dang Van pour les métaux élasto-plastiques. Le critère proposé permet de calculer en chaque point de la structure en AMF un facteur de fatigue indiquant son degré de dangerosité. iii) Le développement d’une approche d’optimisation structurale qui peut être utilisée pour améliorer la durée de vie en fatigue prédite par le critère proposé dans la deuxième partie. Des exemples numériques sont traités pour valider chaque étape. L‘approche globale a par ailleurs été testée et validée pour l’optimisation structurale d’un stent. / This thesis presents a comprehensive and effi cient structural optimization approach for shape memory alloys (SMAs) with respect to fatigue. The approach consists of three steps: First, the development of a suitable constitutive model capable of predicting, with good accuracy, the stabilized thermomechanical stress state of a SMA structure subjected to multiaxial nonproportional cyclic loading. The dependence of the saturated residual strain on temperature and loading rate is discussed. In order to overcome numerical convergence problems in situations where the phase transformation process presents little or no positivehardening, the large time increment method (LATIN) is utilized in combination with the ZM (Zaki-Moumni) model to simulate SMA structures instead of conventional incremental methods. Second, a shakedown-based fatigue criterion analogous to the Dang Van model for elastoplastic metals is derived for SMAs to predict whether a SMA structure subjected to high-cycle loading would undergo fatigue. The proposed criterion computes a fatigue factor at each material point, indicating its degree of safeness with respect to high-cycle fatigue. Third, a structural optimization approach, which can be used to improve the fatigue lifetime estimated using the proposed fatigue criterion is presented. The prospects of this work include the validation of the optimization approach with experimental data.

Main topic of the thesis was to evaluate fatigue properties of the titanium alloy Ti-A13-V2,5, labelled by ASTM as Grade 9. Most attention was focused on fatigue behaviour of the alloy in the range of high cycle fatigue. Fatigue testing was realised to detect the fatigue properties and consequently to generate the Wöhler curve and the Haigh diagram. In addition to this, tension and bending tests were performed. Metallographic and fractographic analyses of fatigue fracture form part of the overview about material properties, which was accomplished by use of REM. Experimental part of the thesis was backed by the literature research. The first half of it contains a short summary of basic information about the titanium and its alloys, so as some chapters about the history and properties of titanium, the way of its production, classification of titanium alloys and its thermic treatment. The fatigue is thoroughly scrutinised in the second half of the background research. Here can also be found the information about the fatigue process, its stages, the fatigue life and the most significant attributes of the fatigue fracture. The last chapters of the thesis are dedicated to the alloy Ti-A13-V2,5 - being examined in the experimental part - so as to its fatigue properties. The main benefit of this thesis is the completion of the missing information concerning the fatigue behaviour of the alloy, which is – according to the literature research - generally not available.

The thesis is focused on assessment of fatigue behaviour of austempered ductile iron with nodular graphite. Optimal period of transformation was determined based on the best combination of stress and strain characteristics established by tensile test. Cyclic response and low-cycle fatigue life were studied under both stress-control and longitudinal strain-control mode at room temperature. For both modes, shapes of cyclic hardening curves are dependent on stress amplitude. Cyclic deformation curves (CDC) were fitted by power regression function. Results were compared with CDC established by multiple step test in both modes with verification of the influence of cyclic creep (high stress levels, stress-control mode). Experimental data of S-N curves are in agreement with the Manson-Coffin and the Basquin law. Fatigue and cyclic parameters were compared. Fatigue life time in high-cycle fatigue region was determined. Experimental data were fitted by suitable regression functions. Regression parameters and fatigue limit were established by means of each regression function. Experimental data in low- and high-cycle fatigue regions were used to construct S-N curve and to determine relevant parameters. Discontinuity of experimental data was not observed. Low-cycle fatigue behaviour was predicted. Approximation of tolerance bands was realized in high-cycle and both high and low cycle fatigue regions.

This doctoral thesis deals with the determination of the influence of plasma electrolytic oxidation (PEO) on fatigue behaviour of extruded AZ61 magnesium alloy in air and in the 3.5% NaCl solution. The coatings were formed in the silicate-phosphate electrolyte under pulsed current conditions at a frequency of 50 Hz. The influence of current density on coating formation was examined under current densities of 70, 130 and 200 mA cm-2 for different durations up to a maximum of 1800 s. 8 g dm-3 of KF were added to the electrolyte to study the influence of fluoride ions in plasma electrolytic oxidation. It is shown that fluoride ions inhibit localised oxidation in the initial stage of the process, associated with the secondary particles based on Al–Mn. The presence of fluoride also modified the sparking characteristics, decreased the rate of coating growth and changed the morphologies of the coatings. The influence of fluoride on the coating hardness, and the corrosion resistance of the alloy during exposure to salt spray, was negligible. Based on previous optimised PEO conditions, coatings formed under a current density of 130 mA cm-2 for 300 s in the electrolyte containing KF were chosen for fatigue testing. The high-cycle fatigue tests were carried out on cylindrical samples under a force controlled sinusoidal tension-tension cycle with asymmetry parameter R=0. The experimental data were fitted with Kohout & Věchet function. The fatigue limit of uncoated alloy in air for 107 cycles was determined at 145.4 MPa and the combination of PEO coating with chloride ions caused a reduction of ~55 %. Attention was paid to the fatigue crack initiation in different conditions of cyclic loading. The fracture surfaces underwent detailed fractography analysis including secondary crack observation on the gauge length. The contribution of Al–Mn particles were confirmed on the uncoated alloy in air and the presence of chloride ions were observed as another influential contributor to local corrosion attack. The cyclic loading caused spalling of the outer layer, and the multiple initiation was observed on PEO coated alloy, caused by cracks in the coating and stress transferring to the alloy.