The application of thermoplastics as load-carrying components in furniture applications is an attractive prospect at IKEA. Thermoplastics can be used instead of metal where advanced geometries and aesthetics are considered. In this thesis work in solid mechanics, it is of interest to investigate different test setups proposed in the literature for compression testing of thermoplastics while taking into account the complex stress fields induced in the test samples during the compression test.  The simulations have showed that the main cause of complex stress fields in compression test specimens is the presence of friction between the specimen and the machine heads. Friction prevents perfect Poisson contractions during the test which shifts the orientation of the local stress tensors from the direction of loading. Out of the shapes investigated in this thesis, it has been concluded that cube-shaped specimens were the most suitable to utilize in compression tests. The results were based on exploiting measures that pertain to accuracy and robustness parameters within stress and strain. Furthermore, manufacturing impact and ease of test measurements were considered. / Användningen av termoplaster som lastbärande komponenter i möbelapplikationer har ökat under de senaste åren inom IKEA. Då det förutom att vara estetiskt tilltalande för hela möbler är främsta användningen i komponenter som har mer komplicerade geometrier. I detta examensarbete i hållfasthetslära är det av intresse att undersöka olika provkroppar vilket föreslås i litteratur för kompressionsprovning av termoplaster med hänsyn till de komplexa spänningstillstånden som orsakas under provning.  Simuleringarna har påvisat de komplexa spänningstillstånd i kompressionsprov som uppkommer på grund av friktion mellan provstaven och grepen. Friktion förhindrar perfekt tvärkontraktion, vilket förändrar orienteringen av de lokala spänningstensorerna från belastningsriktningen, vilket är enaxlig. Utifrån de former som undersöktes i detta examensarbete blev slutsatsen att kubformade provkroppar var de mest lämpliga att använda i kompressionsprovning. Resultaten baserades på att utnyttja åtgärder som avser noggrannhetsparametrar inom spänning och töjning men även tillverknings och provmätningens lätthet.

Ce travail vise à améliorer la compréhension et la modélisation de la rupture des matériaux métalliques à gradient de propriétés. L'application se fait sur des pignons en acier 20MnB5 carbonitrurés insérés dans un "recliner", mécanisme de sécurité des siègesautomobiles. Le traitement de carbonitruration consisteà enrichir en carbone et azote une couche externe despièces en les chauffant dans le domaine austénitiquedans une atmosphère riche en ces deux éléments. Puisles pièces sont trempées afin de déclencher unetransformation martensitique. On obtient ainsi unmatériau à gradient de propriétés, intéressant pour despièces de transmission de puissance comme lesengrenages. Ce projet a commencé par l’analyse de larupture de mécanismes de sièges en test industriel. Celaa confirmé le double comportement à rupture binaire dumatériau : fragile sur une couche externe, ductile àl’intérieur. Un banc d’essai, spécialement conçu pour ceprojet, soumet une dent à un effort latéral jusqu’àrupture complète. Des observations in situ sonteffectuées et la courbe force-déplacement estenregistrée, montrant la diversité de comportement enfonction de la profondeur d'engagement des dents et dela présence ou non de la couche carbonitrurée. Desessais de traction, de flexion 4 points et de cisaillementsur éprouvettes papillons sont utilisés pour mesurer lespropriétés plastiques et calibrer les critères de rupturede la couche carbonitrurée comme de l'acier de base. Laplasticité de Von Mises avec une loi d'écrouissagesimple rend très bien compte de tous ces essaismécaniques. Différents critères de rupture ductile issusde la littérature sont calibrés; ils ne parviennent pas àreprésenter correctement tous les essais réalisés.Un critère plus adapté est donc proposé enconclusion de cette campagne expérimentale. Lasimulation de la rupture dans LS-Dyna est réaliséeavec une technique d'érosion d'éléments dont leslimitations sont discutées. La comparaison avec larupture de dent expérimentale permet d'évaluer lescritères numériques identifiés et d'analyser leslimites actuelles de la simulation, en particulier lanécessité de prendre en compte plus finement àl'avenir le gradient de propriétés mécaniques ainsique les contraintes résiduelles de compression dela couche carbonitrurée. / This work aims at a better understanding and modeling of the failure of gradient metallic materials. It is applied to carbonitrided pinions made out of 20MnB5 steel, inserted in a "recliner", a safety mechanism of automotive seats. Carbonitriding induces high surface hardness while preserving significant core ductility. The experimental analysis of the fracture behavior of seat recliners in an industrial test confirmed the dual failure behavior of the component : brittle external layer, ductile core material. A test bench has been specifically designed for the project: one tooth is submitted to a lateral force until complete failure. In situ observations are performed and the load-displacement curve recorded, showing a variety of behaviors as a function of the teeth engagement depth and of the presence or not of the carbonitrided layer. Experimental tests with various tress states were conducted to measure plastic properties as well as to calibrate fracture criteria, for the carbonitrided layer and for the core steel. Von Mises plasticity and a simple strain hardening curve fit very well all these experiments. As fracture criteria from the literature were unable to predict failure correctly for all the mechanical tests, an adapted criterion has therefore been proposed as an outcome of this extensive mechanical testing campaign. Fracture simulation in LS Dyna has been performed using the element erosion technique, the limitations of which are discussed. Comparison with the experimental tooth fracture measurements allows evaluation of the proposed failure criteria, and enables to stress out and discuss the present limits of the simulation, concluding that it will be necessary in future work to account more finely for the mechanical property gradient together with the compressive residual stresses in the carbonitrided layer.

The industrial application of high strength steels in structural components has increased the demand on understanding the ductile failure behavior of this type of materials. In practical situations the loading experienced on components made out of these materials can be very complex, which may affect the failure behavior. The objective of this work is to study the effect of stress state on ductile failure and the mechanisms leading to rupture in high strength steels. The stress state is characterized by the stress triaxiality T and the Lode parameter L, which is a deviatoric stress state parameter that discriminates between axisymmetric or shear dominated stress states. For this purpose experiments on two different specimen configurations are performed; a double notched tube (DNT) specimen tested in combined tension and shear and a round notched bar (RNB) specimen tested in uniaxial tension. The two specimens give rise to different stress states at failure in terms of T and L. The failure loci for the DNT specimen show an abrupt change in ductility, indicating a transition between the rupture mechanisms necking of intervoid ligaments and shearing of intervoid ligaments. A clear difference in ductility between the two specimen configurations is also observed, which is closely associated with the difference in stress state at failure. A micromechanical model is developed, which assumes that ductile material failure occurs when the deformation becomes highly non-linear and localizes into a band. The model, which is applied to analyze the experiments, consists of a band with a square array of equally sized cells, with a spherical void located in the center of each cell. The model, extended with a shear criterion, captures the experimental trend rather well. The model also shows that the effect of the deviatoric stress state (L) on void growth, void shape evolution and coalescence is significant, especially at low levels of T and shear dominated stress state. / QC 20100621

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Cette étude porte sur la détermination d’un critère de rupture des gaines de combustible de Zircaloy-4 détendu hydruré contenant un blister d’hydrures, en conditions accidentelles représentatives d’un accident d’injection de réactivité. Deux plages de comportement différentes en fonction de la température ont clairement été mises en évidence grâce à l’étude bibliographique, aux différentes campagnes d’essais mécaniques et aux analyses des faciès de rupture des éprouvettes rompues : une rupture de type fragile pour la gaine à 25°C et une rupture ductile à 350°C.A 25°C, la rupture fragile a été traitée par une analyse globale en mécanique élasto-plastique de la rupture. A partir des essais mécaniques effectués à 25°C sur les gaines contenant des blisters, des simulations numériques par éléments finis ont été réalisées avec le code CAST3M. Des calculs d’intégrales-J en pointe de fissure ont alors permis d’identifier un critère de rupture en ténacité moyenne de 13,8 +/- 3,1 MPa.m1/2.A 350°C, une campagne d’essais biaxés de type pression interne couplée à la traction axiale a été réalisée sur des tronçons de Zircaloy-4 contenant des blisters, à des biaxialités des contraintes représentatives du RIA. Il a été montré que la rupture de la gaine, avec et sans blister, avait lieu de façon ductile, que la déformation diamétrale à rupture de la gaine diminuait lorsque la profondeur de blister augmentait, et que la biaxialité des contraintes n’avait pas d’effet sur la rupture des gaines contenant un blister suffisamment profond.Un modèle d’endommagement ductile couplé à la plasticité, basé sur un formalisme de type GTN, a été utilisé. Afin d’améliorer la description de l’endommagement des gaines de Zircaloy-4, une nouvelle source de germination de porosités liée au paramètre de Lode a été intégrée dans le modèle. L’évaluation de la triaxialité des contraintes et du paramètre de Lode dans les simulations numériques de la rupture ductile des gaines à 350°C a notamment permis de comprendre certaines tendances expérimentales. / This study deals with the determination of a fracture criterion for hydrided, cold worked and stress relieved Zircaloy-4 fuel cladding tubes with hydride blister, during a reactivity initiated accident. Two types of fracture profiles were identified, depending on the temperature, thanks to a bibliographical study, mechanical tests and fracture profiles analysis : brittle fracture at 25°C, and ductile fracture at 350°C.At 25°C, brittle fracture was studied by a global analysis in elasto-plastic fracture mechanic. Numerical simulations were performed by a finite element method with the CAST3M code, based on mechanical tests on fuel cladding tubes with blisters. Crack tip J-integral calculations were carried out to identify a mean fracture toughness of 13,8 +/- 3,1 MPa.m1/2.At 350°C, internal pressure combined to axial tensile tests were performed on Zircaloy-4 fuel cladding tubes with hydride blisters, at stress biaxialities corresponding to those of a RIA. It was observed a ductile fracture for tubes with and without blister. It was shown that hoop strain at failure decreases when blister thickness increases, and that stress biaxiality has no effect on cladding tubes bearing a thick blister. A ductile fracture model based on the GTN model was employed and a nucleation of voids due to shear stress was introduced, based on the Lode parameter. Stress triaxiality and Lode parameter were assessed in numerical simulations to understand some experimental observations.