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.

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Fatigue testing of stretch sensors often focuses on high amplitude, low-cycle fatigue (LCF) behavior; however, when used for orthopaedic, athletic, or ergonomic assessments, stretch sensors are subjected to low amplitude, high-cycle fatigue (HCF) conditions. As an added layer of complexity, the fatigue testing of stretch sensors is not only focused on the life of the material comprising the sensor, but also on the reliability of the signal produced during the extension and relaxation of the sensor. Research into the development of a smart sock that can be used to measure the range of motion (ROM) of the ankle joint during athletic practices and competitions using stretch sensors is ongoing at Mississippi State University. The current smart sock prototype utilizes StretchSense™ StretchFABRIC capacitive dielectric elastomer sensors. These sensors are no longer manufactured, and FlexSense stretch sensors are being investigated as a potential replacement. To assess the reliability of the signal of the StretchFABRIC sensors currently used in the prototype, two sensors were subjected to 25,000 cycles of fatigue, under with simultaneous capture of the capacitance. The capacitances of the fatigued sensors were then compared to the capacitance of an unfatigued StretchFABRIC sensor during participant trials. Participants completed four static movements and six dynamic gait trials using either the fatigued or unfatigued sensor. Following completion of the initial static and dynamic movements, the movements were repeated using the opposite sensor. Comparison of the fatigued sensor to the unfatigued sensor revealed an upward drift in the capacitance of the fatigued sensor for all trials. Two FlexSense sensors were then subjected to either 450,000 or 250,000 cycles of fatigue with simultaneous capture of the signal from the sensor. To assess the signal, the peak capacitance recorded during the fatigue test was compared to the peak stretch percentage produced by the sensor. The peak displacement remained tight about the mean, while the peak stretch percentage exhibited a high level of scatter. From a materials standpoint, the sensors conformed to the Rabinowitz-Beardmore model of polymer fatigue where an initial monotonic overload of the material is followed by a transition to cyclic stability of the material.

Ultrafeinkörnige metallische Werkstoffe haben verstärkt wissenschaftliche Bedeutung erlangt. Um dieser neuartigen Werkstoffklasse über die grundlagenorientierte Forschung hinaus einen Einsatz in technischen Anwendungen zu ermöglichen, ist es notwendig, deren Verhalten unter verschiedenen einsatzrelevanten Belastungsbedingungen vorhersagen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird das Schädigungsverhalten einer ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung in den Bereichen der hochzyklischen (HCF) und niedrigzyklischen (LCF) Ermüdung sowie des Rissfortschritts untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die Identifikation der mikrostrukturell wirksamen Mechanismen bei der Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen. Es werden ein homogen ultrafeinkörniger und ein bimodaler Zustand sowie verschiedene duktilitätsoptimierte Zustände betrachtet und systematisch der Einfluss der Korngröße, der Korngrößenverteilung, der Ausscheidungscharakteristik sowie der Festigkeit und Duktilität auf das Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalten ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass das Schädigungsverhalten der ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung insbesondere durch die Korngröße und Korngrößenverteilung sowie den Kohärenzgrad der festigkeitssteigernden Ausscheidungen beeinflusst wird.

Es wird ein einfacher Berechnungsansatz für ein Baukastensystem aus Kastenprofilen verschiedener Querschnittsabmessungen erarbeitet. Diese Profile bestehen aus WVC (Wood Veneer Composites, Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen). Der Ansatz bildet den statischen Lastfall und das Ermüdungsverhalten unter schwellende Dreipunktbiegung ab. Am Beispiel eines ausgewählten Strukturbauteils aus handelsüblichen Birkensperrholz wird der Berechnungsansatz konkretisiert und durch Versuche evaluiert. Aufbauend auf dem Kraft-Verformungsverhalten der analysierten Einzelbauteile und der kapillarporösen Struktur des Holzes wird bei dem Berechnungsansatz auf eine Analyse der Spannungen verzichtet. Stattdessen wird als Berechnungskriterium die kritische Normaldehnung in der Randfaser der Strukturbauteile genutzt. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt um mittels niederzyklischen Ermüdungsversuchs (LCF, ca. 1e+03 Lastwechsel) den „Knickpunkt“ der Zeitfestigkeitslinie eines einstufigen Ermüdungsversuchs bei hohen Lastspielzahlen (HCF, 1e+06 bis 1e+07 Lastwechsel) für diese Strukturbauteile zu bestimmen. / It was developed a simple approach for the calculation of a modular construction system for box sections (profile structures) of different cross-sectional dimensions. These profile structures consists of WVC (Wood Veneer Composites). The approach maps the static load case and the fatigue behavior under pulsating three-point bending. By using a structural component made from commercial birch plywood, the calculation approach is specified and verified. Based on the force-deformation behavior of the analyzed single components in connection with the capillary-porous structure of the wood, the calculation approach dispense on an analysis of the tensions. Instead, a criterion, which calculates the critical normal strain in the outer fibers of the structural components, is used. Furthermore, a method of a low-cycle fatigue test (LCF, abbr. 1e+03 cycles) is presented. This method detects the “knee point" of the fatigue limit line for the profiles. That point is usually determined by the use of a high-cycle fatigue tests (HCF, 1e+06 until 1e+07 cycles).

This thesis is on fatigue crack growth experiments and assessments of fatigue crack growth rates. Both constant and variable amplitude loads in two different materials are considered; a nickel based super-alloy Inconel 718 and a stainless steel 316L. The considered load levels extend from small scale yielding (SSY) to large scale yielding (LSY) for both materials. The effect of different load schemes on the fatigue crack growth rates is investigated on Inconel 718 and compact tension specimens in Paper A. It is concluded that load decreasing schemes give a to high Paris law exponent compared to constant or increasing load amplitude schemes. Inconel 718 is further analyzed in Paper B where growth rates at variable amplitude loading in notched tensile specimens are assessed. The predictions are based on the fatigue crack growth parameters obtained in Paper A. The crack closure levels are taken into consideration and it is concluded that linear elastic fracture mechanics is incapable of predicting the growth rates in notches that experience large plastic cyclic strains. Even if crack closure free fatigue parameters are used and residual stresses due to plasticity are included. It is also concluded that crack closure free and nominal fatigue crack growth data predict the growth rates equally well. However, if the crack closure free parameters are used, then it is possible to make a statement in advance on the prediction in relation to the experimental outcome. This is not possible with nominal fatigue crack growth parameters. The last three papers consider fatigue crack growth in stainless steel 316L. Here the load is defined as the crack tip opening displacement parameter. Paper C constitutes an investigation on the effect of plastic deformation on the potential drop and consequently the measured crack length. It is concluded that the nominal calibration equation obtained in the undeformed geometry can be used at large plastic deformations. However, two conditions must be met: the reference potential must be taken in the deformed geometry and the reference potential needs to be adjusted at every major change of plastic deformation. The potential drop technique is further used in Paper D and Paper E for crack length measurements at monotonic LSY. Constant amplitude loads are considered in Paper D and two different variable amplitude block loads are investigated in Paper E. The crack tip opening displacement is concluded in Paper D to be an objective parameter able to characterize the load state in two different geometries and at the present load levels. Furthermore, if the crack tip opening displacement is controlled in an experiment and the local load ratio set to zero, then only monotonic LSY will appear due to extensive isotropic hardening, i.e. elastic shake-down. This is also the reason why the linear elastic stress-intensity factor successfully could merge all growth rates, extending from SSY to monotonic LSY along a single line in a Paris law type of diagram, even though the generally accepted criteria for SSY is never fulfilled. For the variable amplitude loads investigated in Paper E, the effect of plastic deformation on measured potential drop is more pronounced. However, also here both the crack tip opening displacement parameter and the linear elastic stress-intensity factor successfully characterized the load state. / <p>QC 20130108</p>

Dvě pokročilé vysoce legované austenitické oceli s Fe-Ni-Cr matricí byly studovány za podmínek nízkocyklové únavy jak za pokojové tak vysoké teploty. Široká škála experimentálních a charakterizačních nástrojů byla použita ke studiu vzájemně souvisejících aspektů zahrnujících chemické složení slitin, mikrostrukturu, deformační mechanismy a celkovou odezvu materiálů na externě působící zatížení. Klíčové mechanismy a faktory definující mechanické vlastnosti a výkonnost v reálném provozu byly analyzovány a diskutovány v souvislosti s materiálovým designem. • Standardní únavové experimenty byly provedeny za pokojové teploty a teploty 700°C. Byly získány křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklické deformační křivky, Coffin-Manson a Wöhlerovy křivky. • Ke studiu změn mikrostrukturního stavu slitin v důsledku cyklického zatěžování za pokojové a zvýšené teploty byla použita široká škála technik charakterizace pomocí elektronové mikroskopie. • Únavové chování, pevnost a cyklická plastická odezva studovaných materiálů byla vysvětlena v souvislosti s mikrostrukturními změnami a mikrostrukturními aspekty deformačních mechanismů jak za pokojové tak za zvýšených teplot. • Bylo zjištěno, že Sanicro 25 vykazuje nejvyšší pevnostní charakteristiky ze všech materiálů stejné třídy. Výjimečné vlastnosti této slitiny jsou spojeny s populacemi dvou typů nanočástic, koherentními precipitáty bohatými na měď a nanočásticemi typu MX s charakteristikou disperzoidu. Tyto nanočástice mají klíčový vliv na pevnost a celkovou cyklickou odezvu. V důsledku interakcí s precipitáty způsobujících zachytávání je pohyb dislokací v Sanicro 25 významně zpomalen, což vede k potlačení normálních procesů zotavení obvykle vedoucích ke změně uspořádání dislokační struktury tak, aby byla celková vnitřní energie systému co nejnižší. Takové uspořádání je tvořeno například dislokačními buňkami. Jelikož jsou procesy zotavení potlačeny, dislokační struktura za vysokých teplot je charakteristická homogenní distribucí dislokací o vysoké hustotě s velkou mírou vzájemných interakcí. V kombinaci s dalšími mechanismy zpevnění jako jsou precipitáty a substituční prvky v tuhém roztoku, tyto deformační mechanismy vedou k významnému zvýšení cyklické pevnosti za vysokých teplot.

Fatique life extension of nuclear powerplants lies in the search for project reserves. This work deals with the evaluation of low-cycle fatigue of nuclear installations of the VVER type and the assessment of the influence of the computational model level. Fatigue tests of austenitic steel using optical method of digital image correlation for which the evaluation procedure is designed and used is performed. Selected model of plasticity with kimenatic (Chaboche) and combinated hardening (Chaboche, Voce) are calibrated from the obtained data. Subsequently, the durability of the test specimen is determined by computational modeling for different material models. From the comparison of the results of fatigue tests with the calculation, the material models suitable for the description of fatigue life and their validity are determined.

Es wird ein einfacher Berechnungsansatz für ein Baukastensystem aus Kastenprofilen verschiedener Querschnittsabmessungen erarbeitet. Diese Profile bestehen aus WVC (Wood Veneer Composites, Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen). Der Ansatz bildet den statischen Lastfall und das Ermüdungsverhalten unter schwellende Dreipunktbiegung ab. Am Beispiel eines ausgewählten Strukturbauteils aus handelsüblichen Birkensperrholz wird der Berechnungsansatz konkretisiert und durch Versuche evaluiert. Aufbauend auf dem Kraft-Verformungsverhalten der analysierten Einzelbauteile und der kapillarporösen Struktur des Holzes wird bei dem Berechnungsansatz auf eine Analyse der Spannungen verzichtet. Stattdessen wird als Berechnungskriterium die kritische Normaldehnung in der Randfaser der Strukturbauteile genutzt. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt um mittels niederzyklischen Ermüdungsversuchs (LCF, ca. 1e+03 Lastwechsel) den „Knickpunkt“ der Zeitfestigkeitslinie eines einstufigen Ermüdungsversuchs bei hohen Lastspielzahlen (HCF, 1e+06 bis 1e+07 Lastwechsel) für diese Strukturbauteile zu bestimmen. / It was developed a simple approach for the calculation of a modular construction system for box sections (profile structures) of different cross-sectional dimensions. These profile structures consists of WVC (Wood Veneer Composites). The approach maps the static load case and the fatigue behavior under pulsating three-point bending. By using a structural component made from commercial birch plywood, the calculation approach is specified and verified. Based on the force-deformation behavior of the analyzed single components in connection with the capillary-porous structure of the wood, the calculation approach dispense on an analysis of the tensions. Instead, a criterion, which calculates the critical normal strain in the outer fibers of the structural components, is used. Furthermore, a method of a low-cycle fatigue test (LCF, abbr. 1e+03 cycles) is presented. This method detects the “knee point" of the fatigue limit line for the profiles. That point is usually determined by the use of a high-cycle fatigue tests (HCF, 1e+06 until 1e+07 cycles).

Ultrafeinkörnige metallische Werkstoffe haben verstärkt wissenschaftliche Bedeutung erlangt. Um dieser neuartigen Werkstoffklasse über die grundlagenorientierte Forschung hinaus einen Einsatz in technischen Anwendungen zu ermöglichen, ist es notwendig, deren Verhalten unter verschiedenen einsatzrelevanten Belastungsbedingungen vorhersagen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird das Schädigungsverhalten einer ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung in den Bereichen der hochzyklischen (HCF) und niedrigzyklischen (LCF) Ermüdung sowie des Rissfortschritts untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die Identifikation der mikrostrukturell wirksamen Mechanismen bei der Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen. Es werden ein homogen ultrafeinkörniger und ein bimodaler Zustand sowie verschiedene duktilitätsoptimierte Zustände betrachtet und systematisch der Einfluss der Korngröße, der Korngrößenverteilung, der Ausscheidungscharakteristik sowie der Festigkeit und Duktilität auf das Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalten ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass das Schädigungsverhalten der ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung insbesondere durch die Korngröße und Korngrößenverteilung sowie den Kohärenzgrad der festigkeitssteigernden Ausscheidungen beeinflusst wird.