Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

Experimental vibration analysis of mechanical structures is a well established field.Plenty of literature exists on macro scale structures in the fields of civil, mechanical and aerospace engineering, but the study of vibrations of micro scale structures such as MEMS, liquid droplets, and biological cells is relatively new. For such structures, the amplitudes of vibration are typically in nanometeror sub-nanometer range and the frequencies are in KHz to MHz range depending upon the dimensions of the structure. In our study, we use a scanningLaser Doppler Vibrometer (LDV) to measure the vibrations of micro-scale objects such as MEMS structures, micro droplets and cells. The vibrometercan capture frequency response up to 24 MHz withpicometer displacement resolution. First, we present the study of dynamics of a 2-D micromechanical structure—a MEMSelectrothermal actuator. The structure is realized using SOI MUMPs process from MEMSCAP. The fabricated device is tested for its dynamic performance characteristics using the LDV. In our experiments, we could capture up to 50 out-of-plane modes of vibration—an unprecedented capture—with a single excitation. Subsequent FEM based numerical simulations confirmed that the captured modes were indeed what the experiments indicated, and the measured frequencies werefound to be within 5% of theoretically predicted. Next, we study the dynamics of a 3-D micro droplet and show how the substrate adhesion modulates the natural frequency of the droplet. Adhesion properties of droplets are decided by the degree of wettability that is generally measured by the contact angle between the substrate and the droplet. In this work, we were able to capture 14 modes of vibration of a mercury droplet on different substrates and measure the correspondingfrequencies experimentally. We verify these frequencies with analytical calculations and find that all the measured frequencies are within 6% of theoretically predicted values. We also show that considering any two pairs of natural frequencies, we can calculate the surface tension and the contact angle, thus providing a new method for measuring adhesion of a droplet on an unknown surface. Lastly, we present a study of vibrations of biological cells.Our first study is that of single muscle fibers taken from drosophila.Muscle fibers with different pathological conditions were held in two structural configurations—asa fixed-fixed beam and a cantilever beam—and their vibration signatures analysed.We found that there was significant reduction in natural frequency of diseased fibers. Among the diseased fibers, we could confidently classify the myopathies into nemaline and cardiac types based on the natural frequency of single fibers. We have noticed that the elastic modulus of the muscle which decides the natural frequency is dictated by the myosin expression levels. Our last example isa study of the vibration signatures of cancer cells. Here we measure the natural frequencies of normal and certain cancerous cells, and show that we can distinguish the two based on their natural frequencies. We find that the natural frequency of cancerous cells is approximately half of that of normal cells. Within the cancerous cells, we are able to distinguished epithelial cancer cells and mesenchymal cancer cells based on their natural frequency values. For Epithelial cells,we activate the signaling pathways to induce EMT and notice the reduction in the natural frequency. This mechanical assay based on vibration response corroborates results from the biochemical assays such as Western blots and PCR, thus opening a new technique of mechano-diagnostics.

Dans ce travail, nous avons examiné de près les propriétés tribologiques et mécaniques de composites thermoplastiques chargés de différentes fractions massiques de particules de lubrifiant solide. Pour la matrice thermoplastique, nous avons retenu le polyamide 6-6 et le polycarbonate alors que les lubrifiants solides envisagés sont le graphite et le bisulfure de molybdène. L’élaboration des composites a été établie à l’aide d’une première méthodologie de moulage par injection directe. Une deuxième méthodologie d’élaboration, qui fait intervenir une étape de prétraitement du lubrifiant solide avant injection afin d’améliorer l’adhésion à l’interface matrice/lubrifiant solide, a été également utilisée. Pour les différents composites élaborés, les comportements tribologiques ont été analysés par l’intermédiaire d’un microtribomètre de type pion/plan à mouvement linéaire alterné. L’impact de la méthodologie d’élaboration sur les propriétés d’adhésion à l’interface charge/matrice a été exploré. Les moyens expérimentaux utilisés reposent principalement sur les tests de traction uniaxiale couplés à des tests de micro-rayage et des caractérisations microstructurales complémentaires (fractographie, tomographie X). Les propriétés mécaniques et micromécaniques mesurées ont été corrélées aux observations microstructurales. / Through this work, we focused on the tribological and mechanical properties of thermoplastic composites containing different weight fractions of solid lubricant filler. For the thermoplastic matrixes, we choose polyamide 6-6 and polycarbonate and the solid lubricants considered were graphite and molybdenum disulfide. Composites were developed by direct injection molding process as a first methodology. A second one is also used based on particles pretreatment before injection molding in order to improve the adhesion in the filler/matrix interface. Friction experiments were conducted using a reciprocating microtribometer. The effect of the development methodology on the adhesion properties in the filler/matrix interface was explored. The experimental tools were principally based on uniaxial tensile tests coupled to scratch tests and complementary microstructural characterizations (fractography, X-ray tomography). The measured mechanical and micromechanical properties were correlated to the microstructural observations.

La technologie flip chip est de plus en plus répandue dans l'industrie électronique [trois dimensions (3D) System in Package] et est principalement utilisée pour la fabrication de réseaux détecteurs de grand format (mégapixels) et faible pas. Pour étudier la fiabilité de ces assemblages, des simulations numériques basées sur des méthodes d'éléments finis semblent être l'approche la moins chère. Cependant, de très grands assemblages contiennent plus d'un million de billes de brasure, et le processus d'optimisation de ces structures par des simulations numériques se révèle être une tâche très fastidieuse. Dans de nombreuses applications, la couche d'interconnexion de tels assemblages flip chip se compose de microbilles de brasure noyées dans de l'époxy. Pour ces configurations, nous proposons une approche alternative, qui consiste à remplacer cette couche d'interconnexion hétérogène par un matériau homogène équivalent (MHE). Un modèle micromécanique pour l'estimation de ses propriétés thermoélastiques équivalentes a été mis au point. La loi de comportement obtenue pour le MHE a ensuite été implémentée dans le logiciel par éléments finis (Abaqus®). Les propriétés élastiques des matériaux de l'assemblage sont définies par la littérature et également déterminées expérimentalement par une méthode de caractérisation mécanique : la nano-indentation. Les réponses thermomécaniques des assemblages testés soumis à des chargements correspondant aux conditions de fabrication ont été analysées. La technique d'homogénéisation-localisation a permis d'estimer les valeurs moyennes des contraintes et des déformations dans chaque phase de la couche d'interconnexion. Pour accéder plus précisément aux champs de contraintes et déformations dans ces phases, deux modèles de zoom structurel (couplage de modèles et submodeling), en tenant compte de la géométrie réelle de la bille de brasure, ont été testés. Les champs de contrainte et de déformation locaux obtenus corroborent avec les initiations de dommage observées expérimentalement sur les billes de brasure / Flip chip technology is increasingly prevalent in electronics assembly [threedimensional (3D) system in package] and is mainly used at fine pitch for manufacture of megapixel large focal-plane detector arrays. To estimate the reliability of these assemblies, numerical simulations based on finite-element methods appear to be the cheapest approach. However, very large assemblies contain more than one million solder bumps, and the optimization process of such structures through numerical simulations turns out to be a very time-consuming task. In many applications, the interconnection layer of such flip-chip assemblies consists of solder bumps embedded in epoxy filler. For such configurations, we propose an alternative approach, which consists in replacing this heterogeneous interconnection layer by a homogeneous equivalent material (HEM). A micromechanical model for the estimation of its equivalent thermoelastic properties has been developed. The constitutive law of the HEM obtained was then implemented in finite-element software (Abaqus®). Elastic properties of materials that compose the assembly were found in literature and by using mechanical characterization method especially nano-indentation. Thermomechanical responses of tested assemblies submitted to loads corresponding to manufacturing conditions have been analyzed. The homogenization-localization process allowed estimation of the mean values of stresses and strains in each phase of the interconnection layer. To access more precisely to the stress and strain fields in these phases, two models of structural zoom (model coupling and submodeling), taking into account the real solder bump geometry, have been tested. The local stress and strain fields obtained corroborate the experimentally damage initiation of the solder bumps observed

Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

Membranes act as smart structures in respect to their permeation abilities. Control of particle and fluid permeation through a synthetic membrane can be achieved by using different effects like size-exclusion or electromagnetic interactions that occur between the particles and membrane pores. The simulation of controlled permeability provides an insight into the smart behavior of membranes for chemical signal processing, sensing interfaces or lab-on-a-chip devices. In the current work, we model the underlying physical processes on a microfluidic level using the engineer’s approach of laminar flow through pipes. Different pore geometries inside a composite membrane system consisting of a polyethylene terephthalate support membrane and a poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel-layer are investigated. Simulations for different states of thermally induced pore opening are performed for free and blocked states. From the results we derive paradigms for the design of a membrane system for microfluidic cell-size profiling considering stimulus-range, pore shape and measurement setup.

Membranes separate uid compartments and can comprise transport structures for selective permeation. In biology, channel proteins are specialized in their atomic structure to allow transport of specific compounds (selectivity). Conformational changes in protein structure allow the control of the permeation abilities by outer stimuli (gating). In polymeric membranes, the selectivity is due to electrostatic or size-exclusion. It can thus be controlled by size variation or electric charges. Controllable permeation can be useful to determine particle-size distributions in continuous ow, e.g. in micro uidics and biomedicine to gain cell diameter profiles in blood. The present approach uses patterned polyethylene terephthalate (PET) membranes with hydrogel surface coating for permeation control by size-exclusion. The thermosensitive hydrogel poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) is structured with a cross-shaped pore geometry. A change in the temperature of the water ow through the membrane leads to a pore shape variation. The temperature dependent behavior of PNIPAAm can be numerically modeled with a temperature expansion model, where the swelling and deswelling is depicted by temperature dependent expansion coefficients. In the present study, the free swelling behavior was implemented to the Finite Element tool ABAQUS for the complex composite structure of the permeation control membrane. Experimental values of the geometry characteristics were derived from microscopy images with the tool ImageJ and compared to simulation results. Numerical simulations using the derived thermomechanical model for different pore geometries (circular, rectangle, cross and triangle) were performed. With this study, we show that the temperature expansion model with values from the free swelling behavior can be used to adequately predict the deformation behavior of the complex membrane system. The predictions can be used to optimize the behavior of the membrane pores and the overall performance of the smart membrane.

In the present thesis, fatigue behavior of nodular cast iron (NCI) is investigated using micromechanical simulations. An elastic-plastic porous material experiences an increase in a void volume fraction with each cycle of loading. This is called void ratchetting. The hypothesis of this thesis is to explain the fatigue failure of NCI using void ratchetting mechanism. The strain-life, stress-life, notch support effect, and fatigue crack growth are studied using the micromechanical simulations. In all these studies, matrix material is defined as an elastic-plastic with isotropic/kinematic hardening. No damage law is used to define material degradation. The axisymmetric cell model is developed to study strain-life and stress-life approaches for fatigue. The cell model is subjected to cyclic loading and cycle by cycle simulations are carried out until failure. The failure of the cell model is defined based on the drop in the macroscopic response of the cell model. The notch support effect is investigated using a 2D plane strain model within stress-life concept. From the simulation results, strain-life and stress-life curves are extracted, and they are in qualitative and quantitative agreement with experimental data collected from literature. The fatigue crack growth is studied using a micromechanical cell model under small scale yielding conditions. The graphite particles are considered as voids, and they are resolved discretely in fracture process zone. The region outside of the fracture process zone is considered as a homogenized medium. When positive alternating loads are applied, ligaments in the fracture process zone show ratchetting behavior, which is responsible for an effective fatigue crack growth. This mechanism is relevant for the fatigue crack growth in NCI. The 2D plane strain boundary layer model is able to predict the effect of load ratio on threshold for the fatigue crack growth and the fatigue crack growth rate. The fatigue crack growth rate curves obtained from the simulations are compared with experimental data. It is essential to note that the void ratchetting (plastic collapse of the intervoid ligaments) is a crucial mechanism in NCI and more focus should be given to this mechanism as it is simple to implement and gives satisfying simulation results.

This project is in collaboration with the Hydro-Quebec Research Institute (IREQ) and the Canadian Centre for Electron Microscopy (CCEM) on the mechanical test performance of miniature-scale micro-tensile specimens. The objective of the thesis project is to create an efficient and reliable fabrication route for producing micro-tensile specimens and to validate the accuracy of a newly custom-built micro-tensile bench at IREQ. The fabrication techniques developed and outlined in this thesis use the underlying fundamental physical mechanisms of secondary electron microscopy (SEM), focused-ion beam (FIB), and the femtosecond (fs)-laser machining for producing optimal quality micro-tensile specimens. The mechanical testing of the specimens is geared towards studying the localized deformation occurring in the microstructure when the size of the specimen only limits a number of grains and grain boundaries in order to target the specific detailed measurement of the mechanical behaviour of individual grains and interfaces. The goal for creating an optimal fabrication route for micro-tensile specimens is to carry out micro-mechanical testing of the primary turbine steels of 415 martensitic stainless steel used in the manufacture of Francis turbine components at Hydro-Quebec. The mechanical testing of single phase and interphase interface 415 steel micro-tensile specimens are considered building blocks to developing digital twin models of the steel microstructure. The experimental data from the mechanical tests would be fed into the crystal plasticity finite element models (CPFEM) that are currently being developed by researchers at IREQ. With the development of digital twin models, engineers at IREQ would be able to predict crack initiation at the microstructure level (prior to crack propagation into macro-scale cracks) by observing the evolution of the grain’s crystallographic orientation and morphology, as well as deformation mechanisms such as martensite formation and twinning produced from localized induced strains in the microstructure. In addition, self-organized dislocation processes such as dislocation nucleation and dislocation escape through the free surface can also be studied using the CPFEM models for size-limited mechanical deformation behaviour of miniature-scale mechanical test specimens. The fabrication routes studied in this thesis project use the combination of the fs-laser and plasma focused ion beam (PFIB) to machine the micro-tensile specimens. (100) single crystal copper was the ideal material chosen to validate the accuracy of the micro-tensile bench and quality of the fs-laser-machined tensile specimens, due to its ductile nature and well-characterized properties studied in literature. A mechanical size effect was studied for single crystal copper specimens with different gauge thicknesses. It was observed from the micro-tension testing that the strength of the specimens increased with decreasing gauge thickness occurring in the size-limited tensile gauges. In addition, it was determined there was negligible differences in the size effect seen between the PFIB-machined copper micro-tensile specimens and the fs-laser-machined micro-tensile specimens, demonstrating that the fs-laser is a reliable machining route for the micro-tensile specimens. X-ray computed tomography was used to validate the correct geometry of the machined gauge section produced from an innovative gauge thinning method adopted from IREQ’s research collaborator, Dr. Robert Wheeler. As well, finite-element analysis (FEA) was performed to determine the deformation behaviour under both linear-elastic and non-linear elastoplastic conditions of (100) copper and 415 steel models simulated in pure tension, prior to the fabrication of the micro-tensile specimens, respectively. Furthermore, significant progress has been made towards targeting martensite grains in the 415-steel microstructure using electron backscattered diffraction (EBSD) analysis to produce single crystal and interphase interface micro-tensile specimens. A workflow towards grain targeting using EBSD analysis has been developed, as well as for the relocation of grains using reference fiducial marks for future fabrication of the single crystal and interphase interface 415 micro-tensile specimens. / Thesis / Master of Applied Science (MASc) / Hydro-Quebec is an energy utilities company that operates the design of Francis hydro-turbines to supply hydroelectric power across the province of Quebec. The hydro-turbines have an expected service life of 70 years. Unfortunately, the turbines can get replaced by new ones prior to reaching half of its service life, due to the development of severe fatigue crack growth in the primary components of the turbines. A solution proposed by the researchers at the Hydro-Quebec Research Institute (IREQ) is to determine a linkage between the turbine’s steel’s microstructure and the mechanical behaviour of the turbine steels. Deformation of the material starts at the microstructure level, where dislocations glide through the material lattice, causing both reversible (elastic) and irreversible (plastic) deformation. Therefore, a solution was proposed by the researchers at IREQ to create computational models of the steel microstructure to predict the deformation of the steel’s microstructure. Being able to predict the deformation mechanisms through the simulation models of the microstructures allows for engineers at Hydro-Quebec to schedule regular maintenance of the turbines more efficiently and provide metallurgists the knowledge on what is occurring at the microstructure level and what can be done to improve the chemical and physical composition of the steel. To develop the digital twin models, experimental data must be collected through mechanical testing of miniature mechanical test specimens of the turbine steels. The mechanical properties of the single phases and interphase interface specimens are fed into the models as building blocks to building a microstructure map of the turbine steels. Micro-tension testing of micro-tensile specimen provides direct information about the material’s mechanical properties. In this work, a reliable and efficient fabrication route for micro-tensile specimens was developed for the purpose of extracting mechanical properties of single phase and interphase interface turbine steel specimens using focused ion beam (FIB) and femtosecond laser machining.

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