Objetivo principal desta dissertação foi verificar os efeitos da temperatura de laminação na formação de martensita induzida por deformação e na sua posterior reversão da martensita para austenita no aço inoxidável austenítico AISI 304L. O estudo foi predominantemente microestrutural e para análise e caracterização foram utilizadas as técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, medidas de dureza Vickers e medidas de fases ferromagnéticas por ferritoscopia. As amostras foram inicialmente solubilizadas a 1100 ºC por uma hora, visando a dissolução de uma pequena quantidade residual de ferrita encontrada nas amostras na condição como recebida, depois laminadas em diferentes temperaturas, determinando-se curvas de endurecimento por deformação e de formação de martensita induzida por deformação em função do grau de deformação. Em seguida, foram realizados pré-recozimentos a 600 ºC, favorecendo apenas a reversão da martensita para austenita, de maneira que não ocorresse a recristalização. A quantidade e a temperatura de deformação apresentaram forte influência na quantidade de martensita formada, no endurecimento por deformação e na cinética de amolecimento durante o recozimento. Os pré-tratamentos realizados a 600 ºC causaram acentuada reversão da martensita, algum amolecimento e pequeno efeito no tamanho de grão recristalizado durante o posterior recozimento a 600 ºC. / The main objective of the present dissertation was to verify the effects of the rolling temperature on the formation of strain induced martensite and in its subsequent martensite reversion to austenite in a AISI 304L stainless steel. The study was predominantly microstructural and, for the analysis and characterization, several techniques have been used, namely optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Vickers hardness measurements and magnetic phase measurements, using the ferritoscope. The samples were initially solution annealed at 1100 ºC for one hour, aiming at the dissolution of a small quantity of the residual -ferrite found in the samples in the as-received condition; then rolling was performed at different temperatures, evaluating strain hardening and the strain induced martensite as a function of strain. Following, pre-annealing treatments at 600 ºC have been performed, favoring only the martensite to austenite reversion, in a way that no recrystallization would occur. Strain and temperature had a strong influence on the amount of formed martensite, on the strain hardening and on the softening kinetics during annealing. The pre-annealing treatments at 600 ºC caused an accentuated effect on the martensite reversion, some softening and a small effect on the recrystallized grain size during the subsequent annealing at 600 ºC.

Le grenaillage est souvent utilisé sur les pieds d’aube de turbine haute pression afin de retarder l’apparition des fissures dans les zones de concentration de contraintes. Ce traitement de surface génère des contraintes résiduelles et de l’écrouissage en surface de la pièce, ce qui influe sur sa durée de vie. L’enjeu de cette thèse est de mettre en place une méthodologie permettant de prendre en compte cet état mécanique initial, ainsi que son évolution en service, dans l’analyse de durée de vie d’une aube élaborée en superalliage monocristallin à base de nickel (AM1). Tout d’abord, cet état mécanique (contraintes résiduelles et écrouissage) est déterminé expérimentalement. Les contraintes résiduelles sont notamment évaluées par diffraction des rayons X en utilisant la méthode d’Ortner. Cet état mécanique est ensuite introduit dans les calculs de structure. Pour cela, on s’inspire de la méthode connue de l’introduction directe du champ d’eigenstrains qui est, ensuite, étendue afin d’introduire également les variables d’écrouissage ainsi que l’état mécanique anisotrope complet dans toute la structure. L’étape suivante a visé à suivre expérimentalement et à modéliser l’évolution de ces quantités sous sollicitations thermique, d’une part et cycliques à température constante (650°C), d’autre part. Enfin, la chaîne complète de calcul de durée de vie de l’AM1 est appliquée afin d’analyser la durée de vie des éprouvettes grenaillées. Les résultats obtenus sont discutés en regard des essais de fatigue effectués sur éprouvettes représentatives / Shot-peening is widely used on roots of high pressure turbine blade to postpone crack initiation in stress concentration area. This pre-stressing introduces compressive residual stress and strain hardening in a surface layer which will influence lifetime. The aim of this thesis is to propose a methodology which allows taking into account the impact of such pre-stressing and their evolution on the fatigue behaviour of a single crystal nickel-based superalloy (AM1) used for high pressure turbine blades. Firstly, the experimental work is devoted to the determination of the initial mechanical state (residual stresses and strain hardening). Residual stresses are namely determined using X-ray diffraction involving the use of a specific method developed by Ortner. This experimental initial mechanical state is then introduced as an input in structure calculation. The well-known method involving the direct introduction of eigenstrain profiles is used and improved to also introduce strain hardening variables and the complete anisotropic mechanical state in all the integration points of the structure. The next step consist in following experimentally and modeling the evolution of these quantities under thermal and mechanical loads under an uniform temperature (650°C). Finally, the complete lifetime assessment is carried out on representative shot-peened samples. Results are discussed with respect to experimental fatigue tests

Combining the most recent technologies in concrete, Ultra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC) arises as a promising material for the near future. UHPFRC have shown how flexible concrete can be to adapt to the ever-changing social and environmental demands. With its high flexibility composition and its mechanical properties, UHPFRC is full of both unexplored and unexploited possibilities. Engineers should take responsibility for this task. However, it is fair to acknowledge that this is not an easy task and it requires the development of reliable and widely accepted design standards provided by the scientific community. A major concern about durability, long-lasting structures and reduction of maintenance cost, as well as the development of new concrete technologies, improved knowledge of fibre effect and a huge growth in the fibre industry accompanied by fibre price reduction have led, among other factors, to the development of new types of concrete whose mechanical behaviour substantially differs from conventional fibre-reinforced concrete. This is why current characterisation methodologies and design standards must be reviewed and adjusted to these newer materials. However, design standard revision cannot disregard former milestones achieved thanks to decades of hard work. It must offer an integrated view in which new types of concrete comprise existing ones in a broader group, because at the end of the day and despite having newer and improved properties, new types of concrete are still concrete. That is how it should be understood and how it must be reflected in newer codes and standards. The work presented herein is focused on one of these recently developed materials that embraces major advanced technologies in concrete: Ultra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC). This work is specifically focused on those crucial requirements for the development and widespread use of it, such as constitutive tensile characterisation and classification. This work includes a deep revision of the uniaxial tensile behaviour of concrete and its development as fibre technology has evolved. In addition, traditional characterisation standard methods as well as those recently developed for its specific use on UHPFRC are reviewed and called into question. Throughout the document, the development of different methodologies to determine the uniaxial constitutive tensile behaviour of UHPFRC from bending tests are shown, together with a simplified characterisation proposal specially developed for being included in a standard. All developed methodologies presented herein are checked and validated. These methods are specifically designed for their application on experimental results obtained from a special type of four-point bending test, whose standardisation proposal for UHPFRC is also shown. Finally, a classification proposal is presented as a function of more relevant UHPFRC tensile parameters necessary for design that can be directly obtained from the standard characterisation test method suggested. Proposed classification encompasses the existing classification for conventional reinforced and fibre-reinforced concrete. In it, both plain concrete and fibre-reinforced concrete are presented as a particular case of a more general tensile constitutive response for concrete. Standard methodology and classification proposed are in accordance with the evolution of concrete and unify historic milestones achieved by the international research community. / El Hormigón de Muy Alto Rendimiento (HMAR) combina los últimos avances tecnológicos en hormigón y se erige como un material prometedor para el futuro. El HMAR ha demostrado su gran capacidad para adaptarse a las cada vez más exigentes demandas sociales y medioambientales. Con un gran abanico de posibilidades en su dosificación para conseguir las propiedades mecánicas deseadas, el HMAR es un material lleno de posibilidades aún sin explorar y sin explotar. Los ingenieros tienen la responsabilidad de esta tarea. Sin embargo, es justo reconocer que no se trata de una tarea fácil y que requiere de un desarrollo previo de códigos de diseño adecuados y ampliamente aceptados por parte de la comunidad científica. La aparición de nuevas tecnologías, el mayor conocimiento sobre la aportación de las fibras así como su industrialización y bajada de precios, las mayores preocupaciones sobre la durabilidad estructural, incremento de la vida útil o la reducción de los costes de mantenimiento, entre otros factores, han derivado en el desarrollo de nuevas tipologías de hormigones cuyo comportamiento mecánico difiere de manera sustancial de los tradicionales hormigones con fibras. Es por ello que tanto la readaptación de las metodologías de caracterización como las metodologías de diseño deben ser reformuladas. Y esto debe hacerse de manera no disruptiva, es decir, manteniendo la línea de los hitos alcanzados en los hormigones con fibras convencionales de manera que queden integrados en metodologías de caracterización y de diseño que los engloben, porque al fin y al cabo, y aunque con nuevas y mejores propiedades mecánicas, los nuevos hormigones siguen siendo hormigones. Así debe ser entendido y así debe quedar reflejado en las nuevas normativas. El presente trabajo se centra en uno de esos nuevos materiales desarrollados con el avance de las nuevas tecnologías como es el HMAR. En especial, este documento se centra en ese aspecto tan fundamental para el desarrollo de nuevos hormigones como es la caracterización mecánica y la tipificación. Este trabajo incluye una revisión del comportamiento mecánico uniaxial a tracción del hormigón y de su evolución con la aparición de las diferentes tecnologías. Además, se revisan y se ponen en cuestión los sistemas tradicionales de caracterización, así como los nuevos sistemas desarrollados en los últimos años para su empleo específico en el HMAR. A lo largo del documento se desarrollan diferentes metodologías para la obtención del comportamiento constitutivo a tracción del HMAR, así como la propuesta de una metdología simplificada de caracterización especialmente diseñada para ser incluida en una norma, todas ellas debidamente validadas. Estas metodologías son de aplicación específica a los resultados experimentales obtenidos mediante un ensayo a cuatro puntos sin entalla, cuya propuesta de estandarización para el HMAR ha sido también desarrollada. Finalmente, se presenta una propuesta de tipificación de acuerdo a los parámetros más relevantes del comportamiento a tracción del HMAR que son necesarios para el diseño y que pueden ser directamente obtenidos del ensayo de caracterización propuesto. Esta clasificación engloba a la clasificación existente para el hormigón armado convencional y los actuales hormigones con fibras, de manera que se presenta la actual definición de hormigón con fibras como un caso particular de estos nuevos hormigones, respetando al máximo la evolución de este material y aunando los logros conseguidos por la comunidad científica. / Dins de les combinacions de les tecnologies més recents en el formigó, el formigó de molt alt rendiment (UHPFRC) sorgeix com un material prometedor per al futur pròxim. L'UHPFRC ha demostrat poder ser un formigó flexible per adaptar-se a les sempre canviants demandes socials i mediambientals. Amb una gran flexibilitat en la seua composició i les seues propietats mecàniques, l`UHPFRC està ple de possibilitats de ser explorades i explotades. Els enginyers han de prendre la responsabilitat d'aquesta tasca. No obstant això, és just reconèixer que això no serà fàcil i requerirà el desenvolupament de normes de disseny fiables i àmpliament acceptades per la comunitat científica. Hi ha una gran preocupació al voltant de la durabilitat, la vida útil de les estructures i la reducció del cost de manteniment, juntament amb el desenvolupament de noves tecnologies de formigó, un millor coneixement de l'efecte de la fibra i un enorme creixement en la indústria de la fibra acompanyat per la reducció del preu de la fibra, han conduït, entre altres factors, al desenvolupament de nous tipus de formigons, el comportament mecànic dels quals es diferencia substancialment dels formigons reforçats amb fibres convencionals. És per això que les metodologies de caracterització actuals i les normes de disseny han de ser revisades i ajustades a aquests nous materials. No obstant això, la revisió del codis de disseny no pot prescindir de les antigues fites aconseguides gràcies a dècades de treball dur. S'ha d'oferir una visió integrada en la qual els nous tipus de formigons integren els ja existents en un grup més ampli, ja que, al cap i la fi i malgrat tenir propietats noves i millorades, els nous tipus de formigons són encara un tipus de formigó. Així es com s'hauria d'entendre i reflectir-se en els nous codis i normes. El treball presentat en aquest document es centra en un d'aquests materials que s'han desenvolupat recentment i que abasta les principals tecnologies avançades en el formigó: el Formigó de Molt Alt Rendiment Reforçat amb Fibres (UHPFRC). Aquest treball se centra específicament en els requisits fonamentals per al desenvolupament i l'ús generalitzat d'aquest, com ara la caracterització i classificació del comportament constitutiu a tracció. Aquest treball inclou una revisió profunda del comportament a tracció uniaxial del formigó i els seus canvis al temps que la tecnologia de les fibres ha evolucionat. A més, els mètodes tradicionals estàndard de caracterització, així com els recentment desenvolupats per al seu ús específic en l'UHPFRC són revisats i qüestionats. Al llarg del document, es mostra el desenvolupament de diferents metodologies per a determinar el comportament constitutiu a tracció uniaxial de l'UHPFRC, juntament amb una proposta de caracterització simplificada especialment desenvolupada per poder ser inclosa en normativa. Totes les metodologies desenvolupades presentades en aquest document han estat comprovades i validades. Aquests mètodes estan dissenyats específicament per a la seva aplicació en els resultats experimentals obtinguts a partir d'un tipus especial d'assaig de flexió a quatre punts, a més també s'inclou una proposta d'estandardització per a l'UHPFRC. Finalment, es presenta una proposta de classificació en funció dels paràmetres més rellevants del comportament a tracció de l'UHPFRC que són necessaris per al disseny i que es poden obtindre directament del mètode d'assaig estàndard suggerit per a la caracterització de l'UHPFRC. La classificació proposada té amb compte la classificació existent per al formigó armat convencional i el reforçat amb fibres. En ella, tant el formigó en massa com el formigó reforçat amb fibres es presenten com un cas particular d'una resposta constitutiva a tracció més general per al formigó. La metodologia estàndard i la classificació proposada estan d'acord amb l'evolució de formigó i unifica l / López Martínez, JÁ. (2017). CHARACTERISATION OF THE TENSILE BEHAVIOUR OF UHPFRC BY MEANS OF FOUR-POINT BENDING TESTS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79740 / TESIS

Hochduktile Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) und Textilbetone (engl.: Textile Reinforced Concrete – TRC) sind zwei neuartige Faserbetone, die ein duktiles und dehnungsverfestigendes Zugverhalten aufweisen. SHCC bestehen aus feinkörnigen Zementmatrizen und kurzen Hochleistungspolymerfasern, während TRC eine Kombination aus feinkörnigen Zementmatrizen und kontinuierlichen zwei- oder dreidimensionalen Textilschichten darstellt. Letztere bestehen aus Multifilamentgarnen aus Kohlenstoff, alkalibeständigem Glas oder Polymerfasern. Die hohe elastische Verformbarkeit beider Verbundwerkstoffe bis zum Erreichen der Zugfestigkeit entsteht aus der sukzessiven Bildung multipler feiner Risse. Neben der hervorragenden Risskontrolle und Duktilität weisen diese Verbundwerkstoffe ein hohes Energieabsorptionsvermögen auf, was in Bezug auf kurzzeitdynamische Belastungen eine durchaus erstrebenswerte Eigenschaft darstellt. Obwohl SHCC eine höhere Dehnungskapazität als herkömmliche TRC zeigen, weisen die Textilbetone eine erheblich höhere Zugfestigkeit auf. Darüber hinaus besitzen die textilbewehrten Betone deutlich niedrigere Einflüsse von Anwendungstechnologie und Maßstab auf das Zugverhalten, d. h. eine bessere Robustheit. Daher stellt die Kombination dieser beiden Bewehrungskonzepte einen vielversprechenden Ansatz dar. Während die Kurzfasern für eine bessere Risskontrolle und Erstrissfestigkeit sorgen, sichern die Textilgelege eine hohe Zugfestigkeit sowie Steifigkeit im gerissenen Zustand und eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte in der Verstärkungsschicht bzw. im Bauteil. Dieser synergetische Effekt kann jedoch nur durch eine zielgerichtete Materialentwicklung erreicht werden, die eine grundlegende Materialcharakterisierung unter verschiedenen Belastungsszenarien erfordert. Im Rahmen des DFG-finanzierten Graduiertenkollegs GRK 2250 „Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite“ werden duktile und Impakt resistente Komposite entwickelt, charakterisiert und erprobt, die als dünne Verstärkungsschichten auf bestehende Konstruktionen bzw. Bauelemente aufgetragen werden und dadurch deren Widerstandsfähigkeit und Resilienz gegen extreme kurzzeitdynamische Beanspruchungen signifikant erhöhen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des A3-Projektes innerhalb des GRK 2250/1 erzielt. Ziel dieser Arbeit war es, die grundlegenden mechanischen Eigenschaften und die Dehnratenabhängigkeit von mineralisch gebundenen Kompositen mit hybrider Faserbewehrung zu erfassen und zu beschreiben. Das Forschungskonzept besteht aus systematischen und parametrischen Untersuchungen der einzelnen Komponenten (Faser, Textil, zementgebundene Matrix), ihres Verbundes und der entsprechenden Verbundwerkstoffe. Hierfür wurden zweckbestimmte Prüfkonfigurationen und dreidimensionale Messverfahren angewandt, die in anderen Projekten des GRK 2250/1 entwickelt wurden. Außer uniaxialen, quasistatischen und dynamischen Zugversuchen wurden quasistatische und dynamische Einzelgarnauszugsversuche durchgeführt. Die wichtigsten untersuchten Materialparameter waren die Art der Kurzfaserbewehrung und der Textilien (Material, geometrische und Oberflächeneigenschaften, Art der Tränkung usw.). Auf Basis der mechanischen Experimente wurde ein analytisches Modell eingesetzt und angepasst, dass das Zugverhalten solcher Komposite in Abhängigkeit von verschiedenen Materialparametern abbilden soll. Zusätzlich zu der detaillierten Beschreibung der Materialeigenschaften, der maßgebenden Mechanismen und synergetischen Effekte bilden die erzielten Ergebnisse eine umfangreiche experimentelle Basis für eine empirische und Modell gestützte Weiterentwicklung und Optimierung dieser Verbundwerkstoffe mit Hinblick auf wirtschaftliche und ökonomische Aspekte. / Strain-hardening cement-based composites (SHCC) and textile-reinforced concrete (TRC) are two novel types of fiber-reinforced cementitious composites that exhibit ductile, strain-hardening tensile behavior. SHCC comprises fine-grained cementitious matrices and short, high-performance polymer fiber, while TRC is a combination of a fine-grained, cementitious matrix and continuous two- or three- dimensional textile layers of multi-filament yarns, usually made of carbon or alkali-resistant glass. Both composites yield high inelastic deformations in a strain-hardening phase due to the successive formation of multiple fine cracks. Such cracking behavior stands for high energy absorption of the composites when exposed to extreme loading, without abrupt loss of load-bearing capacity. In comparative terms, SHCC shows superior strain capacity, while TRC yields considerably higher tensile strength. The addition of short fibers strengthens the matrix by efficiently restraining the micro-cracks’ growth and reducing spallation, while the textile reinforcement ensures a secure confinement of the reinforced concrete element (substrate to be strengthened), as well as a favorable stress distribution. The combination of SHCC and textile reinforcement is expected to deliver high tensile strength and stiffness in the strain-hardening stage along with pronounced multiple cracking. In order to achieve a favorable synergetic effect, a purposeful material design is required based on a clear understanding of the mechanical interactions in the composites. In the framework of the DFG Research Training Group GRK 2250, which aims at enhancing structural impact safety through thin strengthening layers made of high-performance mineral-based composites, this work focuses on developing hybrid fiber-reinforced cementitious materials to be applied on the impact rear side. The development concept builds upon a systematic investigation of various aspects of the mechanical behaviors of SHCC and textile at quasi-static and impact strain rates, including the bond properties of fiber to matrix and textile to matrix. Accordingly, uniaxial quasi-static tension tests were first performed on SHCC, bare textile, and hybrid-reinforced composite specimens. The parameters under investigation were types of short fiber and textile reinforcements, reinforcing the ratio for textile as well as bond properties between textile and the surrounding SHCC. Furthermore, impact tension tests were performed to study the strain rate effect on the synergetic composite response. Finally, single-yarn pull-out tests were carried out under both quasi-static and impact loading rates to supplement the comparative assessment of the hybrid fiber-reinforced composites. These tests yielded shear strength-related parameters for quantifying the bond properties of different materials, which were then used as input of the analytical model developed to describe the mechanics of crack propagation and tension stiffening effect of textile-reinforced composites without short fibers. This model is the first step towards a comprehensive analytical description of the tensile behavior of hybrid fiber-reinforced composites based on the experimental data and input parameters attained through the work at hand.

Concrete is undoubtedly the most important construction material, with widespread applications worldwide. Despite its many advantages, however, concrete exhibits low tensile strength and tends toward brittle failure. The most promising approach for improvement of its tensile properties is the addition of fibres. By addition of only one or two percent of high-performance polymer fibres to a cementitious matrix, strain-hardening can be developed under uniaxial tensile loading. Such materials yield multiple cracking and permit large inelastic deformation in a hardening regime, for which they are usually called Strain-Hardening Cement-based Composites (SHCC). However, the behaviour of SHCC depends on loading conditions, where the most critical case is cyclic loading in tension-compression regimes, in which the ductile properties of the composite can be lost after only several hundred cycles due to degradation of the fibre bridging capacity. The thesis at hand presents the results of experimental investigations into the crack-bridging behaviour of polymer fibres in SHCC subject to alternating tension-compression loading regimes. The investigations covered monotonic loading as well. The experimental programme included fibre tension tests; single-sided, single fibre pull-out tests; double-sided, single and multiple fibre pull-out tests; and microscopic analysis of the specimens after testing. The bridging and pull-out behaviour of single PVA fibres embedded in cement-based matrices were comprehensively characterised and described by a new model. The Locking Front Model explains different interaction phenomena between fibre and matrix after full de-bonding. Furthermore, the interaction and damage mechanisms under cyclic loading were understood. The damage types depend on various parameters such as fibre inclination angle to the crack plane. Above all, however, the deterioration of bridging capacity results from the damage of the fibres between the crack faces in alternating tension-compression regime. The severity of damage is mostly determined by the number of cycles, compressive stress level, and crack width. The results of the experimental investigations at the micro- and meso-levels were analysed further to establish a multi-scale approach for describing the behaviour of a single crack in the composite. The Non-Simultaneity Hypothesis is proposed, which suggests that the crucial events of fibre bridging action may occur non-simultaneously with increasing crack opening displacement, and the bridging parameters may be reliably determined based on the overall behaviour of a group of specimens. Additionally, the Three-Stage Micromechanics-based Model is developed to describe the bridging behaviour of the fibres with different embedded lengths. The parameters of the model were obtained according to the overall bridging behaviour and the Non-Simultaneity Hypothesis. The parameters were validated by comparing prediction with experiment and observation of bridging behaviour in the tests with varied embedded lengths and multiple fibres. In the framework of the novel concept Criterion-Dependent Reference Volume (CDRV), the effective volume fractions of the fibres assuming non-uniform distribution of the fibres were determined over the length of a hypothetical specimen. The behaviour of a single crack was then predicted at the composite level and compared to the equivalent experimental results. The whole multi-scale approach manifests a considerable capability for analysing the behaviour of Fibre-Reinforced, Cement-based Composite (FRCC). Finally, the concept of Representative Continuum with Predetermined Cracking Sequence (RCPCS) is briefly explained for describing the stress-strain behaviour of SHCC in further development of the multi-scale approach. / Beton ist weltweit mit seinen vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zweifelsohne der wichtigste Baustoff. Trotz der vielen Vorteile weist der Beton eine niedrige Zugfestigkeit und ein sprödes Versagen auf. Eine vielversprechende Methode zur Verbesserung dieser stellt seine Bewehrung mit Kurzfasern dar. Mit lediglich ein oder zwei Volumengehalt Prozent von Hochleistungspolymerfasern könnte das Dehnungs-Verfestigungsverhalten (engl.: Strain-hardening behaviour) unter einachsiger Zugbelastung erreicht werden. Allerdings ist das Verhalten des SHCC (engl.: Strain-Hardening Cementitious Composite) abhängig von dem Belastungsregime. Am kritischsten ist das zyklische Zug-Druck-Wechselbelastungsregime, denn dadurch wird kein duktiles Verhalten nach nur mehreren hundert Zyklen möglich sein, weil eine starke Degradation des Faserüberbrückungsvermögens stattfindet. Diese Dissertation beschreibt die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen des Überbrückungsverhaltens der Polymerfasern in SHCC mit dem Schwerpunkt Zug-Druck-Wechselbelastung. Außerdem umfassen die Untersuchungen monotone Belastung. Das experimentelle Programm enthält Faserzugversuche, einseitige- und zweiseitige Einzelfaserauszugsversuche sowie mikroskopische Analysen an den Probekörpern nach den Experimenten. Das Überbrückungs- und Auszugsverhalten der einzelnen PVA-Faser eingebettet in einer zementbasierten Matrix wurden ausführlich charakterisiert und mit einem neuen Modell beschrieben. Das „Locking Front Model“ erläutert spezifische Phänomene des Zusammenspiels der PVA-Faser und Matrix nach der vollen Ablösung. Zusätzlich wurden die Mechanismen der Zusammenwirkung und Schädigungen unter zyklischer Belastung dargestellt. Die Schädigungsarten sind abhängig von den verschiedenen Parametern wie z. B. Faserwinkel zur Rissebene. Vor allem resultierte die Verschlechterung der Überbrückungseigenschaften aus den Schädigungen der Faser zwischen den Rissebenen im Zug-Druck-Wechselbelastungsregime. Die Intensität der Schädigungen ist meistens mit Zyklenanzahl, zyklischer Druckbelastung und Rissbreiten korreliert. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen auf der Mikro- sowie Mesoebene wurden weiter ausgewertet, um einen Multiskalenansatz zur Bestimmung des Verhaltens eines einzelnen Risses im Werkstoff zu schaffen. Die „Non-Simultaneity Hypothese“ wurde vorgeschlagen, welche aussagt, den entscheidenden Vorgänge des Überbrückungsverhaltens der Fasern möglicherweise nicht gleichzeitig bei Vergrößerung der Rissöffnung auftreten. Deswegen sollten die Überbrückungsparameter am besten basierend auf dem allgemeinen Verhalten von vielen Proben in einer Gruppe bestimmt werden. Außerdem wurde das „Three-Stage Model“ zur Bestimmung des Überbrückungsverhaltens der Fasern mit verschiedenen Einbettungslängen entwickelt. Die Parameter des Modells wurden basierend auf dem allgemeinen Überbrückungsverhalten und der „Non-Simultaneity Hypothese“ bestimmt. Dann werden diese Parameter mit dem Überbrückungsverhalten anderer Einbettungslängen oder multipellen Fasern validiert. Im Rahmen des neuen Konzeptes, „Criterion-Dependent Reference Volume (CDRV)“, werden der effektive Volumenanteil der Faser in der Länge einer hypothetischen Probe aus Faserbeton mit ungleichmäßiger Faserverteilung bestimmt. Das Verhalten eines einzelnen Risses wird dann auf der Werkstoffebene bestimmt und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Der gesamte Multiskalenansatz manifestiert wesentliche Fähigkeit zur Analyse des Verhaltens von Faserbeton. Schließlich wird ein neues Konzept, „Representative Continuum with Predetermined Cracking Sequence (RCPCS)“, zur Bestimmung der Spannungs-Dehnungsbeziehung des hochduktilen Betons (SHCC) als zukünftige Entwicklungsmöglichkeit des vorliegenden Multiskalenansatzes kurz vorgestellt.

A mechanical testing device was developed for testing the behavior of mineral-bonded composites under impact shear loading. The device is based on the well-known double shear specimen configuration and was designed to be used in a gravity split-Hopkinson tension bar (SHTB), enabling shear testing at high loading rates. In this work, results from impact shear testing performed on a normal cementitious matrix (NSM) and strain-hardening cement-based composites (SHCC) tested by means of the new device are presented and discussed. Failure behavior and fracture modes are analyzed using optical measurements and digital image correlation (DIC).

Aufgrund seines hervorragenden Verhaltens gegenüber verschiedenen Beanspruchungen ist hochduktiler Beton (engl.: Strain-hardening cement-based composite, SHCC) ein vielversprechender Baustoff für eine Vielzahl an Anwendungen unter statischen, stoßartigen und zyklischen Belastungen. Für einen sicheren Materialeinsatz ist ein tieferes Verständnis des zyklischen Verhaltens erforderlich. Dazu wurden zyklische Belastungsversuche an hochfestem SHCC mit Polyethylen (PE)- Fasern unter Variation des Belastungsregimes durchgeführt. Anhand der Versuche und der morphologischen Analysen konnte gezeigt werden, dass PE-SHCC eine große Sensitivität gegenüber der Variation der mechanischen Einwirkung zeigt.

Sehr viele Infrastrukturbauwerke haben bereits eine hohe Nutzungsdauer hinter sich und müssen instandgesetzt oder neu errichtet werden. Im Zuge der aktuellen Bestrebungen, mit möglichst geringen Materialeinsätzen die notwendige Bauwerkssicherheit zu erzeugen, rücken dünne Instandsetzungsschichten immer häufiger in den Fokus der Planenden. Aufgrund fehlender Beispielbauten und Umsetzungsrichtlinien werden solche Lösungen jedoch oft nicht ausgeführt. Im hier vorgestellten Beispiel wird anhand einer über 100 Jahre alten Schleuse die Möglichkeit einer Sanierung mit dünnen Schichten aus hochduktilem Beton (engl.: strain-hardening cement-based composites, SHCC) und Textilbeton (engl.: textile reinforced concrete, TRC) vorgestellt sowie Ergebnisse aus dem nunmehr dreijährigen Bauwerksmonitoring dargelegt.

[pt] entendimento do macro comportamento dos materiais, este trabalho apresenta soluções inovadoras para a análise de imagens 3D obtidas por microtomografia computadorizada de raios-X (microCT). O material estudado conhecido pelo termo em inglês “strain-hardening cement-based composites” ou pela abreviação SHCC é um compósito cimentício reforçado com fibras que atinge deformações significativas através da formação de múltiplas fissuras, estabelecendo um material cimentício com característica pseudo-dúctil. O primeiro desafio deste trabalho foi reconhecer e quantificar as fases constituintes nas imagens 3D de SHCC obtidas por microCT. Materiais com estruturas complexas podem apresentar imagens em que as fases internas não podem ser distinguidas pela técnica de limiarização clássica, exigindo o uso de outra técnica como a segmentação por Deep Learning (DL). Portanto, este trabalho utilizou DL como solução para esta tarefa. Desta forma, as características de cada fases puderam ser correlacionadas ao comportamento mecânico macro do material em ensaios de microCT in-situ. Outro método moderno de análise de imagens 3D utilizado foi a correlação digital de volume (em inglês, digital volume correlation - DVC). O DVC é uma técnica que estima o campo de deformação sobre todo o volume da amostra, correlacionando as imagens 3D nos estados descarregado e carregado. Assim, as imagens obtidas nos ensaios de tração e compressão in-situ puderam ter seus deslocamentos internos medidos e deformações calculadas. Em síntese, este trabalho trouxe avanços ao campo do processamento digital e análise de imagens 3D, aplicadas a materiais cimentícios, mas que também podem se adaptar à análise de diversos materiais. / [en] Considering the importance of micro and mesoscale analyses to understand the macro behavior of materials, this work brings innovative solutions for analyzing 3D images obtained by X-ray micro-computed tomography (microCT). The studied material was the strain-hardening cement-based composites (SHCC), a fiber reinforced cementitious composite that achieves significant deformations through multiple cracks formation, resulting in a cementitious material with pseudo ductile features. The first challenge of this work was to recognize and quantify the constituent phases in the 3D images of SHCC obtained by microCT. Materials with complex structures may present images in which the internal phases cannot be distinguished by the classical thresholding technique, requiring the use of another technique such as segmentation by Deep Learning (DL). Therefore, this work used DL as a solution for this task. Then, the features of each phase could be correlated to the macro mechanical behavior of the material in in-situ microCT tests. Another modern method for analyzing 3D images used was the digital volume correlation (DVC). DVC is a technique that estimates full-field strain in 3D over the entire volume of the specimen by correlating imaging volumes of the specimen in unloaded and loaded states. Thus, the images obtained from tensile and compression in-situ tests could have their internal displacements measured and strain calculated. In summary, this work brought advances to the 3D image processing and analysis field, applied to cementitious materials, but which could also adapt for the analysis of various materials.

Sanicro 28 and Alloy 625 are corrosion-resistant nickel alloys with a fully austenitic structure and a very low carbon content, which means they are both well suited for cold working. Since the millennium shift deformation twinning has been a live research issue as it enhances strength and ductility simultaneously. As nickel has been pointed out as a high stacking fault energy element and deformation twinning should be promoted by a low stacking fault energy level they have been considered as opposite poles. Nonetheless, it is known since long that deformation twins can emerge in high stacking fault face centred cubic elements at low temperatures. In this thesis, we have investigated deformation twinning behaviour in corrosion-resistant nickel alloys. The objective is trying to distinguish between deformation twinning in TWIP steel and corrosion resistant nickel alloys regarding for instance size and bundles. Interrupted uniaxial tensile tests have been performed at several cold working temperatures for the alloys: Sanicro 28 (31% nickel) and Alloy 625 (61% nickel). The microstructure has been characterized in homogeneous deformation volume, by scanning electron microscopy electron backscattering diffraction and electron channelling contrast imaging, transmission electron microscopy and X-ray diffraction. In one investigation fracture behaviour has also been studied with secondary electrons. Ab initio calculations, crystal plasticity modelling and DAMASK simulations have been performed to support emphasizing active deformation mechanisms. It has been revealed that deformation twinning can occur in high Ni alloys. With increasing deformation twinning levels, the diffuse necking decreases. Ab initio calculations indicates that the initiation of deformation twins cannot be determined solely by the stacking fault energy. Distinct features were discovered at low strains that could be rejected from being neither deformation twins nor stacking faults. Level of texture increases with increasing strain and decreasing temperature and the texture modes are changed with decreasing temperature. / Sanicro 28 och Alloy 625 är två legeringar med ett imponerande korrosionsmotstånd, ett lågt kolinnehåll och en helaustenitisk struktur. Det gör dem väl lämpade för kallbearbetning. Sedan millenieskiftet har aktivten varit mycket hög inom forskningsområdet: deformationstvillingar. TWIP (twinning induced plasticity)-effekten har den så eftertraktade egenskapen att både styrkan och duktiliteten förbättras på samma gång. Eftersom nickel har en hög staplingsfelsenergi och TWIP-effekten har uppmätts/beräknats till att aktiveras vid ett snävt och lågt värde, för densamma, har ett ökande nickelinnehåll och TWIP-effekten setts som direkta motpoler. Trots det, har man länge vetat om att deformationstvillingar också framträder, om än, vid låga temperaturer, i legeringar med kubiskt ytcentrerat gitter och hög staplingsfelsenergi. I den här avhandlingen har vi undersökt hur deformationstvillingar utvecklas, om de ens kan bildas i korrosionsbeständiga legeringar med ett högt nickelinnehåll. Målet är att se om det finns några större skillnader i tvillingbeteendet i TWIP-stål i jämförelse med korrosionsbeständiga legeringar med ett högt nickelinnehåll. Några egenskaper vi har tänkt att undersöka är: tjocklek på tvillingarna och om tvillingarna bildas i grupper. Vi hoppas på så sätt kunna svara på den övergripande forskningsfrågan: är det möjligt att designa ett rostfritt TWIP-stål, baserat på det vanligaste legeringssystemet för rostfria austenitiska stål, nämligen: järn-krom-nickel? Enaxliga dragprov har genomförts vid flera kallbearbetningstemperatuer; de har utförts både till brott och till förutbestämda töjningsnivåer. Legeringarna som har testats är: Sanicro 28 (31% nickel) och Alloy 625 (61% nickel). Mikrostrukturen har framför allt karakteriserats i material uttaget från volym där deformationen har varit homogen. De analysmetoder som har använts är: svepelektronmikroskopi, mer specifikt: ”electron backscatter diffraction” och ”electron channelling contrast imaging”. Transmissionselektronmikroskop och röntgendiffraktion har också använts. I en undersökning har också brottbeteende studerats med hjälp av "secondary electrons". Ab initioberäkningar, modellering av kristallplasticitet och materialbeteende med hjälp av DAMASK har också utförts för att kunna se vilka deformationsmekanismer som är aktiva. Vi upptäckte att deformationstvillingar faktiskt kan bildas i korrosionsbeständiga legeringar med ett högt nickelinnehåll. Den diffusa midjebildningen minskar på samma gång som andelelen deformationstvillingar ökar. Ab initioberäkningarnas resultat indikerar också på att deformationstvillingarnas inträde inte enbart kan bestämmas med staplingsfelsenergin. Tydliga mikrostrukturmönster upptäcktes med hjälp av transmissionsmiroskop och vid låga töjningsnivåer. De mikrostrukturmönstren kunde avfärdas från att vara både deformationstvillingar och staplingsfel. Texturnivån ökar med ökande töjningsnivå och sjunkande temperatur. Typen av textur förändras också med sjunkande temperatur. / <p>Funding agency: Tube division, Alleima AB</p>