Specified topic of the thesis is a multilevel evaluation of brittleness of selected building composites. The work deals with the opinions of fracture parameters of test specimens of lightweight and ordinary concrete. Specimens further differed fibres content in concrete mixtures, their type and length. The work is divided into two parts, theoretical and practical. The theoretical part conceives composite materials and introduction to fracture mechanics. The practical part describes the different steps for fracture-mechanical parameters evaluation using StiCrack and Excel Visual Basic software. The main part of the work is to evaluate the brittleness of different test specimens, taking into account the type of concrete mix and type of fibres.

Cílem této diplomové práce je lépe porozumět konceptu únavového poškození damage tolerance zmapováním všech možných vlivů na lomovou houževnatost vláknového kompozitu s polymerní matricí. Toho je dosaženo provedením zkoušek za různých podmínek (např. změna parametrů měření, mód zatížení, pořadí vrstev a materiál) a monitorováním odlišností v šíření trhliny. Na základě dat získaných během těchto testů je určena lomová houževnatost. Potenciální rozdíly jsou zkonzultovány a porovnány s ostatními vzorky.

Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung und Implementierung eines nichtlokalen duktilen Schädigungsmodells, die Anwendung von Verfahren zur Bestimmung von Materialparametern aus Versuchsdaten sowie die Berechnung von bruchmechanischen Kennwerten im spröd-duktilen Übergangsbereich durch die numerische Simulation von Bruchmechanikversuchen unter Verwendung der ermittelten Parameter. Das entwickelte nichtlokale duktile Schädigungsmodell basiert auf dem Modell nach Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). Durch die Einführung eines zusätzlichen Längenparameters mittels einer impliziten Gradientenformulierung wird die Netzabhängigkeit des GTN-Modells eliminiert. Zur Lösung des nunmehr gekoppelten Feldproblems wird das nichtlokale Schädigungsmodell in Form eines benutzerdefinierten Elements in ein Finite-Elemente-Programm implementiert. Zur Parameterbestimmung werden Kraft-Verschiebungs-Kurven des Small-Punch-Tests (SPT), einem Kleinstprobenversuch, ausgewertet. Aufgrund des sehr geringen Materialbedarfs für die Herstellung der benötigten SPT-Proben werden Rest- bzw. Bruchstücke von Charpy-Tests weiterverwendet. Es werden zwei ferritische Reaktorstähle im bestrahlten und unbestrahlten Zustand untersucht. Die Versuchsreihen decken den vollständigen Bereich der Zähigkeit beider Stähle ab. Die Bestimmung von Bruchzähigkeiten erfolgt nach dem Konzept des Local Approach allein durch numerische Berechnung des Spannungs- und Verformungszustandes in Bruchmechanikproben. Hierbei werden die zuvor aus dem SPT bestimmten Fließkurven und Schädigungsparameter verwendet. Die berechneten Bruchzähigkeiten werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen. / This work comprises the development and implementation of a non-local ductile damage model, the application of methods for the identification of material parameters from experimental data as well as the calculation of fracture mechanics parameters in the brittle-ductile transition zone through numerical simulations of fracture mechanical tests using the identified parameters. The developed non-local ductile damage model is based on the Gurson-Tvergaard-Needleman model (GTN). The pathological mesh sensitivity of the GTN model is eliminated by introducing an additional length parameter by means of an implicit gradient formulation. To solve the coupled field problem, the non-local damage model is implemented in a finite element program in the form of a userdefined element. Force-displacement-curves of the small punch test (SPT), a miniaturised test, are evaluated for the determination of material parameters. Given the modest material requirements for the preparation of the required samples remnants of Charpy-specimens are reused. Two ferritic reactor steels, both irradiated and unirradiated, are examined. The experiments cover the full brittle-ductile transition region of the steels. Following the concept of the Local Approach, fracture toughness values are determined by numerical calculation of the stress and deformation state in fracture mechanics specimen only. Here, the yield curves and damage parameters previously determined from the SPT are used. The calculated fracture toughness values are compared with experimental results.

The presented work documents the influence of Voronoi block size and shape as well as internal mesh size on the calibrated fracture toughness KIC. It is documented that Voronoi based procedures have an inevitable error of up to ± 30%. On the other hand, this approach is able to reproduce complex fracture pattern in a realistic manner with reasonable computational power. The work propose a KIC calibration procedure and documents based on the comparison with lab tests, that crack propagation, fracture pattern as well as stress-strain behavior of brittle solids can be duplicated by calibrated Voronoi based DEM simulations. The thesis also documents a swelling law for the DEM code UDEC including parameter determination and validation on lab tests with swelling cement. Finally, calibrated concrete models with one or two holes under different boundary conditions are used to predict swelling induced cracking. Numerical predictions were compared with corresponding lab tests and showed satisfying results.

Die Wirkung nichtmetallischer Einschlüsse auf das temperatur- und beanspruchungsratenabhängige Festigkeits-, Verformungs- und Zähigkeitsverhalten des Stahls G42CrMo4 wird erforscht. Die im Rahmen des SFB 920 entwickelten Filter mit funktionalisierter Oberfläche dienten der Reinigung einer vorher bewusst verunreinigten Stahlschmelze. Diese Stähle werden mit kommerziell verfügbaren Stählen verglichen. Das Festigkeits- und Verformungsverhalten wird durch bekannte Modelle beschrieben, um das Zähigkeitsverhalten zu analysieren. Die Messung der bei schlagartiger Beanspruchung und tiefer Temperatur geringeren Zähigkeit erfolgt durch methodisch weiter- und neuentwickelte Versuchsaufbauten. Die geringere Zähigkeit der Stähle, die im Rahmen des SFB 920 hergestellt wurden, wird auf den höheren Einschlussanteil zurückgeführt. Das Zähigkeitsverhalten wird durch ein neues Modell beschrieben, das die fraktographisch ermittelte Einschlussverteilung einbezieht.

In der vorliegenden Arbeit wurden bruch- und schädigungsmechanische Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe, welche im Rahmen des SFB 920 entwickelt und erforscht werden, bestimmt. Es wurden zwei verschiedene Werkstoffsysteme - Aluminiumoxid und kohlenstoffgebundenes Alumniumoxid - mit entwickelten Miniaturprüfmethoden bei Prüftemperaturen bis 1500°C untersucht. Mit Hilfe des Ball-On-Three-Balls-Tests (B3B) wurde die biaxiale Festigkeit in Abhängigkeit der Prüftemperatur bestimmt. Für die kohlenstoffgebundenen Proben wurde weiterhin der Einfluss der Verkokungstemperatur als auch des Kohlenstoffgehalts auf die Festigkeit untersucht. Es konnte ein Festigkeitsmaximum ermittelt werden, wenn die Prüftemperatur der Verkokungstemperatur entspricht. Die schädigungsmechanischen Materialparameter des duktilen Verformungs- und Versagensverhalten beider Werkstoffe bei 1500°C wurden mit Hilfe von numerischen Simulationen des B3B identifiziert. Die Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte erfolgte mit einem Vier-Punkt-Biegeversuchsaufbaus mit Chevron-gekerbten Proben (CNB-Versuch). Numerische Untersuchungen dienten zur Bestätigung der Versuchsergebnisse und Bestimmung der Form der Rissfront sowie Risswachstum während des Versuches. / In the present work, fracture and damage mechanical properties of ceramic filter materials, which are developed and investigated within the framework of the CRC 920, are determined. Two different material systems - alumina and carbon-bonded alumina - are investigated using miniaturized test methods at temperatures up to 1500°C. The biaxial strength at different temperatures is determined using the Ball-On-Three-Balls-Test (B3B). The strength of carbon-bonded specimens is dependent on the coking temperature and the carbon content. A maximum strength can be obtained if the testing temperature equals the coking temperature. The damage-mechanical material parameters in order to describe the ductile deformation and failure behaviour of both materials at 1500°C are identified with the help of numerical simulations. The determination of fracture-mechanical properties are carried out with a four-point bending test setup with chevron-notched specimens (CNB). Numerical investigations are used to validate the test results and to simulate the shape of the crack front and crack growth during the experiment.

Les structures aéronautiques font de plus en plus appel aux matériaux composites pour alléger les structures dans le but d’améliorer leurs performances et de limiter la consommation de carburant. Les composites à matrice organiques représentent aujourd’hui plus de 50% de la structure des avions civils de dernière génération (A350 et B787). Les matériaux utilisés sont essentiellement des composites à matrice époxy avec des températures d’utilisation en service continu pour de longues durées ne dépassant pas 110°C. Continuer à augmenter cette part de matériaux composites passe par leur introduction dans des zones plus chaudes, proches des réacteurs ou des turbines. Les matériaux composites à matrice bismaléimides sont compatibles avec des températures d’application d’au moins 200°C, mais sont très sensibles aux impacts et présentent une fragilité beaucoup trop importante pour des pièces de structure. Les composites à matrice époxy ont fait l’objet de développements pour améliorer ces propriétés, en incorporant dans les formulations des thermoplastiques solubles et insolubles qui ont pour effet de freiner la propagation des délaminages induits par des impacts. En s’inspirant des méthodologies et des connaissances acquises sur les formulations époxys, l’objectif de ces travaux est de développer des systèmes réactifs de type bismaléimide à propriétés optimisées et d’identifier les paramètres clé pour y parvenir. / Aeronautics use more and more composite materials to reduce structures weight, in order to improve performance and to limit fuel consumption. Polymer matrix composite materials represent today more than 50% of last generation civil aircrafts structure (A350, B787). Most of thermoset matrices are epoxies with service temperatures below 110°C for long time services. To further optimize the composite part ratio, it is now necessary to use those materials in structural parts exposed to higher temperatures, for instance, near engines. Among high performance thermoset matrices, bismaleimides offer potential in service temperature up to at least 200°C, but their brittleness makes them non-suitable for structural applications. Epoxy-based composite materials have gone through improvements, increasing their toughness by mixing with soluble and non-soluble thermoplastics to hold in delamination crack propagation. Starting with methods and knowledge from epoxies toughening strategies, this work is dedicated to develop toughened bismaleimide systems and to identify relevant parameters to reach this aim.

The study deals with mechanical characteristic of heterogeneous weld joint. The low carbon steel 22K and austenitic steel have been used as a experimetnal materials. The low carbon steel has special properties in basic condition. The sample has been evaluated in basic condition and after annealation. There have been evaluated impact of annealation proces to structure and mechanical charakteristics in experimental part of study. The particularised analysis of microstructure has been done by pictorial analysis. Mechanical characteristics has been examinated in both conditions by 2 different methods – measurment of microhardness according to Vickers and test of fracture toughness on compact tension specimens.

The master thesis is focussed on evaluation of mechanical properties and fracture behaviour of basic materials and weld joints of a water turbine supply pipe. The results of tensile tests, fracture toughness tests, hardness and micro-hardness tests and further chemical and metallography analysis are used for operating degradation level evaluation of the construction material and also for a residual operating recognition of the second, identical specimen of supply pipe.

The strive for lower fuel consumption and downsizing in the automotive industry has led to the use of alternative high performance materials, such as fibre composites. Designing chassis components with composite materials require accurate simulation models in order to capture the behaviour in car crashes. By simplifying the development process of a B-pillar with a new dynamic test method, composite material products could reach the market faster. The setup has to predict a cars side impact crash performance by only testing the B-pillar in a component based environment. The new dynamic test method with more realistic behaviour gives a better estimation of how the B-pillar, and therefore the car, will perform in a full-scale car side impact test. With the new improved tool for the development process, the search for a lighter product with better crash worthiness is done by optimising a steel carbon fibre hybrid structure in the B-pillar. The optimisation includes different carbon fibre materials, composite laminate lay-up and stiffness analysis. By upgrading simulation models with new material and adhesive representation physical prototypes could be built to verify the results. Finally the manufactured steel carbon fibre hybrid B-pillar prototypes were tested in the developed dynamic test method for a comparison to the steel B-pillar. The hybrid B-pillars perform better than the reference steel B-pillar in the dynamic tests also being considerably lighter. As a final result a hybrid B-pillar is developed that will decrease fuel consumption and meet the requirements of any standardized side impact crash test. / Strävan efter lägre bränsleförbrukning och minimalistiskt tänkande inom bilindustrin har lett till användning av alternativa högpresterande material, såsom fiberkompositer. Vid design av chassi-komponenter utav kompositer krävs noggranna simuleringsmodeller för att fånga upp bilens beteende vid en krock. Genom att förenkla utvecklingsprocessen för en B-stolpe med en ny dynamisk testmetod kan produkter bestående av fiberkompositer nå marknaden snabbare. Provuppställningen skall förutse bilens prestanda vid ett sidokrocktest genom att endast testa B-stolpen i en komponentbaserad miljö. Den nya dynamiska testmetoden med ett mer realistiskt beteende skall ge en bättre uppskattning om hur B-stolpen, och därmed bilen, kommer att prestera i ett fullskaligt sidokrocktest. Med utvecklingsprocessens nya förbättrade verktyg kan strävan mot lättare produkter med bättre krocksäkerhet utvecklas genom optimering av en hybrid B-stolpe i stål och kolfiber. Optimeringen innefattar olika kolfibermaterial, laminatvarianter och styvhetsanalyser. Genom att uppgradera simuleringsmodeller med nya material och adhesiva metoder kunde fysiska prototyper tillverkas för att verifiera resultaten. Slutligen testades de tillverkade prototyperna utav stål och kolfiber i den nyutvecklade dynamiska testmetoden för jämförelse mot den ursprungliga stål B-stolpen. Hybrid B-stolparna presterade bättre än referensstolpen utav stål i de dynamiska provningarna och är samtidigt betydligt lättare. Det slutgiltigt resultatet är en utvecklad hybrid B-stolpe som både ger minskad bränsleförbrukningen och uppfyller kraven för ett standardiserat sidokrocktest.