Le but de ce travail de thèse est de mieux comprendre les mécanismes de déformation à température ambiante dans les alliages de titane bêta-métastable Ti17 et Ti5553. Les microstructures étudiées sont composées de grains bêta transformé, dans lesquels la phase alpha peut précipiter, selon les relations de Burgers, sous la forme de douze variants différents. Une approche multi-échelles est donc préconisée avec trois niveaux représentatifs: macroscopique, mésoscopique (ex-grains bêta), et microscopique (variants alpha et matrice bêta de chaque grain). Différents modèles à champs moyens sont adaptés pour reproduire le comportement mécanique du Ti17 et du Ti5553. Ces modèles impliquent deux transitions d'échelle, et sont basés sur l'homogénéisation des comportements locaux, avec plusieurs manières de représenter les interactions intergranulaires. Les relations entre microstructures et propriétés mécaniques sont également considérées. Les modèles les plus complexes développés dans cette étude vont permettre de simuler l'anisotropie élastique et l'écoulement visqueux de chaque variant alpha (hcp) et de chaque matrice bêta (bcc), en employant la plasticité cristalline avec des écrouissages de type cinématique et isotrope. L'identification des paramètres matériaux est faite à partir d'une vaste base de données expérimentale provenant du projet PROMITI. Pour comprendre le rôle de chaque phase dans le processus de déformation, un calcul EF a également été fait afin de reproduire l'essai de traction sur une très fine éprouvette plate. Dans cette étude, le niveau mésoscopique est explicitement représenté en reprenant fidèlement la géométrie et l'orientation cristallographique de chaque grain bêta transformé. Des comparaisons entre expérience et simulation sont faites à l'échelle macroscopique pour les courbes contrainte - déformation, ainsi qu'au niveau mésoscopique, en considérant les champs de déplacement hors-plan et les champs de déformation. / The purpose of this PhD work is to investigate deformation mechanisms at room temperature in beta-metastable titanium alloys Ti17 and Ti5553. Studied microstructures are composed of beta-grains, in which alpha phase can precipitate under twelve different variants according to Burgers relationship. A multiscale approach is then proposed with three levels to consider: macroscopic, mesoscopic (prior beta grains) and microscopic (alpha variants and beta matrix of each grain). Different mean field models are adapted to depict Ti17 and Ti5553 mechanical behaviors. These models are based on the two scale-transition homogenization of local behaviors, with various ways of representing intergranular interactions. Relationships between microstructures and mechanical properties are also considered. The most advanced micromechanical models developed in this work depict elastic anisotropy and viscoplastic flow of each hcp alpha variant and each bcc beta matrix, using crystal plasticity with kinematic and isotropic hardening. Identification of material parameters is done using a large experimental database from PROMITI project. To understand the role of each phase in the deformation process, a FE computation was also made to reproduce the uniaxial tensile test of a very thick micro-specimen. In this study, the mesoscopic scale is explicitly represented: each beta grain has a real geometry and crystallographic orientation, according to a measured EBSD map in SEM. Comparisons between experiment and the numerical simulation are made on macroscopic stress - strain curves as well as on the mesoscopic scale, by considering out-of-plane displacement and strain fields.

Si un métal est soumis à un chargement cyclique autour d'une contrainte moyenne non nulle, de la déformation plastique peut s'accumuler au cours des cycles, généralement dans la direction de la contrainte moyenne : c'est le phénomène de déformation progressive ou phénomène dit de rochet.<br />Le contexte de cette thèse était l'amélioration de la description de ce phénomène dans les structures métalliques. Pour cela, nous avons choisi d'axer nos efforts sur les modèles macroscopiques phénoménologiques qui décrivent le comportement de matériaux dans des calculs de structure.<br />Comme cela était suggéré dans plusieurs articles récents, une voie d'amélioration de ces modèles était de prendre en compte la distorsion du domaine d'élasticité, phénomène maintes fois observé expérimentalement, mais jusqu'alors négligé par soucis de simplicité. Pour introduire convenablement ce nouvel ingrédient dans la modélisation, nous nous sommes appuyés sur un dialogue entre un modèle micro-macro d'une part (plus pertinent mais aussi plus coûteux en temps de calcul) et le modèle macroscopique à construire d'autre part. Nous avons sû tirer profit des informations données par le modèle micro-macro pour constuire un modèle macroscopique capable de décrire à la fois le phénomène de rochet multiaxial et la distorsion du domaine d'élasticité prévus par le modèle micro-macro, et ce sur une large base d'"essais virtuels". Ensuite, le modèle développé a été identifié et validé avec succès sur plusieurs résultats d'essais complexes obtenus sur un élément de volume d'un matériau réel. Une validation finale du modèle sur un essai non-homogène (de structure) est en cours d'étude.

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.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von mechanischen, elektronenmikroskopischen und rasterkraft-mikroskopischen Untersuchungen an mittelorientierten Nickeleinkristallen dargestellt, die bei 77 K bis in den Bereich der Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften zyklisch verformt worden sind. Im Zentrum des Interesses steht neben der Analyse der stabilisierten Versetzungsstruktur auf makroskopischer, mesoskopischer und mikroskopischer Maßstabsskala das Studium der Gleitlokalisationsphänomene bei tiefen Temperaturen. Nach Verformung bei 77 K ergibt sich sowohl hinsichtlich des mechanischen Verhaltens und der Oberflächengleiterscheinungen als auch bezüglich der Versetzungsanordnungen auf mesoskopischem Strukturniveau (Strukturlängen in der Größenordnung 1 µm) prinzipiell ein ähnliches Erscheinungsbild wie bei höheren Verformungstemperaturen: Die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve ist in drei Bereiche gegliedert, sie weist ein Plateaugebiet auf; es treten Grobgleitspuren auf der Probenoberfläche auf, die eine Lokalisation der Gleitung anzeigen; es kommt zur Ausbildung einer mesoskopisch heterogenen Versetzungsstruktur. Die Tendenz, daß mit sinkender Verformungstemperatur die Strukturlängen auf den unterschiedlichen Maßstabsniveaus kleiner werden, setzt sich bei der Wechselplastizierung bei 77 K fort. Die detaillierten quantitativen Untersuchungen zur Gleitlokalisation bei 77 K haben zu neuen Erkenntnissen geführt, deren Konsequenzen nicht nur die zyklische Plastizität bei tiefen Temperaturen betreffen. Die Ergebnisse lassen sich in folgenden Punkten zusammenfassen: Nach Halbzyklusverformung existiert ein weites Spektrum von lokalen Abgleitamplituden, das von 0,5 % bis 30 % reicht; die mittlere plastische Dehnung der Gleitbänder ist intrinsisch; das aktive Gleitvolumen im Halbzyklus beträgt nur 30 % des Volumens, in dem Gleitlokalisation nach einer hinreichend großen Zyklenzahl beobachtet wird; die Abgleitung in den aktiven Gleitbändern liegt um ungefähr einen Faktor drei über der oberen Plateaugrenzdehnung der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Meßergebnisse zum aktiven Gleitvolumen führen zu dem Schluß, daß in den Gleitbändern zeitlich gestaffelt Phasen hoher und niedriger Gleitaktivität auftreten. Die Diskussion der experimentellen Befunde zeigt, daß die Kerngedanken des WINTER-Modells bezüglich der Eigenschaften der Gleitbänder gültig bleiben, wenn man die Aussagen des Modells auf das mittlere räumliche und mittlere zeitliche Verhalten der Gleitbänder bezieht. Anhaltspunkte für die physikalischen Ursachen der Existenz eines Abgleitungsspektrums ergeben sich zum einen aus einer Modifikation des phänomenologischen WINTER-Modells nach ZAISER und zum anderen durch die Annahme von Spektren des Verfestigungskoeffizienten und/oder der effektiven Spannung.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von mechanischen, elektronenmikroskopischen und rasterkraft-mikroskopischen Untersuchungen an mittelorientierten Nickeleinkristallen dargestellt, die bei 77 K bis in den Bereich der Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften zyklisch verformt worden sind. Im Zentrum des Interesses steht neben der Analyse der stabilisierten Versetzungsstruktur auf makroskopischer, mesoskopischer und mikroskopischer Maßstabsskala das Studium der Gleitlokalisationsphänomene bei tiefen Temperaturen. Nach Verformung bei 77 K ergibt sich sowohl hinsichtlich des mechanischen Verhaltens und der Oberflächengleiterscheinungen als auch bezüglich der Versetzungsanordnungen auf mesoskopischem Strukturniveau (Strukturlängen in der Größenordnung 1 µm) prinzipiell ein ähnliches Erscheinungsbild wie bei höheren Verformungstemperaturen: Die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve ist in drei Bereiche gegliedert, sie weist ein Plateaugebiet auf; es treten Grobgleitspuren auf der Probenoberfläche auf, die eine Lokalisation der Gleitung anzeigen; es kommt zur Ausbildung einer mesoskopisch heterogenen Versetzungsstruktur. Die Tendenz, daß mit sinkender Verformungstemperatur die Strukturlängen auf den unterschiedlichen Maßstabsniveaus kleiner werden, setzt sich bei der Wechselplastizierung bei 77 K fort. Die detaillierten quantitativen Untersuchungen zur Gleitlokalisation bei 77 K haben zu neuen Erkenntnissen geführt, deren Konsequenzen nicht nur die zyklische Plastizität bei tiefen Temperaturen betreffen. Die Ergebnisse lassen sich in folgenden Punkten zusammenfassen: Nach Halbzyklusverformung existiert ein weites Spektrum von lokalen Abgleitamplituden, das von 0,5 % bis 30 % reicht; die mittlere plastische Dehnung der Gleitbänder ist intrinsisch; das aktive Gleitvolumen im Halbzyklus beträgt nur 30 % des Volumens, in dem Gleitlokalisation nach einer hinreichend großen Zyklenzahl beobachtet wird; die Abgleitung in den aktiven Gleitbändern liegt um ungefähr einen Faktor drei über der oberen Plateaugrenzdehnung der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Meßergebnisse zum aktiven Gleitvolumen führen zu dem Schluß, daß in den Gleitbändern zeitlich gestaffelt Phasen hoher und niedriger Gleitaktivität auftreten. Die Diskussion der experimentellen Befunde zeigt, daß die Kerngedanken des WINTER-Modells bezüglich der Eigenschaften der Gleitbänder gültig bleiben, wenn man die Aussagen des Modells auf das mittlere räumliche und mittlere zeitliche Verhalten der Gleitbänder bezieht. Anhaltspunkte für die physikalischen Ursachen der Existenz eines Abgleitungsspektrums ergeben sich zum einen aus einer Modifikation des phänomenologischen WINTER-Modells nach ZAISER und zum anderen durch die Annahme von Spektren des Verfestigungskoeffizienten und/oder der effektiven Spannung.

This thesis is focused on fatigue behaviour of aluminium alloy 2024-T351 in low cycle and extremely low cycle fatigue regime. Test specimens were firstly subjected to quasi-static tensile and compression tests to establish basic mechanical properties of the experimental material. Fatigue tests were conducted in strain-control mode, when cyclic plastic response and S-N curves were determined. All of the experiments were conducted at room temperature. Shapes of mechanical hysteresis loops are dependent on the strain amplitude and clearly exhibit cyclic plasticity of the alloy. Cyclic deformation curve was fitted by power regression function and subsequently compared with the tensile test. Experimental data of the S-N curves were fitted by Manson-Coffin and Wöhler-Basquin law. The discrepancy of the fatigue data was observed in the extremely low cycle fatigue regime. Based on this phenomenon, new regression function was used to overcome shortening of fatigue life in the extremely low cycle regime.

Tato diplomová práce se zabývá posouzením tepelně-mechanické únavy výfukového potrubí. Nejprve byla provedena rešeršní studie, ve které je rozebrán fenomén tepelně-mechanické únavy. Byly prezentovány hlavní mechanismy poškození a přístupy k jejich modelování. Diskutována byla i specifická chování materiálu vystavenému tepelně-mechanickému zatěžování. Byl vypracován přehled vhodných modelů materiálu a modelů únavové životnosti společně s algoritmem predikce tepelně-mechanické únavy komponenty. Poté byl tento teoretický základ aplikován na praktický případ výfukového potrubí podléhajícího tepelně-mechanickému zatěžování. Dva tepelně závislé elasto-plastické modely materiálu byly nakalibrovány a validovány na základě experimentálních dat. Byl vytvořen diskretizovaný konečnoprvkový model sestavy výfukového potrubí. Model tepelných okrajových podmínek byl předepsán na základě výpočtů ustáleného sdruženého přestupu tepla. Slabě sdružená tepelně-deformační úloha byla vyřešena metodou konečných prvků pro oba modely materiálů. Bylo použito paradigma nesvázaného modelu únavy, které je vhodné pro nízkocyklovou únavu. Životnost byla tedy vyhodnocena jako součást post-procesoru. Použity byly dva modely únavové životnosti – energeticky založený model a deformačně založený model. Získané hodnoty životnosti byly porovnány vzhledem k použitým modelům materiálu a modelům únavové životnosti. Nakonec jsou diskutovány závěry této práce, oblasti dalšího výzkumu a navrženy možnosti na zlepšení použitých přístupů.

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.

No description available.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Korngröße und der Gefügestabilität auf die zyklische Plastizität von mikro- und submikrokristallinem Nickel, hergestellt durch ECAP und PED, untersucht. Zur Gefügecharakterisierung kamen verschiedene elektronenmikroskopische und röntgenographische Methoden zum Einsatz. Die Untersuchungen zur Gefügestabilität zeigten, dass (i) die Stabilität der Korn- und Substruktur bei der zyklischen Verformung empfindlich vom Gefüge im Ausgangszustand abhängt, (ii) generell die Tendenz zur Umwandlung der vorhandenen Substruktur in eine universelle ermüdungstypische Substruktur besteht, diese Transformation jedoch durch die lokale Gefügebeschaffenheit be- bzw. verhindert sein kann und (iii) zur Erklärung des Entfestigungsverhaltens der ECAP-Materialien sowohl die Transformation der Substruktur als auch die Vergröberung der Kornstruktur berücksichtigt werden müssen. Auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit und unter Hinzunahme von Resultaten aus der Literatur lassen sich Schlussfolgerungen zum Einfluss der Korngröße auf die zyklische Plastizität in einem vier Größenordnungen umfassenden Korngrößenbereich ziehen. In grob- und feinkörnigem Nickel bilden sich bei der zyklischen Verformung ermüdungstypische Versetzungsstrukturen, deren Abmessungen kaum von der Korngröße abhängen. Der Versetzungslaufweg in diesen Materialien ist wesentlich kleiner als die Kornabmessungen. Dementsprechend besteht höchstens ein schwacher Einfluss der Korngröße auf das sich bei der Wechselverformung einstellende Spannungsniveau. Bei mikro- und submikrokristallinem Nickel, wo der Versetzungslaufweg in der Größenordung der Kornabmessungen liegt, wird ein deutlicher Umschlag bei der Versetzungsmusterbildung und dem zyklischen Verformungsverhalten beobachtet. In diesem Korngrößenbereich entstehen entweder qualitativ andere (D&amp;lt;DS1=5µm) oder keine Versetzungsstrukturen (D&amp;lt;DS2=1µm) und das Spannungsniveau steigt mit sinkender Korngröße entsprechend einer HALL-PETCH-Beziehung.