The thesis is focused on clarifying fatigue damage mechanisms and fatigue-creep damage mechanisms of MAR-M 247 and IN 713LC polycrystalline Ni-based superalloys. This thesis begins with basic information about nickel-based superalloys and their microstructure, followed by a description of fatigue and creep mechanisms and their mutual interaction. The next part contains experimentally obtained results describing the behavior of MAR-M 247 and IN 713LC superalloys under various sets of conditions. Three testing temperatures - 800, 900 and 950 °C were used for the measurement of fatigue properties under symmetrical loading cycle, because in the temperature range 800 – 950 °C, the mechanism of fatigue crack propagation of both superalloys should change from the originally crystallographic at "lower" temperatures (800 °C) to non-crystallographic at "higher" temperatures (950 °C). In addition the effect of processing technology on fatigue properties was studied on the superalloy IN 713LC. High-frequency cyclic loading (about 120 Hz) with high mean stress at elevated temperatures was applied to induce fatigue-creep interaction. The combined fatigue-creep loading was performed on the IN 713LC superalloy at 800 °C and on the MAR-M 247 superalloy at 900 °C.

Sverige har som många länder runt om i världen en åldrande infrastruktur och behovet av underhåll stiger. I en artikel i Svenska Dagbladet från 21/9–2018 redovisar analys- och teknikkonsultföretaget WSP en grov uppskattning att 300 miljarder kronor behöver investeras för att rusta upp existerande infrastruktur. Efter upprustningen skulle det krävas ca 25 miljarder kronor årligen för att utföra löpande tillståndsbedömning och underhåll av Sveriges väg- och järnvägsnät. Idag används inspektioner för att bedöma broars tillstånd. Det finns tre olika inspektionstyper; huvudinspektion, allmäninspektion och särskild inspektion. Structural Health Monitoring (SHM) är en teknik som globalt används mer och mer som en metod vid tillståndsbedömning av broar. SHM siktar mot att i realtid utföra automatisk bedömning av hela konstruktionens och de enskilda skadornas tillstånd. SHM använder sig av sensorer placerade på kritiska positioner för att samla in mätdata som jämförs med i förtid definierade gränsvärden. I Sverige används SHM sparsamt idag där kunskapen ligger på akademisk nivå och det råder en osäkerhet om hur SHM ska implementeras i praktiken. Genom att implementera SHM, kan skador upptäckas i ett tidigt skede och minimeras genom att snabbt utföra reparationer på konstruktionen innan skadorna blivit kritiska. Studien syftar till att producera en rapport som kan användas som en guide för hur SHM kan implementeras samt visa på hur SHM-systemen har implementerats på tidigare projekt. Rapporten skall ge läsaren en helhetsbild över hur tillståndsbedömning går till idag, vilka skador som är vanligt förekommande samt hur SHM kan användas som ett verktyg vid tillståndsbedömning. Rapporten syftar också till att ge en övergripande förklaring på svenska av SHM-tekniken och vad som behövs för implementering. Öppna ostrukturerade intervjuer genomfördes med forskare inom SHM och skador på betongkonstruktioner samt sakkunniga inom tillståndsbedömning. Intervjuerna användes som utgångspunkt för vidare studier av vanligt förekommande skador och SHM-tekniker. I litteraturstudien användes olika vetenskapliga databaser såsom Diva och ScienceDirect, samt KTH:s bibliotek för att få fram tidigare material om betongskador på broar, deras skademekanismer och om SHM-tekniken. Vidare hämtades information från ett antal doktorsavhandlingar, artiklar och tidigare examensarbeten. Genom litteraturstudie och intervjuer med sakkunniga kom studien fram till att armeringskorrosion och sprickor i betongen är skador som är vanligt förekommande i betongbroar. Skadornas skademekanismer beskrivs i rapporten. Studien identifierade tre olika system som kan användas för detektering och övervakning av armeringskorrosion och sprickor, de systemen är akustisk emission, SOFO-system (SOFO är en förkortning för Surveillance d'Ouvrage par Fibers Optics) och MuST-system (MuST är ett kommersiellt namn). Rapporten ger exempel på hur systemen kan användas för detektering och övervakning av skadorna genom att presentera fyra fallstudier där systemen har använts. Två av fallstudierna presenterar hur akustisk emission har implementeras och två av fallstudierna presenterar hur SOFO-systemet har implementerats. Studien kunde inte identifiera någon fallstudie för MuST-systemet och hur systemet har implementerats. Slutsatsen av studien är att SHM kan användas som ett komplement vid tillståndsbedömningar men man kan inte utföra automatiserade tillståndsbedömningar idag. / Like many countries around the world, Sweden has an aging infrastructure and the need for maintenance is increasing. In an article in Svenska Dagbladet from 21 / 9–2018, the analysis and engineering consulting company WSP reports a rough estimate that SEK 300 billion needs to be invested to upgrade existing infrastructure. After the upgrade, it would require approximately SEK 25 billion annually to carry out ongoing condition assessment and maintenance of Sweden's road and railway networks. Today, inspections are used to assess the condition of bridges. There are three types of inspection; main inspection, general inspection and special inspection. Structural Health Monitoring (SHM) is a technology that is globally more used as a method for condition assessment of bridges. SHM aims to perform automatic assessment of the state of the entire construction and individual damages in real time. SHM uses sensors placed at critical positions to collect measurement data compared to pre-defined limit values. In Sweden, SHM is used sparingly today, where knowledge is at an academic level and there is uncertainty about how SHM should be implemented in practice. By implementing SHM, damage can be detected at an early stage and minimized by quickly performing repairs on the design before the damage becomes critical. The study aims to produce a report that can be used as a guide on how SHM can be implemented and show how the SHM systems have been implemented on previous projects. The report should give the reader an overall picture of how condition assessment is performed today, which damages are common and how SHM can be used as a tool when assessing the condition. The report also aims to provide an overall explanation in Swedish of the SHM technology and what is needed for implementation. Open unstructured interviews were conducted with researchers within SHM and damages to concrete structures as well as experts in condition assessment. The interviews were used as a starting point for further studies of commonly occurring damages and SHM techniques. In the literature study, various scientific databases were used, such as Diva and ScienceDirect, as well as KTH's library to obtain earlier material on concrete damage to bridges, its damage mechanisms and about SHM technology. Furthermore, information was obtained from a number of doctoral dissertations, articles and previous degree projects. Through literature study and interviews with experts, the study concluded that reinforcement corrosion and cracks in the concrete are damages that are commonly found in concrete bridges. The damage mechanisms are described in the report. The study identified three different systems that can be used for detection and monitoring of reinforcement corrosion and cracks, those systems are acoustic emission, SOFO system (SOFO is an abbreviation for Surveillance d'Ouvrage pair of Fiber's Optics) and MuST system (MuST is a commercial name). The report gives examples of how the systems can be used for the detection and monitoring of the damages by presenting four case studies where the systems have been used. Two of the case studies present how acoustic emission has been implemented and two of the case studies present how the SOFO-system has been implemented. The study could not identify any case study for the MuST-system and how the system was implemented. The conclusion of the study is that SHM can be used as a supplement to condition assessments but cannot for the time being used for performing automated condition assessments today.

L'interaction fluide-structure vise à étudier le contact entre un fluide et un solide. Ce phénomène est très présent lors de l’impact d’une vague sur une structure ou l’inverse. La réponse de la structure peut être fortement affectée par l'action du fluide. L'étude de ce type d'interaction est motivée par le fait que les phénomènes résultants sont parfois catastrophiques pour les structures composites ou constituent dans la majorité des cas un facteur dimensionnant important. Le fluide est caractérisé par son champ de vitesse et de pression. Il exerce des forces aérodynamiques ou hydrodynamiques sur l'interface de la structure qui subit des déformations sous leurs actions. Ces déformations peuvent affecter localement le champ de l'écoulement et donc les charges appliquées. Ce cycle des interactions entre le fluide et le solide est caractéristique du phénomène de slamming. Pour une conception optimale des structures marines, la vitesse du navire est devenue un paramètre important. Par conséquent, les exigences de conception ont été optimisées par rapport au poids structurel. D'autre part, l'apparition des structures composites au cours des dernières décennies a favorisé l'exploitation de ces matériaux dans les grands projets de construction pour les applications marines et aérospatiales. Ceci est dû à la nature de leurs propriétés mécaniques, car elles présentent un rapport rigidité / poids élevé. En revanche, l'interaction entre les structures déformables et la surface libre de l'eau peut affecter le flux du fluide en contact avec la structure ainsi que et les charges hydrodynamiques estimées par rapport au corps rigide, en raison de l'apparition des effets hydro-élastiques. En outre, ces structures sont toujours soumises à des mécanismes de dommages différents et complexes sous un chargement dynamique. Pour ces raisons, la flexibilité et les modes de défaillance dans les matériaux composites présentent une complexité supplémentaire pour prédire les charges hydrodynamiques lorsqu'il y a une interaction avec un fluide (l'eau). Ceci a présenté un défi majeur pour utiliser ces matériaux dans les applications maritimes. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée dans la phase de conception et l'analyse des performances pendant l'utilisation à vie. Les principales contributions de ce travail sont l’étude expérimentale et numérique du comportement dynamique des panneaux composites et la quantification de l'effet de la flexibilité de ces panneaux composites sur les charges hydrodynamiques et les déformations résultantes. Pour étudier ces effets, des panneaux composites stratifiés et sandwichs avec deux rigidités différentes sont soumis à diverses vitesses d'impact à l'aide d'une machine de choc équipée d'un système de contrôle de la vitesse. La résistance dynamique a été analysée en termes de charges hydrodynamiques, de déformations dynamiques et de mécanismes de défaillance pour différentes vitesses d'impact. L'analyse des résultats expérimentaux a montré que l’effort maximal augmente avec l’augmentation de la flexibilité des panneaux. D'autre part, le modèle numérique de tossage a été implémenté dans le logiciel Abaqus / Explicit basé sur l'approche du modèle Couplé Euler Lagrange (CEL). En outre, différents modes de défaillance des matériaux composites ont été développés et implémentés à l'aide d'une subroutine « VUMAT » définie par l'utilisateur et mis en œuvre dans le code de calcul éléments finis. Pour couvrir tous les modes de défaillance possibles dans les structures composites, l’implémentation de l’endommagement comprend : la rupture intralaminar, la décohésion de l'interface peau / âme et le cisaillement de l’âme. La confrontation des résultats expérimentaux avec les modèles numériques sur la prédiction de la force hydrodynamique et de la déformation du panneau valide l’approche adoptée. / Generally, when marine vessels encounter the water surface on entry and subsequently re-enter the water at high speed (slamming), this can subject the bottom section of the vessels to both local and global effects and generate unwanted vibrations in the structure, especially over very short durations. In marine design, the vessel speed has become an important aspect for optimal structure. Therefore, design requirements have been optimized in relation to the structural weight. In other hand, the appearance of the composite structures in the last decades has encouraged the exploitation of these structures in major construction projects for lightweight marine and aerospace applications. This is due to the nature of their mechanical properties which shows a high stiffness-to-weight ratio. In contrast, the interaction between deformable structures and free water surface can be modified the fluid flow and changed the estimated hydrodynamic loads comparing with rigid body, due to appearance of hydroelastic effects. Moreover, these structures are always subject to different and complex damage mechanisms under dynamic loading. For these reasons, the flexibility and the damage failure modes in composite materials introduce additional complexity for predicting hydrodynamic loads when interactive with water. This considered a key challenge to use these materials in marine applications. Therefore, special attention must be taken in the design phase and the analysis of performances during lifetime use. The main contributions of this work are the experimental and numerical study of the dynamic behavior of composite panels and the quantification of the effect of the flexibility of these structures on the hydrodynamic loads and the resulting deformations. To study these effects, laminate composite and sandwich panels with two different rigidities and subjected to various impact velocities have been investigated experimentally using high speed shock machine with velocity control system. The dynamic resistance was analysed in terms of hydrodynamic loads, dynamic deformation and failure mechanisms for different impact velocities. The general analysis of experiment results were indicated that more flexible panel has a higher peak force as velocity increases compared with higher stiffness panels. On the other hand, the slamming model was implemented in Abaqus/Explicit software based on Coupled Eulerian Lagrangian model approach (CEL). In addition, different damage modes are developed and constructed using a user-defined material subroutine VUMAT and implemented in Finite element method, including the intralaminar damage, debonding in skin/core interface, and core shear to cover all possible damage modes throughout structures. The numerical model gave a good agreement results in judging with experimental data for prediction of the hydrodynamic force and panel deformation. Additionally, this study gives qualitative and quantitative data which provides clear guidance in design phase and the evolution of performances during lifetime of composite structures, for marine structure designers.

Pokročilá vysoce legovaná austenitická nerezová ocel Sanicro 25 s Fe-Ni-Cr matricí byla studována za podmínek nízkocyklové únavy za pokojové a vysoké teploty 700 °C. Široká škála moderních experimentálních technik byla použita ke studiu vzájemně souvisejících efektů chemického složení slitiny, mikrostrukturních změn a deformačních mechanismů, které určují odolnost materiálu vůči poškození. Hlavní úsilí bylo zaměřeno na studium iniciace únavových trhlin a růstu krátkých trhlin, tedy dvě stádia, která hrají zásadní roli ve výsledné celkové délce únavového života materiálu v provozu. • Vnitřní deformační mechanismy byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu, který je pozorován ve formě persistentních skluzových stop na povrchu. Bylo zjištěno, že vysoce planární charakter dislokačního skluzu způsobuje vysokou lokalizaci cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásů, což v důsledku vede k nukleaci “Stage I” trhlin, která je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na povrchu ve všech studovaných vzorcích. Bylo zjištěno, že praskání dvojčatových hraníc je taktéž spojeno s přítomností persistentních skluzových stop podél povrchové stopy dvojčatové roviny. • Interkrystalická iniciace únavové trhliny byla pozorována pouze zřídka, a to za podmínek zatěžování amplitudami vysoké deformace. Bylo zjištěno že interkrystalická iniciace je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na hranicích zrn. Hranice zrn praskají za podmínek externího tahového zatížení zejména z důvodu vysokého počtu nekompatibilit na hranicích zrn, které jsou způsobené tvarem persistentních skluzových stop. • Mechanismy růstu přirozených krátkých trhlin byly studovány na vzorcích vystavených nízkocyklove únava s nízkou i vysokou deformací. Role mikrostruktury byla analyzována pomocí experimentálních technik a diskutována. • Rychlosti šíření nejdelších trhlin byly měřeny na vzorcích s mělkým vrubem. Výsledky byly analyzovány použitím přístupů lomové mechaniky založených na amplitudě KI a J-integrálu stejně jako na amplitudě plastické deformace. Všechny přístupy byly diskutovány v souvislosti s Mansonovými-Coffinovými křivkami únavové životnosti. Jednoduchý mocninový zákon růstu krátkých trhlin založený na amplitudě plastické deformace ukazuje velice dobrou korelaci se zákonem únavové životnosti. • Byla studována role oxidace v podmínkách cyklického zatěžování za vysokých teplot. Bylo zjištěno, že křehké praskání zoxidovaných hranic zrn hraje hlavní roli v počátečních stádiích nukleace trhlin. Později po iniciaci se dráha růstu trhliny mění preferenčně na transkrystalickou. Dráha šíření trhlin je velmi podobná dráze zjištěné při cyklování za pokojové teploty.