The industrial application of high strength steels in structural components has increased the demand on understanding the ductile failure behavior of this type of materials. In practical situations the loading experienced on components made out of these materials can be very complex, which may affect the failure behavior. The objective of this work is to study the effect of stress state on ductile failure and the mechanisms leading to rupture in high strength steels. The stress state is characterized by the stress triaxiality T and the Lode parameter L, which is a deviatoric stress state parameter that discriminates between axisymmetric or shear dominated stress states. For this purpose experiments on two different specimen configurations are performed; a double notched tube (DNT) specimen tested in combined tension and shear and a round notched bar (RNB) specimen tested in uniaxial tension. The two specimens give rise to different stress states at failure in terms of T and L. The failure loci for the DNT specimen show an abrupt change in ductility, indicating a transition between the rupture mechanisms necking of intervoid ligaments and shearing of intervoid ligaments. A clear difference in ductility between the two specimen configurations is also observed, which is closely associated with the difference in stress state at failure. A micromechanical model is developed, which assumes that ductile material failure occurs when the deformation becomes highly non-linear and localizes into a band. The model, which is applied to analyze the experiments, consists of a band with a square array of equally sized cells, with a spherical void located in the center of each cell. The model, extended with a shear criterion, captures the experimental trend rather well. The model also shows that the effect of the deviatoric stress state (L) on void growth, void shape evolution and coalescence is significant, especially at low levels of T and shear dominated stress state. / QC 20100621

Cleavage fracture in ferritic steels can be defined as a sequence of few critical steps. At first nucleation of a microcrack takes place, often in a hard inclusion. This microcrack then propagates into the surrounding matrix material. The last obstacle before failure is the encounter of grain boundaries. If a microcrack is not arrested during any of those steps, cleavage takes place. Temperature plays an important role since it changes the failure mode from ductile to brittle in a narrow temperature interval. In papers A and B micromechanical models of the last critical phase are developed (cleavage over a grain boundary) in order to examine the mechanics of this phase. An extensive parameter study is performed in Paper A, where cleavage planes of two grains are allowed to tilt relative each other. It is there shown that triaxiality has a significant effect on the largest grain size that can arrest a rapidly propagating microcrack. This effect is explained by the development of the plastic zone prior to crack growth. The effect of temperature, addressed through a change in the visco-plastic response of the ferrite, shows that the critical grain size increases with the temperature. This implies that with an increasing temperature more cracks can be arrested, that is to say that less can become critical and thus that the resistance to fracture increases. Paper B shows simulations of microcrack propagation when the cleavage planes of two neighboring grains are tilted and twisted relatively each other. It is shown that when a microcrack enters a new grain, it first does it along primary cleavage planes. During further growth the crack front is protruded along the primary planes and lags behind along the secondary ones. The effect of tilt and twist on the critical grain size is decoupled with twist misorientation offering a greater resistance to propagation. Simulations of cracking of a particle and microcrack growth across an inclusion-matrix interface are made in Paper C. It is shown that the particle stress can be expressed by an Eshelby type expression modified for plasticity. The analysis of dynamic growth, results in a modified Griffith expression. Both findings are implemented into a micromechanics-based probabilistic model for cleavage that is of a weakest link type and incorporates all critical phases of cleavage: crack nucleation, propagation over particle-matrix interface and into consecutive grains. The proposed model depends on six parameters, which are obtained for three temperatures in Paper D using experimental data from SE(B) tests. At the lowest temperature, -30° , the model gives an excellent prediction of the cumulative failure probability by cleavage fracture and captures the threshold toughness and the experimental scatter. At 25º  and 55º  the model slightly overestimates the fracture probability. In Paper E a serie of fracture experiments is performed on half-elliptical surface cracks at 25º in order to further verify the model. Experiments show a significant scatter in the fracture toughness. The model significantly overestimates the fracture probability for this crack geometry. / QC 20100910

Bakgrunden till detta examensarbete var att Qumex Materialteknik vid ett flertal tillfällen konstaterat att material av typen SS 0725 har uppvisat bristfälliga härdresultat. Materialet, som är relativt nytt på marknaden, är ett gjutjärn av typen segjärn och utmärker sig gentemot andra segjärn på grund av sitt höga innehåll av kisel. Då segjärn enligt den nu gällande EN-standarden klassificeras efter sina mekaniska egenskaper uppstår ett problem gällande SS 0725. Materialet uppfyller de krav som är ställda för EN-GJS-500-7 och hamnar därmed under samma materialbeteckning som ett segjärn med betydligt lägre kiselhalt. Att två material med olika kemisk sammansättning hamnar under samma beteckning kan innebära problem. Syftet med denna rapport är att fastslå vilken påverkan den höga kiselhalten har på materialet vid värmebehandling av typen släckhärdning med efterföljande anlöpning. I försöken ingick fyra material. Det som skiljde materialen åt var halterna av koppar och kisel. De härdades vid tre olika temperaturer och under tre olika tider för att sedan släckas i olja. Målet med släckhärdningen var att materialen skulle få en helt martensitisk struktur vilket då klassades som ett bra härdresultat. Resultatet utvärderades sedan genom optisk mikroskopi och hårdhetsmätningar. En undersökning av materialens fasomvandlingstemperaturer genomfördes med hjälp av Differential Scanning Calorimetry. Resultatet visar att kiselhalten har stor påverkan på den temperatur som krävs för att erhålla ett bra härdresultat. För material med låg kiselhalt uppnåddes fullständig martensitbildning efter släckhärdning från 840°C. För material med hög kiselhalt uppnåddes liknande strukturella och hårdhetsmässiga resultat först vid en så hög temperatur som 900°C och behandlingstider längre än 1 h. Den relativa skillnad som uppmättes i fasomvandlingstemperatur med hjälp av Differential Scanning Calorimetry mellan högkiselmaterial och lågkiselmaterial var 45°C. Detta resultat kombinerat med analyserna av härdprocesserna visar att det krävs kraftigt ökad temperatur vid värmebehandling av högkiselmaterialet SS 0725. / The background to this thesis was that Qumex Materialteknik at several occasions had received material of type SS 0725 that had shown deficient heat treatment results. The material, which is relatively new, is a cast iron of type ductile iron and differ against other ductile irons because of its high silicon content. According to EN standard ductile irons are classified by their mechanical properties. A problem then occurs with the new material SS 0725 because of this. The material fulfils the requirements for EN-GJS-500-7 and is therefore in the same classification as a ductile iron with much lower silicon content. Two materials having major differences in chemical composition ending up in the same classification can be problematic. The purpose of this report is to determine impact of high silicon content in ductile iron when heat treated and quench hardened. The experiment included four materials, and the major difference between the materials were their content of copper and silicon. The heat treatment process was performed at three different temperatures and three different treatment times. Afterwards the samples were quenched in oil. The ambition of the quench hardening was to obtain a material structure of 100% martensite. By optical microscopy and hardness measurements the results then were evaluated. An investigation of the phase transformation temperature in the materials was made by using Differential Scanning Calorimetry. The results show that the amount of silicon content has great influence on the temperature for receiving good hardening results. To achieve 100% martensite after quench hardening in materials with low silicon content the temperature needs to be over 840°C. For material with high level of silicon content the temperature for achieving 100% martensite needs to be 900°C and the treatment time should be over 1 h. The relative difference in phase transformation temperature was measured using Differential Scanning Calorimetry. The results of the measurements between the materials with high silicon content and materials with low silicon content was 45°C. This result combined with the analysis of the heat treatment process shows that a major increase of the temperature is needed to heat treat SS 0725.

Les propriétés mécaniques de différents types de matériaux géologiques sont étudiées en laboratoire. Ce sont d'abord les propriétés d'agrégats artificiels de calcite et de quartz, mettant en évidence le comportement rhéologique volumique et la réduction de porosité en fonction du temps, des pressions de confinement appliquées et de la température. Le second type de matériau est un diabase, roche basaltique microcristalline dont le comportement est étudié â la température de 1000°C. La diminution de la pression de confinement entraine le passage d'un comportement ductile à un comportement fragile, cet te transition dépendant de la vitesse de déformation. Le troisième système étudié est constitué de deux matériaux séparés par une interface. L'auteur analyse la relation entre les propriétés mécaniques des matériaux constitutifs et les propriétés de l'interface. Les expériences sont interprétées en parallèle à une simulation numérique et les valeurs des paramètres déterminées selon leur utilisation dans le calcul. Finalement l'auteur présente une étude technique sur l'inversion des données de stéréologie relatives à la quantification d'un réseau de fractures. Une inversion analytique simple est comparée à une technique numérique en plusieurs phases.

En esta tesis se ha caracterizado el acero, virgen e irradiado, de la vasija de una central nuclear española actualmente en servicio, en la región de temperaturas conocida como Zona de Transición Dúctil-Frágil. Para ello, se han ensayado probetas propias de la Mecánica de Fractura, reconstruidas a partir de mitades de probetas de impacto previamente ensayadas. Para describir la tenacidad a fractura en la Zona de Transición se ha empleado el modelo de la Curva Patrón.Finalmente, se ha analizado el impacto del procedimiento de caracterización y del modelo de la Curva Patrón sobre la Integridad Estructural de la vasija, comparando sus predicciones con las que se obtienen de aplicar los procedimientos convencionales que contempla la normativa vigente, representada por el Código ASME. En esta comparación se ha hecho uso del procedimiento FITNET de Integridad Estructural. / In this thesis, the steel, virgin and irradiated, from the vessel of a Spanish Nuclear Plant currently operating, has been characterized in the range of temperatures known as Ductile to Brittle Transition Region. For this purpose, Fracture Mechanics specimens, reconstituted from halves of impact specimens previously broken, have been tested. To describe fracture toughness in the Transition Region, the Master Curve method has been used.Eventually, the influence of the characterization procedure together with the Master Curve method on the Structural Integrity of the vessel has been analyzed, comparing their predictions with those coming from applying conventional procedures proposed by the current regulations, represented by the ASME Code. In this comparison, the FITNET Structural Integrity procedure has been used.

L'objectif de ces travaux est la modélisation des efforts de coupe dans le cas de la superfinition à l'outil coupant du cuivre Cu-c2 par le biais de la démarche Couple-Arête-Matière. La prédiction des efforts permet d'adapter les conditions de coupe pour une opération d'usinage où de définir les spécifications des outils lors de leur conception. Le Couple-Arête-Matière repose sur la discrétisation d'arête et la mise en place sur chaque élément d'arête des efforts élémentaires fonctions de la géométrie et des conditions de coupe locales. Cette dépendance de la géométrie et de ces conditions de coupe est introduite par la mise en place d'un modèle d'efforts. Par sommation sur la longueur d'arête en prise, il est possible de déterminer les efforts globaux dans les repères liés à l'outil ou à la pièce. Cette étude vise le calcul de ces efforts au travers de trois modèles. Les deux premiers modèles développés sont de type phénoménologique et calculent les efforts à partir des paramètres opératoires courants tels que l'épaisseur coupée, la géométrie de l'outil et la qualité de l'arête. Le troisième modèle est analytique et basé sur les mécanismes de formation du copeau. Les efforts sont déterminés à partir des contributions des trois zones communément identifiées ; la zone de cisaillement primaire est caractérisée par une loi de comportement de type Norton-Hoff, les deuxième et troisième zones, respectivement en contact avec le copeau et la face en dépouille sont caractérisées par une distribution de contraintes. Les performances de ces trois modèles sont comparées via le Couple-Arête-Matière. Les données expérimentales sont obtenues à partir d'images réalisées en cours d'usinage par une caméra à haute résolution ainsi que par des mesures d'efforts en coupe orthogonale sur des disques et des tubes, permettant la mise en évidence de l'effet du diamètre de la pièce usinée sur la zone de contact en dépouille.

L'objectif de ce travail est la simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles minces en alliage d'aluminium 2024. La méthode est basée sur l'approche locale de la rupture. Les observations métallographiques indiquent deux mécanismes de rupture. Si la pression hydrostatique est élevée, la rupture intervient par striction interne. Dans le cas contraire, la rupture intervient par localisation de la déformation en bande à 45 degrés. Dans les éprouvettes de fissuration Kahn et M(T), les mécanismes de rupture sont identiques. Les simulations sont basées sur une extension du modèle de Rousselier incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de porosités.<br />Un nouveau critère de plasticité anisotrope est spécifiquement développé. Il s'agit d'une extension du critère de Karafillis et Boyce (1993). Le modèle est appliqué à deux nuances dont la teneur en particules intermétalliques est différente. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes pour le matériau à haute pureté. La transférabilité est vérifiée sur les grands panneaux M(T). Le transfert vers le matériau ayant la plus forte teneur en particules intermétalliques est fait en modifiant la taille de maille dans le même rapport que l'espacement inter-particules. Le modèle est utilisé comme un outil numérique afin d'étudier les effets de la loi d'écrouissage, d'une pré-traction ou de l'anisotropie plastique sur la résistance à la propagation de fissure. Il est alors possible de proposer des voies d'amélioration du matériau.

Les chargements thermomécaniques caractéristiques des moteurs de fusée sont souvent complexes et induisent, en particulier, des fluctuations rapides et importantes de la température. Dans ce contexte, la qualification du comportement des matériaux métalliques requiert la mise en oeuvre d'une approche cohérente avec les différentes réponses observées expérimentalement sur une large gamme de température. Celle ci est appliquée, dans notre étude, à la modélisation du comportement élasto viscoplastique et de l'endommagement de deux alliages utilisés dans l'industrie aérospatiale : l'Inconel 600 et le Narloy Z. Les spécificités relatives aux différentes étapes de caractérisation expérimentale, modélisation et identification des modèles sont explicitées, de façon à dégager les éléments de généralisation de la démarche. Ceci permet d'envisager l'application des différents résultats obtenus à des problématiques concrètes telles que la prédiction de la durée de vie de nouveaux composants.

This thesis work is part of an on-going project regarding load-bearing timber glass composites within the EU program WoodWisdom-Net. One major scope of that project is the adhesive material between the glass and timber parts. The underlying importance of the bonding material is related to the transfer of stress between the two materials – the influence of the adhesive stiffness and ductility on the possibility of obtaining uniform stress distributions. In this study the mechanical properties of two different adhesives are investigated, an epoxy (3M DP490) and an acrylate (SikaFast 5215). The differences of the adhesives lay in dissimilar stiffness, strength and viscous behaviour. In long term load caring design is important to understand the materials behavior under a constant load and a permanent displacement within the structure can cause major consequences. Therefore the main aim in this project is to identify the adhesives strength, deformation capacity and possible viscous (time dependent) effects. Because of the limitation of equipment and time this study is restricted to only three different experiments. Three different types of tensile tests have been conducted: monotonic, cyclic relaxation tests.The results of the experiments show that 3M DP490 has a higher strength and a smaller deformation capacity as compared to the SikaFast 5215. Thus, the SikaFast 5215 is more ductile. The 3M DP490 exhibits a lower loss of strength under constant strain (at relaxation). SikaFast 5215 showed also a large dependency of strain level on the stress loss in relaxation.

Lorsqu'on découpe un feuillard à l'aide d'un outil, ou lorsqu'on découpe un tube selon son axe, au fur et à mesure que l'on propage la fissure qui traduit la découpe il arrive que des ondulations de flambage perturbent les deux bords libres générés par la propagation de la fissure. Cette étude vise à analyser les origines de ces ondulations. Nous avons mené une campagne expérimentale, dans laquelle des tubes en acier inox avec différentes géométries (rayon/épaisseur) sont " découpés " selon une génératrice. Une instrumentation adéquate, couplant des mesures ponctuelles, à l'aide de jauges de déformation, et une méthode champ par corrélation d'image, nous a permis de correctement mettre en exergue la phénoménologie, en particulier les cinématiques induites à l'échelle géométrique de la fissure (front de fissure) ainsi qu'à l'échelle du tube, avec les longueurs d'onde de flambage observées à l'aval de la fissure. La modélisation numérique menée en non linéaire géométrique (flambage), matériau (déchirure ductile), et conditions aux limites (contact) est aussi abordée à l'aide du code de calcul Abaqus/Standard. Pour la gestion de la propagation de la fissure, deux modèles de rupture sont proposés. Le premier modèle dit zone cohésive est développé et implanté dans le code Abaqus via la subroutine UEL. Pour la deuxième modélisation, nous avons utilisé le modèle dit " d'endommagement ductile " du code Abaqus. La modélisation via des éléments massifs ou des éléments coques volumiques ainsi que l'utilisation de ces modèles de rupture permettent de corroborer les observations expérimentales. Ces travaux montrent que l'augmentation de la charge inhérente au déplacement de l'outil de " découpe ", induit une extension dans la direction circonférentielle et donc une striction dans la direction radiale amenant finalement la rupture. Lors de la rupture, un " sillage plastique " apparait, relativement large, près et parallèle aux bords de la fissure. " Confiné " par les autres parties du tube qui restent élastiques, des contraintes de compression axiale résiduelles apparaissent dans ce sillage plastique, à l'aval de la fissure, leur intensité est suffisante pour produire les ondulations des bords libres qui traduisent un flambage local. Les contraintes résiduelles liées à l'opération de découpe induisent donc le flambage.