Additive manufacturing (AM), also known as 3D printing, is a concept and method of a manufacturing process that builds a three-dimensional object layer-by-layer. Opposite to the conventional subtractive manufacturing, it conquers various limitations on component design freedom and raises interest in various fields, including aerospace, automotive and medical applications. This thesis studies the mechanical behavior of thin-walled component manufactured by a common AM technique, laser powder bed fusion (LPBF). The studied material is Hastelloy X, which is a Ni-based superalloy, and it is in connection to a component repair application in gas turbines. The influence of microstructure on the deformation mechanisms at elevated temperatures is systematically investigated. This study aims for a fundamental and universal study that can apply to different material grades with FCC crystallographic structure. It is common to find elongated grain and subgrain structure caused by the directional laser energy input in the LPBF process, which is related to the different printing parameters and brands of equipment. This thesis will start with the study of scan rotation effect on stainless steel 316L in an EOS M290 equipment. The statistic texture analysis by using neutron diffraction reveals a clear transition when different level of scan rotation is applied. Scan rotation of 67° is a standard printing parameter with intention to lower anisotropy, yet, the elongated grain and cell structure is still found in the as-built microstructure. Therefore, the anisotropic mechanical behavior study is carried out on the sample printed with scan rotation of 67° in this thesis. Thin-walled effects in LPBF are investigated by studying a group of plate-like HX specimens, with different nominal thicknesses from 4mm down to 1mm, and a reference group of rod-like sample with a diameter of 18mm. A texture similar to Goss texture is found in rod-like sample, and it becomes <011>//BD fiber texture in the 4mm specimen, then it turns to be <001> fiber texture along the transverse direction (TD) in the 1mm specimen. Tensile tests with the strain rate of 10−3 s−1 have been applied to the plate-like specimens from room temperature up to 700 ℃. A degradation of strength is shown when the sample becomes thinner, which is assumed to be due to the overestimated load bearing cross-section since the as-built surface is rough. A cross-section calibration method is proposed by reducing the surface roughness, and a selection of proper roughness parameters is demonstrated with the consideration of the calculated Taylor’s factor and the residual stress. The large thermal gradient during the LPBF process induces high dislocation density and strengthens the material, hence, the LPBF HX exhibits better yield strength than conventionally manufactured, wrought HX, but the work hardening capacity and ductility are sacrificed at the same time. Two types of loading condition reveal the anisotropic mechanical behavior, where the vertical and horizontal tests refer to the loading direction being on the BD and TD respectively. The vertical tests exhibit lower strength but better ductility that is related to the larger lattice rotation observed from the samples with different deformation level. Meanwhile, the elongated grain structure and grain boundary embrittlement are responsible for the low horizontal ductility. A ductile to brittle transition is traced at 700 ℃, so a further study with two different slow strain rates, 10−5 s−1 and 10−6 s−1, are carried out at 700 ℃. Creep damage is shown in the slow strain rates testing. Deformation twinning is found only in the vertical tests where it forms mostly in the twin favorable <111> oriented grain along the LD. The large lattice rotation and the deformation twinning make the vertical ductility remain high level under the slow strain rates. The slow strain rate tensile testing lightens the understanding of creep behavior in LPBF Ni-based superalloys. In summary, this thesis uncovers the tensile behavior of LPBF HX with different variations, including geometry-dependence, temperature-dependence, crystallographic texture-dependence and strain rate-dependence. The generated knowledge will be beneficial to the future study of different mechanical behavior such as fatigue and creep, and it will also enable a more robust design for LPBF applications. / Additiv tillverkning, eller 3D-utskrifter, är tillverkningsmetoder där man skapar ett tredimensionellt objekt genom att tillföra material lager for lager. Till skillnad från konventionella avverkande tillverkningsmetoder elimineras många geometriska begränsningar vilket ger större designfrihet och metoderna har därför väckt stort intresse inom en rad olika områden, inklusive flyg-, fordons- och medicinska tillämpningar. I denna avhandling studeras mekaniska egenskaper hos tunnväggiga komponenter tillverkade med en vanligt förekommande laserbaserad pulverbädds-teknik, laser powder bed fusion (LPBF). Det studerade materialet är Hastelloy X, en Ni-baserad superlegering som är vanligt förekommande for både nytillverkning och reparation av komponenter för gasturbiner. Inverkan av mikrostruktur på deformationsmekanismerna vid förhöjda temperaturer undersöks systematiskt. Detta arbete syftar till att ge grundläggande och generisk kunskap som kan tillämpas på olika materialtyper med en kubiskt tätpackad (FCC) kristallstruktur. Det är vanligt att man hittar en utdragen kornstruktur orsakad av den riktade tillförseln av laserenergi i LPBF-processen, vilket kan relateras till olika processparametrar och kan variera mellan utrustningar frän olika leverantörer. Denna avhandling inleds med studien av effekten av scanningsstrategi vid tillverkning av rostfritt stål 316L i en EOS M290-utrustning. En statistisk texturanalys med hjälp av neutrondiffraktion påvisar en tydlig övergång mellan olika mikrostrukturer när olika scanningsstrategier tillämpas. En scanningsrotation på 67 mellan varje lager är en typisk standardinställning med avsikt att sanka anisotropin i materialet, dock finns den utdragna kornstrukturen oftast kvar. I denna avhandling studeras därför de anisotropa egenskaperna hos material tillverkade med 67 scanningsrotation. Effekten av tunnväggiga strukturer i LPBF undersöks genom att studera en uppsättning platta HX-prover, med olika nominella tjocklekar från 4 mm ner till 1 mm, samt en referensgrupp med cylindriska prov med en diameter på 18 mm. Kristallografisk textur som liknar den av Goss-typ återfinns i de cylindriska proverna vilket gradvis övergår från en fibertextur med <011> i byggriktningen for 4mm-proven till en fibertextur med <001> i tvärriktningen for 1mm-proven. Dragprovning med en töjningshastighet på 10−3 s−1 har utförts på de platta provstavarna från rumstemperatur upp till 700 ℃. En sänkning av styrkan uppvisas när proven blir tunnare, vilket kan antas bero på att det lastbarande tvärsnittet överskattas på grund av den grova ytan. En metod för tvärsnittskalibrering föreslås genom att kompensera for ytråheten, och valet av lämplig ytfinhetsparameter motiveras med hänsyn till den beräknade Taylor-faktorn och förekomsten av restspänningar. Den stora termiska gradienten som uppstår for LPBF-processen inducerar en hög dislokationstäthet vilket höjer materialets styrka och följaktligen uppvisar LPBF HX högre sträckgräns an konventionellt tillverkad, smidda HX, men förmågan till deformationshårdnande samt duktiliteten i materialet sänks samtidigt. Tester utförda i två olika belastningsriktningar, vertikalt respektive horisontellt mot byggriktningen, demonstrerar det anisotropiska mekaniska beteendet. De vertikala testerna uppvisar lägre hållfasthet men bättre duktilitet vilket kan relateras till en större benägenhet for kristallstukturen att rotera när deformationsgraden ökar. Samtidigt är den utdragna kronstukturen ansvarig for den lägre duktiliteten for de horisontella proverna. En övergång från ett duktilt till ett mer sprött beteende noterades vid 700 ℃, och därför initierades ytterligare en studie där tester med två lägre töjningshastigheter, 10−5 s−1 och 10−6 s−1, utfördes vid 700 ℃. Det kan noteras att krypskador återfinns i tester med en långsam deformationshastighet och deformationstvillingar uppstår endast i de vertikala provstavarna där det främst bildas tvillingar i korn orienterade med <111> riktningen längs belastningsriktningen. Den stora förmågan till rotation i kristallstrukturen och deformationstvillingarna bidrar till att den vertikala duktiliteten förblir hög även i testerna med en låg deformationshastighet. Testerna med en långsam draghastighet bidrar därför till en bättre förståelse av krypbeteendet i LPBF Nibaserade superlegeringar. Sammanfattningsvis så bidrar denna avhandling till bättre förståelse av de mekaniska egenskaperna hos LPBF HX i olika utföranden och förhållanden, inklusive geometriberoende, temperaturberoende, deformationshastighetsberoende samt inverkan av kristallografisk textur. Den genererade kunskapen kommer att vara till stor nytta vid fortsatta studier av olika mekaniska egenskaper som utmattning och kryp, samt bidrar till att möjliggöra en mer robust design for LPBF-tillämpningar.

This study is based on an analysis of a foundation slab where calculations are done to find the minimum amount of reinforcement needed. The purpose of this thesis is to find a balance between time-cost, carbon dioxide emissions and the working environment. One way to minimize time-cost is by using FEM-software. In some cases, FEM-software is more exact than manual calculations, since manual calculations usually approximate. For this reason, manual calculations are compared to FEM-Design. FEM-software is commonly used for other parts of construction, which saves time-cost and materials compared to manual calculations. The use of FEM-software for foundation slabs could improve the dimensioning process in the same manner. The slab that is analysed in this thesis is part of an industrial building. The slab has two parts with different prerequisites in forms of area, thickness and point loads. Shrinkage- and creep-deformations are common causes for cracks in concrete. The results show that FEM-Design saves time for both parts of the slab but requires more reinforcement for the bigger of the two dimensions, which entails higher carbon dioxide emissions. Both calculation-methods met the maximum distance of 150 mm between the reinforcement bars which is the requirement for the workplace environment. / Detta examensarbete handlar om att analysera en grundplatta genom att hitta en balans mellan tid, arbetsmiljö och minimering av koldioxidutsläpp. Sweco presenterade utmaningen att beräkna den optimala ameringsmängden med hänsyn till dessa aspekter och erbjöd resurser för analysen. Plattan som analyseras är en del av en industribyggnad. Den är uppdelad i två delplattor som har olika förutsättningar för tjocklek och laststorlek. Ett sätt att minimera tid kan vara att använda sig av FEM-beräkningsprogram. I vissa fall är FEM-beräkningsprogram mer säkra än handberäkningar då handberäkningar approximerar. Av dessa anledningar jämförs handberäkningar med FEM-Design. Grundplattor är intressanta konstruktionsdelar som utsätts för krymp- samt krypdeformationer utöver externa laster. Dessa deformationer kan orsaka sprickbildning i armerade grundplattor. Momentfördelningen för grundplattor skiljer sig avsevärt jämfört med betongplattor som vilar på stöd. Resultaten visar att FEM-Design tar mindre tid, men utifrån avgränsningar kräver större armeringsmängd för större dimensioner av grundplattor. Större mängdarmering innebär negativ miljöpåverkan, eftersom större koldioxidutsläpp uppstår vid tillverkning. Båda metoderna klarar arbetsmiljökravet på maximalt 150 mm i centrumavstånd.

Asphalt materials exhibit self-healing characteristics. In order to evaluate the healing capabilities of these materials, numerous investigations are carried out by researchers. These investigations include various definitions of healing and mechanical test methods to quantify the extent of healing. Irrespective of these extensive studies, there is no unique method to evaluate the healing in asphalt materials. The biasedness to the test conditions and complexity due to the involvement of other phenomena such as stress relaxation and strain recovery make the characterization of healing a challenging process. The work presented in this thesis includes the development of experimental and analytical approaches to contribute to the understanding of healing in asphalt materials. The thesis focuses on both fracture mechanics and damage mechanics-based approaches to evaluate the healing in asphalt materials. In the first case, three-point bending tests are carried out to characterize the healing following the fracture. The experimental protocol is carefully designed to avoid the effect due to low temperature physical hardening of the material during the rest period. Different healing indices appealing to linear elastic fracture mechanics and viscoelastic fracture mechanics are compared. While healing is generally defined based on the recovery of certain parameters following the rest period, the comparison across healing indices shows that the quantitative interpretations of healing are dependent on the post-processing methods. The damage mechanics-based approach discussed in this study includes creep and recovery tests in shear. Here, unlike the first case, the samples are not fractured during the test. The damage is considered to be a part of the viscoplastic deformation and the recovery of viscoplastic deformation is defined as the healing. The method proposed in this study is useful to isolate the viscoelastic effects to quantify the healing of damage. / Asfaltmaterial uppvisar självläkande egenskaper. För att utvärdera dess läkande förmågor utförs många undersökningar av forskare. Dessa undersökningar inkluderar olika definitioner av läkning och mekaniska testmetoder för att kvantifiera graden av läkningen. Trots dessa omfattande studier finns det ingen unik metod för att utvärdera läkning i asfaltsmaterial. Påverkan av testförhållandena och komplexiteten från inverkan av andra fenomen, såsom spänningsrelaxation och töjningsåterhämtning, gör karakteriseringen av läkning en utmanande process. Arbetet som presenteras i denna uppsats inkluderar utvecklingen av experimentella och analytiska metoder för att bidra till förståelsen av läkning i asfaltsmaterial. Uppsatsen fokuserar på både brottmekaniks- och skademekaniksbaserade metoder för att utvärdera läkning i asfaltsmaterial. I det första fallet utförs trepunktsböjningstest för att karakterisera läkningen efter brott. Det experimentella protokollet är noggrant designat för att undvika effekten av hårdnande vid låg temperatur under viloperioden. Dessutom jämförs olika läkningsindex baserade på linjärelastisk brottmekanik och viskoelastisk brottmekanik. Trots att läkning generellt definieras baserat på återhämtningen av vissa parametrar efter viloperioden, så visar jämförelsen av läkningsindexen att den kvantitativa tolkningen av läkning beror på metoderna för efterbehandling.  Den skademekaniksbaserade metoden som diskuteras i denna studie inkluderar kryp- och återhämtningstest i skjuvning. Till skillnad mot det första fallet så spricker här inte proven. Skadan anses istället vara del av den viskoplastiska deformationen och återhämtningen av viskoplastisk deformation är definierad som läkning. Metoden som föreslås i denna studie är användbar för att isolera de viskoelastiska effekterna för att kvantifiera läkningen av skada.

Ved består huvudsakligen av tre typer av polymerer, cellulosa, hemicellulosa och lignin. Lignin bildas i naturen genom enzymatiskt initierad oxidativ koppling av tre olika typer av fenylpropan-enheter. Dessa bygger genom olika kol-kol- och kol-syre-bindningar upp en amorf tredimensionell polymer. När kemisk massa tillverkas bryts lignin ner och löses ut i kokluten. Luten innehåller de förbrukade kokkemikalierna och bränns generellt i en sodapanna för att regenerera kemikalierna och producera ånga. Sodapannan är emellertid dyr. Därför har den blivit produktionsbegränsande på många massabruk. Att avlägsna en del av ligninet från avluten vore därför önskvärt och att finna ekonomiskt intressanta produkter baserade på lignin från svartlut är därför ett viktigt forskningsområde . Ett lämpligt område för ligninprodukter vore som tillsatts i oblekt massa. Oblekt massa används till stor del för tillverkning av kraftliner, topp- och bottenskikten på wellpapp. När lådor av wellpapp lagras i containrar som färdas över haven, förändras den relativa luftfuktigheten. Detta gör att lådorna kollapsar lättare än om de skulle ha lagrats vid konstant luftfuktighet, även en hög sådan. Detta är på grund av det så kallade mekanosorptiva- eller accelererade krypfenomenet. Genom tillsatts av våtstyrkemedel till kraftliner eller behandla den med hydrofoba ämnen, finns indikatoner på att mekanosorptiva effekten skulle kunna minska. För att försöka minska den effekten har ett lågmolekylärt kraftlignin, som utvunnits med hjälp av tvärsflödesfiltrering av svartlut och svavelsyrafällning, använts. Genom derivatisering av detta lignin med linolja erhölls ett hydrofobt ligninderivat som uppvisar strukturella likheter med biopolymeren suberin. När detta suberinlika ligninderivat tillsätts till massa verkar det mekanosorptiva krypet minska. När lågmolekylärt lignin används tillsammans med ligninradikalinitiatorerna lackas eller mangan(III) i kraftlinermassa erhålls dessutom en våtstyrka på ca 5% av torrstyrkan. Efter aminering av detta lignin gav en tillsatts till kraftlinermassan en våtstyrka på upp till 10% av torrstyrkan. Det finns indikationer på att det mekanosorptiva krypet samtidigt minskar när dessa behandlingar görs som ger upphov till ökad våtstyrka. / Wood consists mainly of three types of polymers; cellulose, hemi cellulose and lignin. Lignin is formed in nature through enzymatic initiated oxidative coupling of three different kinds of phenyl propane units. These form by various carbon-carbon and carbon-oxygen bonds, an amorphous three-dimensional polymer. As chemical pulp is produced, lignin is degraded and dissolved into pulping liquors. These liquors contain the spent cooking chemicals and are generally burnt in a recovery boiler to regenerate cooking chemicals and produce steam. However, the recovery boiler is expensive. Hence, it has become the bottleneck for production in many pulp mills. Removal of some lignin from the spent cooking liquor would, for that reason, be desired and valuable products based on lignin from cooking liquors are searched for. One suitable area for lignin products would be as additive in unbleached pulp. A major product from unbleached pulp is kraftliner, the top and bottom layers of corrugated board. When boxes of corrugated board are stored in containers travelling overseas the relative humidity is varying. This makes the boxes collapse more easily than if they were stored at constant humidity, even a high one. This is due to the so called mechano-sorptive or accelerated creep phenomenon. By addition of wet strength additive to kraftliner or treating it with hydrophobic compounds there are indications on that the mechano-sorptive effect would decrease. Trying to decrease this effect, low molecular weight kraft lignin has been used. It was obtained by cross-flow filtration of black liquor and precipitation by sulphuric acid. By derivatisation of this lignin by linseed oil, a hydrophobic lignin derivative was obtained, similar in structure to units in the biopolymer suberin. As this suberin-like lignin-derivative was added to pulp the mechano-sorptive creep seemed to be lowered. Furthermore, when the low molecular weight lignin was used together with the lignin radical initiators laccase or manganese(III) in kraftliner pulp, a wet strength of about 5% of dry strength was obtained. An amination treatment of this lignin and addition to kraftliner pulp resulted in a wet strength of up to 10% of dry strength. There are indications of that the mechano-sorptive creep also decreases as these treatments, resulting in increased wet strength, are made. / QC 20101103

I detta examensarbete har en utredning gjorts med syftet att undersöka lämpligheten att genomföra en djupstabilisering med multicementpelare (MC-pelare) i ett område med högt ställda sättningskrav. Detta genom att numeriskt simulera hur djupstabiliserad lera kan bete sig vid belastning med avseende på långtidsdeformationer. Vidare utvärderas hur väl olika materialmodeller kan simulera sättningar med hänsyn till kryp samt huruvida krypsättningar bör beaktas vid denna typ av dimensionering. Simuleringarna är genomförda enligt de geotekniska förutsättningarna och den planerade byggnationen på Galoppfältet i Täby Park. Som en grund för beräkningarna genomfördes en litteraturstudie där bland annat valet att simulera pelarna med Mohr-Coulomb (MoC), Soft Soil Creep (SSC) och Concrete Model (CM) i Plaxis 2D motiveras. Pelarna simulerades med en axissymmetrisk 2D-modell och i samtliga beräkningar simulerades leran med kryp medan pelarna simulerades både med och utan krypsättningar. En kalibrering mot tidigare forskning på området samt sättningsberäkningar av lera på Galoppfältet genomfördes för att säkerställa den valda modellens lämplighet. Därefter simulerades pelare med olika geometriska förutsättningar och varierande uppfyllnadshöjd. En sensitivitetsanalys gjordes även för att åskådliggöra vilka av de osäkra parametrarna som ger stor påverkan på resultatet. Simuleringarna visade att det antagligen är lämpligt att djupförstärka leran med multicementpelare för att uppnå låga sättningar över tid. För en pelardiameter på 800 mm och ett centrumavstånd på 1200 mm uppnåddes följande sättningar med de olika uppfyllnadshöjderna samt de olikamaterial modellerna. Av de testade pelarna ansågs denna geometri mest lämplig för de givna förutsättningarna på Galoppfältet. Detta baseras på den totala sättningen och att vissa pelare gick till brott i simuleringarna för övriga geometrier med större centrumavstånd och mindre pelardiameter. Beräkningarna där pelarna simulerades med SSC- och CM med kryp visade på stor variation sinsemellan. Resultaten med SSC anses felaktigt låga på grund av bristfälliga materialdata och visas därför inte i sammanfattningen. Resultaten med CM utan kryp och MoC utan kryp anses mest trovärdiga om än dock potentiellt för låga eftersom krypsättningar i pelarna inte är inkluderade. Vidare anses CM överlag vara en lämplig modell för att simulera sättningar med kryp i djupförstärkt lera förutsatt att ett tillräckligt underlag för val av materialparametrar finns att tillgå. SSC kan potentiellt vara lämplig enligt resultat från sensitivitetsanalysen förutsatt att materialparametrar kan undersökas för de lokala förutsättningarna. Dock förordas CM för fortsatta studier med krypsättningar i djupförstärkt lera. MoC anses som en god modell om kryp försummas. Med hänsyn till detta anser författarna att kryptester på multicementpelare bör övervägas för att skapa bättre förutsättningar för dimensionering av djupförstärkt lera med krypsättningar. Något som kan ge underlag för dimensionering med högre precision och potentiellt ekonomisk vinning. / This master thesis investigates the suitability of using multicement, a mixture of cement and cement kiln dust (CKD), for deep cement mixing (DCM) as soil improvement in an area with high requirements regarding the maximum allowed settlements. This was done by numerical modelling of long-term settlement behaviour for a DCM improved soil. Furthermore, the usability of different material models when considering creep behaviour are studied. The report also investigates whether creep behaviour should be considered or not in this type of simulation. The simulations are done according to the geotechnical conditions and the planned design for an old gallop track in Täby Park, Sweden. A literature review is done as a basis for the simulations performed in Plaxis 2D with an axis symmetric 2D-model. The use of Mohr-Coulomb (MoC), Soft SoilCreep (SSC) and Concrete Model (CM) for the columns are motivated. Creep settlements are included in the clay for all simulations while the columns are simulated both with and without creep settlements. To ensure the suitability of the model, a calibration is done by replication of a research study as well as replication of settlement calculations of the unimproved clay on Galoppfältet. Thereafter different geometric options for the columns and varying fill depths are simulated. Lastly a sensitivity analysis is conducted to display how much the uncertain material properties affect the result. Using multicement columns (MC columns) for DCM seems to be a good method for stabilizing the soil in Galoppfältet to achieve small settlements over time. For columns with a diameter of 800 mm and a center distance of 1200 mm the following settlements were calculated with the different material models for different fill heights. This geometry was considered most suitable for the conditions at Galoppfältet.  The two material models which account for creep in the columns show significantly different levels of total settlement. Due to lack of material data the results from simulations with SSC is deemed incorrect and thus not shown in the abstract. Thereby the results from MoC and CM without creep are deemed most credible even though they may be slightly low since they do not consider creep settlements in the columns. Furthermore, the Concrete Model is considered a good model to simulate settlements including creep in improved clay given that the material properties are carefully selected based on testing of the material. Soft Soil Creep may potentially be suitable for columns according to the calibration given that the different material parameters are investigated for the local conditions. However, CMare favoured. Mohr-Coulomb is deemed as a good model if creep settlements are neglected. With regards to this, the authors believe that creep tests of multicement columns should be considered to create improved preconditions for dimensioning of DCM columns with creep. This to improve the accuracy of design and potentially create cost reductions.