Initiation and early crack growth in VHCF of stainless steels : Experimental and theoretical analysis

Mechanical fatigue is a failure phenomenon that occurs due to repeated application of mechanical loads. Very High Cycle Fatigue (VHCF) is considered as the domain of fatigue life greater than 10 million load cycles. Increasing numbers of structural components have service life in the VHCF regime, for instance in automotive and high speed train transportation, gas turbine disks, and components of paper production machinery. Safe and reliable operation of these components depends on the knowledge of their VHCF properties. In this thesis both experimental tools and theoretical modelling were utilized to develop better understanding of the VHCF phenomena. In the experimental part, ultrasonic fatigue testing at 20 kHz of cold rolled and hot rolled stainless steel grades was conducted and fatigue strengths in the VHCF regime were obtained. The mechanisms for fatigue crack initiation and short crack growth were investigated using electron microscopes. For the cold rolled stainless steels crack initiation and early growth occurred through the formation of the Fine Granular Area (FGA) observed on the fracture surface and in TEM observations of cross-sections. The crack growth in the FGA seems to control more than 90% of the total fatigue life. For the hot rolled duplex stainless steels fatigue crack initiation occurred due to accumulation of plastic fatigue damage at the external surface, and early crack growth proceeded through a crystallographic growth mechanism. Theoretical modelling of complex cracks involving kinks and branches in an elastic half-plane under static loading was carried out by using the Distributed Dislocation Dipole Technique (DDDT). The technique was implemented for 2D crack problems. Both fully open and partially closed crack cases were analyzed. The main aim of the development of the DDDT was to compute the stress intensity factors. Accuracy of 2% in the computations was attainable compared to the solutions obtained by the Finite Element Method.

Caractérisation du potentiel de champ locale dans le cortex préfrontal médian du rat durant le stress et la prise alimentaire

Le stress joue un rôle important dans le maintien de la qualité de vie quotidienne. Une exposition à une situation stressante peut causer divers désordres neuropsychiatriques du cerveau qui sont associés avec des problèmes liés au sommeil, à la dépression, à des problèmes digestifs et à des troubles de l’alimentation. Les traitements de ces troubles liés au stress sont très coûteux à travers le monde. De nos jours, des considérations importantes ont été soulevées afin de trouver des moyens appropriés pour la prévention plutôt que de dépenser ultérieurement plus de budget sur les traitements. De cette façon, l’étude et l’expérimentation sur les animaux des troubles liés au stress sont l’un des moyens les plus fiables pour atteindre une compréhension plus profonde des problèmes liés au stress. Ce projet visait à révéler la modulation des potentiels de champ locaux (LFP) lors de la consommation de sucrose dans deux conditions englobant la condition de contrôle non-stressante et celle stressante d’un choc électrique aiguë à la patte dans le cortex préfrontal médian (CPFm) du cerveau de rat. Le CPFm est une structure importante dans la réponse au stress et à l’anxiété par l’interaction avec l’axe hypothalamique-pituitaire surrénale (HPA). Les résultats de ce projet ont révélé que la plupart des coups de langue se sont produits dans les 15 premières minutes de l’accès à une solution de sucrose autant pour la condition contrôle non-stressante que pour la condition stressante. En outre, le stress aigu d’un choc à la patte affecte de manière significative la consommation horaire de sucrose en diminuant le volume de la consommation. Les résultats ont également révélé une présence importante du rythme thêta dans le CPFm pendant la condition de base et pendant l’ingestion de sucrose dans les deux conditions. De plus, les résultats ont montré une diminution de puissance des bandes delta et thêta lors des initiations de léchage du sucrose. Ce projet conduit à des informations détaillées sur les propriétés électrophysiologiques du cortex infra-limbique (IL) du CPFm en réponse à l’exposition à des conditions de stress et de l’apport d’une solution de sucrose. Ce projet permet également de mieux comprendre les mécanismes neurophysiologiques des neurones du CPFm en réponse à l’exposition à une condition stressante suivie d’apport de sucrose. Ce projet a également permis de confirmer les effets anorexigènes du stress et suggèrent également que la synchronisation neuronale dans le cortex IL peut jouer un rôle dans le comportement de léchage et sa désynchronisation pendant le léchage après une exposition à des conditions stressantes.

Phase-field analysis of finite-strain plates and shells including element subdivision

With the theme of fracture of finite-strain plates and shells based on a phase-field model of crack regularization, we introduce a new staggered algorithm for elastic and elasto-plastic materials. To account for correct fracture behavior in bending, two independent phase-fields are used, corresponding to the lower and upper faces of the shell. This is shown to provide a realistic behavior in bending-dominated problems, here illustrated in classical beam and plate problems. Finite strain behavior for both elastic and elasto-plastic constitutive laws is made compatible with the phase-field model by use of a consistent updated-Lagrangian algorithm. To guarantee sufficient resolution in the definition of the crack paths, a local remeshing algorithm based on the phase- field values at the lower and upper shell faces is introduced. In this local remeshing algorithm, two stages are used: edge-based element subdivision and node repositioning. Five representative numerical examples are shown, consisting of a bi-clamped beam, two versions of a square plate, the Keesecker pressurized cylinder problem, the Hexcan problem and the Muscat-Fenech and Atkins plate. All problems were successfully solved and the proposed solution was found to be robust and efficient.

Predictions of J integral and tensile strength of clay/epoxy nanocomposites material using phase field model

We predict macroscopic fracture related material parameters of fully exfoliated clay/epoxy nano- composites based on their fine scale features. Fracture is modeled by a phase field approach which is implemented as user subroutines UEL and UMAT in the commercial finite element software Abaqus. The phase field model replaces the sharp discontinuities with a scalar damage field representing the diffuse crack topology through controlling the amount of diffusion by a regularization parameter. Two different constitutive models for the matrix and the clay platelets are used; the nonlinear coupled system con- sisting of the equilibrium equation and a diffusion-type equation governing the phase field evolution are solved via a NewtoneRaphson approach. In order to predict the tensile strength and fracture toughness of the clay/epoxy composites we evaluated the J integral for different specimens with varying cracks. The effect of different geometry and material parameters, such as the clay weight ratio (wt.%) and the aspect ratio of clay platelets are studied.