| dc.description.abstract | The industrial activity in the Arctic is expanding. An ever-increasing demand for energy is forcing the production of oil further north, where accidents may have severe ecological ramifications. Rough climate conditions and temperatures as low as -60˚C forces the use of materials with superior mechanical properties. The materials must display sufficient fracture and wear resistance at low temperatures, while avoiding excessive maintenance and maintaining lifetime integrity. To overcome these challenges, fracture mechanisms, material properties and the underlying cause of the ductile-to-brittle transition must be understood. An enhanced understanding of the fracture behavior at lower temperatures will ensure safer utilization of the materials and reduce production and operation costs through design criteria modification reducing over-dimensioning.
Traditionally, fracture mechanics research has been conducted at the macro level with a statistical mindset, while covering ductile-to-brittle transition and the quantification of critical fracture parameters through a local approach. Understanding the governing mechanisms behind deformation and fracture at a microstructural level is considered crucial, and quantifying local material failure parameters is an important step towards linking the mechanics at the microscale and the global behavior. With the development of focused ion beam systems, producing samples at the scale of the microstructural aspects in their natural state has become possible. This has led to the development of micro-scale fracture tests and a steadily growing field of research. However, most of these experiments have been conducted on linear-elastic materials and only limited fracture experiments have been conducted at low temperatures at the micro-scale.
The main scope of the thesis was to increase the understanding of low-temperature micro-scale fracture properties of iron. The local microstructural fracture behavior has been investigated using cryogenic testing equipment, enabling detailed fracture mechanical insight at low temperatures. Single crystal notched iron cantilevers, with the crack systems (100)[01̅1] and (101̅)[101] were loaded at room temperature, 220K, 135K and 40K. Both pentagonal flat notched and pentagonal chevron notched cantilevers were loaded to obtain both the fracture toughness and crack arrest toughness. The crack arrest tests were in reasonable agreement with large-scale tests, while the initiation toughness was somewhat lower than observed at the macro-scale. The crack arrest tests were supported by finite element analysis for each individual cantilever offering tailored shape factors. Both linear-elastic and elastic-plastic calculations were made to cover the range of available methods and theory.
_ _ _ _ _ _ _ _ _
Den industrielle aktiviteten i arktiske strøk er voksende. Et økende behov for energi presser produksjonen av olje lenger nord, hvor ulykker kan føre til alvorlige skader på miljø og dyreliv. Et hardt klima og temperaturer ned til -60˚C krever materialer med utmerkede mekaniske egenskaper. Materialene må ha en betydelig bruddseighet og slitasjemotstand, samtidig som mye vedlikehold må unngås. For å møte disse utfordringene må mekanismene bak brudd, materialenes egenskaper og temperaturens påvirkning kartlegges og forstås. Bedre forståelse av materialenes oppførsel før og under brudd ved lave temperaturer vil føre til tryggere bruk av materialer, redusere operasjonskostnader gjennom tryggere designkriterier og redusere overdimensjonering.
Tradisjonelt sett har forskning på bruddmekanikk blitt utført på makroskala med fokus på statistikk, med kritiske bruddparametere og overgangen fra duktilt til sprøtt brudd tolket fra et lokalt synspunkt. Å forstå de grunnleggende mekanismene bak deformasjon og brudd på mikrostrukturnivå er sett på som avgjørende for å operere i Arktis på en sikker måte. Kvantifisering av lokale materialegenskaper vil også være et viktig steg mot å kunne koble mikroskala mekanikk og global oppførsel. Med utviklingen av mikroskoper med fokuserte ionestråler kan testprøver på samme størrelsesskala som bestanddelene i mikrostrukturen lages. Dette har ført til utviklingen av mikroskala bruddprøver og at mikroskala bruddmekanikk har blitt et voksende forskningsfelt. Mesteparten av forskningen gjort innen mikroskala bruddmekanikk har blitt gjennomført i lineærelastiske materialer, og få eksperimenter har blitt gjort ved lave temperaturer. Et behov for lavtemperaturtesting av elastisk-plastiske materialer er derfor et sårt behov for å styrke forståelsen av bruddmekanikk på mikroskala.
Hovedfokuset for denne avhandlingen har vært å øke forståelsen av lavtemperatur mikroskala bruddmekanikk i jern. Mikrostrukturen har blitt studert med bruk av utstyr med mulighet til å kjøle med flytende nitrogen og flytende helium, noe som gir detaljert innsikt i bruddmekaniske mekanismer ved lav temperatur. Enkrystallbjelker med kjerv, med sprekksystemene (100)[01̅1] og (101̅)[101], ble testet ved romtemperatur, 220K, 135K og 40K. Pentagonale bjelker med flat og Chevronkjerv ble testet for å beregne bruddseighet og sprekkstansegenskaper. De målte verdiene for sprekkstans er godt sammenlignbare med verdier målt i større prøver, mens verdier for start av brudd er noe lavere. Dette viser at bruddmekanikk brukt i større skala ikke kan brukes direkte i plastiske materialer ved mikroskala. Testene gjennomført med Chevronkjerv ble støttet av elementanalyse for å beregne individuelle formfaktorer. Både lineærelastiske og elastisk-plastiske beregninger ble gjennomført for å dekke en god spredning av tilgjengelige metoder og teorier. | nb_NO |
