Master's Thesis

Application of digital image correlation for characterization of early fatigue life stages of austenitic steel

Final Thesis 13.4 MB

Author of thesis: Ing. Dalibor Pavelčík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Miroslav Šmíd, Ph.D.

Reviewer: RNDr. Jan Čapek, Ph.D.

Abstract:

Master thesis is focused on the investigation of the initial fatigue life stages of austenitic stainless steels with the accent on characterising microstructural evolution, such as cyclic plasticity and crystallographic character. The initial stage of cyclic loading is a critical moment that defines the subsequent cyclic stress-strain response and residual lifetime. Therefore, a detailed understanding of the microstructure-mechanical properties relationship is crucial for the design of new materials or engineering structures. For this reason, an interrupted fatigue test on AISI 304L grade steel was performed under a strain-controlled regime with a symmetric loading cycle, to capture the development of cyclic plastic deformation, crystallography, phase composition and stress state during the first fatigue loading cycles by digital image correlation via scanning electron microscopy (SEM-DIC), electron backscatter diffraction (EBSD), high-resolution (HR)-EBSD and feritscope. To ensure successful test execution, it was necessary to design and test the specimen geometry and preparation methodology, as well as the fatigue test procedure. After the fatigue experiment, the chemical composition and topography were analysed by energy-dispersive spectrometry (EDS) and in situ atomic force microscopy (AFM). Fatigue behaviour consisted of initial cyclic hardening, followed by saturation cyclic softening, which progressively weakened until it reverted into secondary cyclic hardening. The latter fatigue stage was accompanied by the evolution of negative mean stress. SEM-DIC revealed the gradual activation of slip bands, which correlated well with the initial cyclic hardening stage and loading conditions. Local misorientations were revealed, originating from grain slip activity and the influence of surrounding grains. Strain-induced martensite nucleation during secondary cyclic hardening was confirmed by feritscope measurements. Revealed chemical heterogeneity led to SFE variability and promotion of martensitic transformation in the low-SFE areas. All the analytical techniques were found to be in good agreement and provided deep, mutually complementary insights.

Keywords:

Low-cycle fatigue, cyclic hardening, digital image correlation, stacking fault energy, misorientations

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svoji diplomovou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta práce. Otázky oponenta: 1. otázka - zodpovězeno 2. otázka (dvě podotázky) - zodpovězeno 3. otázka (dvě podotázky) - zodpovězeno Upřesnění - Zkoušeli jste naklonění vzorku s rovinou skluzu? (zodpovězeno) Otázky komise: Úprava vzorku - pro jakou největší drsnost povrchu tato metoda funguje. Ověřil jste si drsnost povrchu? (zodpovězeno) Přenos deformace přes hranice - ověřoval jste krystalografii zrn? (zodpovězeno) Je na obrázku 9 je něco v pořádku? (zodpovězeno) Jakým způsobem byl navržen tvar vzorku? (zodpovězeno) Jaka byla použita technologie obrábění zkušebního tělesa? (zodpovězeno)

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Materials Engineering (N-MTI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc. (místopředseda)
Ing. Lukáš Řehořek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Klára Částková, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Miroslav Šmíd, Ph.D.

Diplomová práce pana Dalibora Pavelčíka se zaměřila na dosažení dvou hlavních cílů: a) navržení metodologie provedení přerušovaných únavových zkoušek kombinovaných s korelativní mikroskopií zahrnující především digitální korelaci obrazu (DIC) a difrakci zpětně odražených elektronů (EBSD); b) popis charakteru lokalizace cyklické plastické deformace v počátečních fázích únavového života oceli typu AISI 304L. Z toho důvodu, předložená práce obsahuje významnou metodologickou část, neboť zamýšlený experiment je unikátní a musel být kompletně navržen studentem. Výsledková část kriticky ukazuje proveditelnost jednotlivých zobrazovacích a analytických metod (DIC, EBSD, HR EBSD, AFM, feritoskopické měření) a analýzu prvotních dat naměřených na studovaném materiálu.

Teoretická část je v dostatečném rozsahu a prokazuje studentovu dobrou orientaci v dané problematice. Členění textu je logické a grafická úprava je na velmi dobré úrovni.

Praktická část se skládá z popisu experimentu a výsledkové části, kde především mapy distribuce deformace, získané pomocí DIC, jsou dány do relace s cyklickým chováním oceli 304L. Využití dalších zmíněných metod tvoří konzistentní práci, jejíchž výsledky poukazují na vývoj mikrostruktury a nukleaci napěťově i deformačně indukovaného martensitu. Získané výsledky jsou originální a nadstandardně kvalitní a představují vhodný základ pro plánovanou impaktovanou publikaci. Po formální stránce je práce na velmi dobré úrovni. Je vhodné zmínit, že práce byla napsána v angličtině na nadstandardní úrovni. Navržená metodologie se osvědčila a představuje významný přínos pro skupinu vysokocyklové únavy Ústavu fyziky materiálů.

Pan Dalibor Pavelčík prokázal samostatnost při návrhu vzorku a konceptu testu stejně tak jako trpělivost a preciznost při samotném experimentu a jeho analýze. Cíle práce byly úspěšně dosaženy, a proto doporučuji diplomovou práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
RNDr. Jan Čapek, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá metodicky náročným přerušovaným únavovým experimentem a kombinuje řadu pokročilých experimentálních metod, zejména SEM-DIC, EBSD, HR-EBSD, EDS, AFM a feritoskopii. Rozsah provedených experimentů i množství získaných dat hodnotím jako nadstandardní a odpovídající náročnosti diplomové práce. Za hlavní přínos považuji korelativní přístup ke studiu lokální deformace, chemické heterogenity, změn stacking fault energy a vzniku martenzitu. Pozitivně hodnotím také kritický přístup autora k dosaženým výsledkům a otevřenou diskusi limitů použitých metod, zejména HR-EBSD a AFM.

Slabší stránkou práce je způsob prezentace metodiky a výsledků. Přestože je zřejmé, že významná část řešení spočívala ve vývoji a optimalizaci experimentální metodiky, řada důležitých rozhodnutí je v práci prezentována pouze ve své finální podobě bez podrobnějšího zdůvodnění. To se týká například návrhu geometrie vzorku, volby parametrů DIC analýzy nebo plánování přerušení únavového experimentu. Čtenář tak často získává výsledný postup, nikoliv však informaci o tom, jak k němu autor dospěl a jaké alternativní přístupy byly během řešení zvažovány.

Přehlednost práce dále snižuje způsob práce s obrazovou dokumentací. V diskuzi je čtenář často nucen vracet se k mapám a grafům uvedeným o mnoho stran dříve ve výsledkové části. Přestože jsou na ně v textu formálně uvedeny odkazy, takové uspořádání u práce založené na rozsáhlém souboru obrazových dat ztěžuje orientaci v textu.

Přes uvedené připomínky považuji práci za kvalitní a odborně hodnotnou. Autor prokázal schopnost samostatně pracovat s pokročilými experimentálními metodami, zpracovat rozsáhlý soubor dat a formulovat relevantní závěry. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení B.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Práce opakovaně odkazuje na autorovu bakalářskou práci. Mohl by autor stručně shrnout hlavní metodické a vědecké přínosy diplomové práce oproti práci bakalářské?
  2. Jaké alternativní přístupy nebo experimentální konfigurace byly během práce testovány a jaká hlavní metodická doporučení z této zkušenosti vyplývají? Pokud byste měl celý experiment navrhnout znovu, co byste ponechal stejné a co byste změnil?
  3. V diskusi rozdílné viditelnosti primárního a sekundárního skluzového systému v AFM datech zvažujete vliv směru skenování AFM sondy. Vzhledem k tomu, že orientace zrna a očekávané směry skluzových systémů byly známy z EBSD/DIC analýzy, bylo by možné zvolit směr AFM skenování tak, aby byl vůči oběma skluzovým systémům co nejméně zatížen směrovým artefaktem? Mohla by rozdílná orientace skluzových systémů vůči povrchu vzorku ovlivnit jejich rozdílnou viditelnost v topografii?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová