Techniques to accelerate convergence of stress-controlled molecular dynamics simulations of dislocation motion

Dislocation mobility —the relation between applied stress and dislocation velocity—is an important property to model the mechanical behavior of structural materials. These mobilities reflect the interaction between the dislocation core and the host lattice and, thus, atomistic resolution is required to capture its details. Because the mobility function is multiparametric, its computation is often highly demanding in terms of computational requirements. Optimizing how tractions are applied can be greatly advantageous in accelerating convergence and reducing the overall computational cost of the simulations. In this paper we perform molecular dynamics simulations of ½ 〈1 1 1〉 screw dislocation motion in tungsten using step and linear time functions for applying external stress. We find that linear functions over time scales of the order of 10–20 ps reduce fluctuations and speed up convergence to the steady-state velocity value by up to a factor of two.

Interstitial defects stability in FeCr alloys vs Cr concentration

Finding adequate materials to withstand the demanding conditions in the future fusion and fission reactors is a real challenge in the development of these technologies. Structural materials need to sustain high irradiation doses and temperatures that will change the microstructure over time. A better understanding of the changes produced by the irradiation will allow for a better choice of materials, ensuring a safer and reliable future power plants. High-Cr ferritic/martensitic steels head the list of structural materials due to their high resistance to swelling and corrosion. However, it is well known that these alloys present a problem of embrittlement, which could be caused by the presence of defects created by irradiation as these defects act as obstacles for dislocation motion. Therefore, the mechanical response of these materials will depend on the type of defects created during irradiation. In this work, we address a study of the effect Cr concentration has on single interstitial defect formation energies in FeCr alloys.

Micropillar compression of LiF [111] single crystals: effect of size, ion irradiation and misorientation

The mechanical response under compression of LiF single crystal micropillars oriented in the [111] direction was studied. Micropillars of different diameter (in the range 1–5 lm) were obtained by etching the matrix in directionally-solidified NaCl–LiF and KCl–LiF eutectic compounds. Selected micropillars were exposed to high-energy Ga+ ions to ascertain the effect of ion irradiation on the mechanical response. Ion irradiation led to an increase of approximately 30% in the yield strength and the maximum compressive strength but no effect of the micropillar diameter on flow stress was found in either the as-grown or the ion irradiated pillars. The dominant deformation micromechanisms were analyzed by means of crystal plasticity finite element simulations of the compression test, which explained the strong effect of micropillar misorientation on the mechanical response. Finally, the lack of size effect on the flow stress was discussed to the light of previous studies in LiF and other materials which show high lattice resistance to dislocation motion.

Ballistic performance of nanocrystalline and nanotwinned ultrafine crystal steel

Because of their remarkable mechanical properties, nanocrystalline metals have been the focus of much research in recent years. Refining their grain size to the nanometer range (<100 nm) effectively reduces their dislocation mobility, thus achieving very high yield strength and surface hardness—as predicted by the Hall–Petch relation—as well as higher strain-rate sensitivity. Recent works have additionally suggested that nanocrystalline metals exhibit an even higher compressive strength under shock loading. However, the increase in strength of these materials is generally accompanied by an important reduction in ductility. As an alternative, efforts have been focused on ultrafine crystals, i.e. polycrystals with a grain size in the range of 500 nm to 1 μm, in which “growth twins” (twins introduced inside the grain before deformation) act as barriers against dislocation movement, thus increasing the strength in a similar way as nanocrystals but without significant loss of ductility. Due to their outstanding mechanical properties, both nanocrystalline and nanotwinned ultrafine crystalline steels appear to be relevant candidates for ballistic protection. The aim of the present work is to compare their ballistic performance against coarse-grained steel, as well as to identify the effect of the hybridization with a carbon fiber–epoxy composite layer. Hybridization is proposed as a way to improve the nanocrystalline brittle properties in a similar way as is done with ceramics in other protection systems. The experimental campaign is finally complemented by numerical simulations to help identify some of the intrinsic deformation mechanisms not observable experimentally. As a conclusion, nanocrystalline and nanotwinned ultrafine crystals show a lower energy absorption than coarse-grained steel under ballistic loading, but under equal impact conditions with no penetration, deformation in the impact direction is smaller by nearly 40%. This a priori surprising difference in the energy absorption is rationalized by the more important local contribution of the deviatoric stress vs. volumetric stress under impact than under uniaxial deformation. Ultimately, the deformation advantage could be exploited in the future for personal protection systems where a small deformation under impact is of key importance.

Role of surface trap states on two-dimensional electron gas density in InAlN/AlN/GaN heterostructures

In order to clarify the effect of charged dislocations and surface donor states on the transport mechanisms in polar AlInN/AlN/GaN heterostructures, we have studied the current-voltage characteristics of Schottky junctions fabricated on AlInN/AlN/GaN heterostructures. The reverse-bias leakage current behaviour has been interpreted with a Poole-Frenkel emission of electrons from trap states near the metal-semiconductor junction to dislocation induced states. The variation of the Schottky barrier height as a function of the AlN layer thickness has been measured and discussed, considering the role of the surface states in the formation of the two dimensional electron gas at AlN/GaN interface.

Assessment of interatomic potentials for atomistic analysis of static and dynamic properties of screw dislocations in W

Screw dislocations in bcc metals display non-planar cores at zero temperature which result in high lattice friction and thermally-activated strain rate behavior. In bcc W, electronic structure molecular statics calculations reveal a compact, non-degenerate core with an associated Peierls stress between 1.7 and 2.8 GPa. However, a full picture of the dynamic behavior of dislocations can only be gained by using more efficient atomistic simulations based on semiempirical interatomic potentials. In this paper we assess the suitability of five different potentials in terms of static properties relevant to screw dislocations in pure W. Moreover, we perform molecular dynamics simulations of stress-assisted glide using all five potentials to study the dynamic behavior of screw dislocations under shear stress. Dislocations are seen to display thermally-activated motion in most of the applied stress range, with a gradual transition to a viscous damping regime at high stresses. We find that one potential predicts a core transformation from compact to dissociated at finite temperature that affects the energetics of kink-pair production and impacts the mechanism of motion. We conclude that a modified embedded-atom potential achieves the best compromise in terms of static and dynamic screw dislocation properties, although at an expense of about ten-fold compared to central potentials.

Superplastic deformation of directionally solidified nanofibrillar Al2O3-Y3Al5O12-ZrO2 eutectics

Nanofibrillar Al2O3–Y3Al5O12–ZrO2 eutectic rods were manufactured by directional solidification from the melt at high growth rates in an inert atmosphere using the laser-heated floating zone method. Under conditions of cooperative growth, the ternary eutectic presented a homogeneous microstructure, formed by bundles of single-crystal c-oriented Al2O3 and Y3Al5O12 (YAG) whiskers of ≈100 nm in width with smaller Y2O3-doped ZrO2 (YSZ) whiskers between them. Owing to the anisotropic fibrillar microstructure, Al2O3–YAG–YSZ ternary eutectics present high strength and toughness at ambient temperature while they exhibit superplastic behavior at 1600 K and above. Careful examination of the deformed samples by transmission electron microscopy did not show any evidence of dislocation activity and superplastic deformation was attributed to mass-transport by diffusion within the nanometric domains. This combination of high strength and toughness at ambient temperature together with the ability to support large deformations without failure above 1600 K is unique and shows a large potential to develop new structural materials for very high temperature structural applications.

Latent hardening size effect in small-scale plasticity

We aim at understanding the multislip behaviour of metals subject to irreversible deformations at small-scales. By focusing on the simple shear of a constrained single-crystal strip, we show that discrete Dislocation Dynamics (DD) simulations predict a strong latent hardening size effect, with smaller being stronger in the range [1.5 µm, 6 µm] for the strip height. We attempt to represent the DD pseudo-experimental results by developing a flow theory of Strain Gradient Crystal Plasticity (SGCP), involving both energetic and dissipative higher-order terms and, as a main novelty, a strain gradient extension of the conventional latent hardening. In order to discuss the capability of the SGCP theory proposed, we implement it into a Finite Element (FE) code and set its material parameters on the basis of the DD results. The SGCP FE code is specifically developed for the boundary value problem under study so that we can implement a fully implicit (Backward Euler) consistent algorithm. Special emphasis is placed on the discussion of the role of the material length scales involved in the SGCP model, from both the mechanical and numerical points of view.

Optimum high temperature strength of two-dimensional nanocomposites

High-temperature nanoindentation was used to reveal nano-layer size effects on the hardness of two-dimensional metallic nanocomposites. We report the existence of a critical layer thickness at which strength achieves optimal thermal stability. Transmission electron microscopy and theoretical bicrystal calculations show that this optimum arises due to a transition from thermally activated glide within the layers to dislocation transmission across the layers. We demonstrate experimentally that the atomic-scale properties of the interfaces profoundly affect this critical transition. The strong implications are that interfaces can be tuned to achieve an optimum in high temperature strength in layered nanocomposite structures.

Molecular dynamics modeling and simulation of void growth in two dimensions

The mechanisms of growth of a circular void by plastic deformation were studied by means of molecular dynamics in two dimensions (2D). While previous molecular dynamics (MD) simulations in three dimensions (3D) have been limited to small voids (up to ≈10 nm in radius), this strategy allows us to study the behavior of voids of up to 100 nm in radius. MD simulations showed that plastic deformation was triggered by the nucleation of dislocations at the atomic steps of the void surface in the whole range of void sizes studied. The yield stress, defined as stress necessary to nucleate stable dislocations, decreased with temperature, but the void growth rate was not very sensitive to this parameter. Simulations under uniaxial tension, uniaxial deformation and biaxial deformation showed that the void growth rate increased very rapidly with multiaxiality but it did not depend on the initial void radius. These results were compared with previous 3D MD and 2D dislocation dynamics simulations to establish a map of mechanisms and size effects for plastic void growth in crystalline solids.

Latent hardening size effect in small-scale plasticity

We aim at understanding the multislip behaviour of metals subject to irreversible deformations at small-scales. By focusing on the simple shear of a constrained single-crystal strip, we show that discrete Dislocation Dynamics (DD) simulations predict a strong latent hardening size effect, with smaller being stronger in the range [1.5 µm, 6 µm] for the strip height. We attempt to represent the DD pseudo-experimental results by developing a flow theory of Strain Gradient Crystal Plasticity (SGCP), involving both energetic and dissipative higher-order terms and, as a main novelty, a strain gradient extension of the conventional latent hardening. In order to discuss the capability of the SGCP theory proposed, we implement it into a Finite Element (FE) code and set its material parameters on the basis of the DD results. The SGCP FE code is specifically developed for the boundary value problem under study so that we can implement a fully implicit (Backward Euler) consistent algorithm. Special emphasis is placed on the discussion of the role of the material length scales involved in the SGCP model, from both the mechanical and numerical points of view.

Continuum models of the mechanical behavior of rolled and die-cast magnesium alloys

En los últimos años ha habido una fuerte tendencia a disminuir las emisiones de CO2 y su negativo impacto medioambiental. En la industria del transporte, reducir el peso de los vehículos aparece como la mejor opción para alcanzar este objetivo. Las aleaciones de Mg constituyen un material con gran potencial para el ahorro de peso. Durante la última década se han realizado muchos esfuerzos encaminados a entender los mecanismos de deformación que gobiernan la plasticidad de estos materiales y así, las aleaciones de Mg de colada inyectadas a alta presión y forjadas son todavía objeto de intensas campañas de investigación. Es ahora necesario desarrollar modelos que contemplen la complejidad inherente de los procesos de deformación de éstos. Esta tesis doctoral constituye un intento de entender mejor la relación entre la microestructura y el comportamiento mecánico de aleaciones de Mg, y dará como resultado modelos de policristales capaces de predecir propiedades macro- y microscópicas. La deformación plástica de las aleaciones de Mg está gobernada por una combinación de mecanismos de deformación característicos de la estructura cristalina hexagonal, que incluye el deslizamiento cristalográfico en planos basales, prismáticos y piramidales, así como el maclado. Las aleaciones de Mg de forja presentan texturas fuertes y por tanto los mecanismos de deformación activos dependen de la orientación de la carga aplicada. En este trabajo se ha desarrollado un modelo de plasticidad cristalina por elementos finitos con el objetivo de entender el comportamiento macro- y micromecánico de la aleación de Mg laminada AZ31 (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). Este modelo, que incorpora el maclado y tiene en cuenta el endurecimiento por deformación debido a las interacciones dislocación-dislocación, dislocación-macla y macla-macla, predice exitosamente las actividades de los distintos mecanismos de deformación y la evolución de la textura con la deformación. Además, se ha llevado a cabo un estudio que combina difracción de electrones retrodispersados en tres dimensiones y modelización para investigar el efecto de los límites de grano en la propagación del maclado en el mismo material. Ambos, experimentos y simulaciones, confirman que el ángulo de desorientación tiene una influencia decisiva en la propagación del maclado. Se ha observado que los efectos no-Schmid, esto es, eventos de deformación plástica que no cumplen la ley de Schmid con respecto a la carga aplicada, no tienen lugar en la vecindad de los límites de baja desorientación y se hacen más frecuentes a medida que la desorientación aumenta. Esta investigación también prueba que la morfología de las maclas está altamente influenciada por su factor de Schmid. Es conocido que los procesos de colada suelen dar lugar a la formación de microestructuras con una microporosidad elevada, lo cuál afecta negativamente a sus propiedades mecánicas. La aplicación de presión hidrostática después de la colada puede reducir la porosidad y mejorar las propiedades aunque es poco conocido su efecto en el tamaño y morfología de los poros. En este trabajo se ha utilizado un enfoque mixto experimentalcomputacional, basado en tomografía de rayos X, análisis de imagen y análisis por elementos finitos, para la determinación de la distribución tridimensional (3D) de la porosidad y de la evolución de ésta con la presión hidrostática en la aleación de Mg AZ91 (Mg- 9wt.%Al-1wt.%Zn) colada por inyección a alta presión. La distribución real de los poros en 3D obtenida por tomografía se utilizó como input para las simulaciones por elementos finitos. Los resultados revelan que la aplicación de presión tiene una influencia significativa tanto en el cambio de volumen como en el cambio de forma de los poros que han sido cuantificados con precisión. Se ha observado que la reducción del tamaño de éstos está íntimamente ligada con su volumen inicial. En conclusión, el modelo de plasticidad cristalina propuesto en este trabajo describe con éxito los mecanismos intrínsecos de la deformación de las aleaciones de Mg a escalas meso- y microscópica. Más especificamente, es capaz de capturar las activadades del deslizamiento cristalográfico y maclado, sus interacciones, así como los efectos en la porosidad derivados de los procesos de colada. ---ABSTRACT--- The last few years have seen a growing effort to reduce CO2 emissions and their negative environmental impact. In the transport industry more specifically, vehicle weight reduction appears as the most straightforward option to achieve this objective. To this end, Mg alloys constitute a significant weight saving material alternative. Many efforts have been devoted over the last decade to understand the main mechanisms governing the plasticity of these materials and, despite being already widely used, high pressure die-casting and wrought Mg alloys are still the subject of intense research campaigns. Developing models that can contemplate the complexity inherent to the deformation of Mg alloys is now timely. This PhD thesis constitutes an attempt to better understand the relationship between the microstructure and the mechanical behavior of Mg alloys, as it will result in the design of polycrystalline models that successfully predict macro- and microscopic properties. Plastic deformation of Mg alloys is driven by a combination of deformation mechanisms specific to their hexagonal crystal structure, namely, basal, prismatic and pyramidal dislocation slip as well as twinning. Wrought Mg alloys present strong textures and thus specific deformation mechanisms are preferentially activated depending on the orientation of the applied load. In this work a crystal plasticity finite element model has been developed in order to understand the macro- and micromechanical behavior of a rolled Mg AZ31 alloy (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). The model includes twinning and accounts for slip-slip, slip-twin and twin-twin hardening interactions. Upon calibration and validation against experiments, the model successfully predicts the activity of the various deformation mechanisms and the evolution of the texture at different deformation stages. Furthermore, a combined three-dimensional electron backscatter diffraction and modeling approach has been adopted to investigate the effect of grain boundaries on twin propagation in the same material. Both experiments and simulations confirm that the misorientation angle has a critical influence on twin propagation. Non-Schmid effects, i.e. plastic deformation events that do not comply with the Schmid law with respect to the applied stress, are absent in the vicinity of low misorientation boundaries and become more abundant as misorientation angle increases. This research also proves that twin morphology is highly influenced by the Schmid factor. Finally, casting processes usually lead to the formation of significant amounts of gas and shrinkage microporosity, which adversely affect the mechanical properties. The application of hydrostatic pressure after casting can reduce the porosity and improve the properties but little is known about the effects on the casting’s pores size and morphology. In this work, an experimental-computational approach based on X-ray computed tomography, image analysis and finite element analysis is utilized for the determination of the 3D porosity distribution and its evolution with hydrostatic pressure in a high pressure diecast Mg AZ91 alloy (Mg-9wt.%Al-1wt.%Zn). The real 3D pore distribution obtained by tomography is used as input for the finite element simulations using an isotropic hardening law. The model is calibrated and validated against experimental stress-strain curves. The results reveal that the pressure treatment has a significant influence both on the volume and shape changes of individuals pores, which have been precisely quantified, and which are found to be related to the initial pore volume. In conclusion, the crystal plasticity model proposed in this work successfully describes the intrinsic deformation mechanisms of Mg alloys both at the mesoscale and the microscale. More specifically, it can capture slip and twin activities, their interactions, as well as the potential porosity effects arising from casting processes.

Traslaciones Poéticas: un recorrido por la Friedrichstrasse de Mies van der Rohe en 1921. Arquitectura, fotografía y cine, la percepción en la arquitectura

El presente ensayo pretende aportar una reflexión sobre el amplio territorio de la imagen en la arquitectura hoy. Para ello un buen ejemplo es el proyecto del Rascacielos de la Friedrichstrasse, realizado por Mies van der Rohe en el periodo de entre guerras de 1921/22. Muchas son las razones que han hecho de esta obra la elegida, pero una más actual sobresale del resto: que de los cientos de ensayos vertidos sobre esta obra solo se haya comentado -salvo alguna excepción- las características objetuales de lo directamente descrito por las vistas -como si fuera un fiel reflejo de la realidad- sin entrar a analizar la verdadera naturaleza física y simbólica de lo representado como expresión subjetiva –espacial- de una arquitectura. Si su importancia como punto de inflexión en el desarrollo inicial de una obra plenamente moderna es un motivo más que suficiente para dedicarle un estudio pormenorizado, ya que puede resultar crucial para comprender los inicios del autor en el Movimiento Moderno. Su presencia como un reducido conjunto de cuatro vistas perspectivas, mezcla de una fotografía del lugar y de un dibujo realizado sobre la misma, acarrea en nuestra opinión significaciones igual de importantes para la comprensión de esta arquitectura que todas aquellas ideas descritas sobre las mismas. Creadas en una época seminal, cuando el lenguaje de la fotografía y el cine están en pleno desarrollo, se puede afirmar que el conjunto de representaciones del Rascacielos de la Friedrichstrasse forman parte como referente histórico de una de las primeras arquitecturas virtuales que pertenecen de pleno derecho al Movimiento Moderno. Paradigma de las más absoluta actualidad, por encontrarse en esa frontera de lo nunca realizado, pero sí asumible espacialmente como realidad fotográfica, las imágenes del rascacielos se pueden considerar así como una de las primeras reflexiones sobre la naturaleza virtual del proyecto arquitectónico postindustrial. No siendo novedoso que la descripción fotográfica de una obra absorba y comunique por sí misma las múltiples propiedades que esta posee, como tampoco lo es que la mayoría de arquitecturas se den por conocidas actualmente a través de los medios. Sorprende que hasta hoy no se hayan analizado con la misma intensidad las múltiples razones que dieron lugar a unas imágenes cuya poética da forma por igual a la arquitectura que representan. Si la intención es reflexionar así sobre este hecho contemporáneo mediante un ejemplo paradigmático, certificado por la historia, nos veremos obligados a emplear una metodología acorde a la condición dual que toda imagen mediatizada produce en su lectura como mezcla fluctuante entre lo que se interpreta de manera autónoma a través de lo representado y de los significados que la imagen adquiere a lo largo de su recorrido como referente histórico. Esta ambivalencia interpretativa llevará a organizar este ensayo mediante dos bloques claramente diferenciados que, complementarios entre sí, siguen el orden de lectura que toda imagen de una arquitectura ofrece a través de los medios. Así, una primera parte, titulada La imagen de una arquitectura, analiza la interpretación que la historia y el autor han dado al rascacielos por medio de su uso en las diferentes exposiciones, revistas, tratados de estilos y monografías de las que ha formado parte. Este recorrido, que es el verdadero espacio donde estas arquitecturas residen, limitado -por una cuestión de poner orden- al estudio a los países que acogieron en vida al autor, servirá para establecer una primera narrativa que expone las diferentes posiciones que la crítica ha producido a lo largo del tiempo. La presencia del primer rascacielos junto al segundo, en la publicación que el arquitecto realiza de manera temprana en Frühlicht, obligará a incorporar esta segunda solución como una parte más del estudio. Cargada de las citas obligadas, de las diferentes personalidades que se han enfrentado a dichos proyectos, este primer análisis historiográfico establece un primer estado de la cuestión donde se revela una lectura ambivalente de los rascacielos. Si la interpretación directa de sus imágenes ha permitido profundizar en las características del vidrio y sus reflejos y en la desnudez de una estructura metálica como claros ejemplos de una expresión moderna y tecnológica de vidrio y el acero. Las particulares formas triangulares del primero y las formas sinuosas del segundo han dado lugar a una multitud de calificaciones, de ser ejemplo tanto de un Expresionismo como de un dadaísmo o constructivismo, que con el tiempo han ido creciendo hacia una admiración artística con una fuerte carga poética. Este lectura histórica, que remata con un breve periodo más actual donde se inicia el cuestionamiento de su carácter utópico y se recupera puntualmente su naturaleza como proyecto, servirá para plantear finalmente una serie de dudas que, sin respuesta aparente, exigen revisar la lectura de sus imágenes como parte de lo que realmente son: expresión de una nueva arquitectura que a partir de ese preciso momento entra de pleno derecho en el Movimiento Moderno. Por otro lado, la existencia en el discurso posterior del arquitecto de un proceso de formalizacion altamente valorado por su autor y la presencia de igual a igual de un lugar en las representaciones y planos de los rascacielos, que la historia parece haber obviado, servirán como razón más que suficiente para la revisión de unas relaciones iniciales con la vanguardia -todavía hoy poco definidas- así como para proponer la lectura renovada de dichas propuestas en altura por lo que también son: proyectos que responden a unas necesidades espaciales de un lugar y tiempo muy determinados. Esta segunda parte, denominada La arquitectura de una imagen, se plantea así más como una inmersión total en el mundo del proyecto que una simple descripción nominal del mismo. Conscientemente simétrica y opuesta a un primer bloque histórico, esta segunda parte -mucho más extensa y parte central de esta tesis- se concentra en el análisis de las imágenes como: aquel conjunto de eventos históricos que aplicados sobre la ciudad, el lugar, el rascacielos, y los procesos técnicos de la imagen dieron lugar a estas arquitecturas como razón de ser. Consecuentemente se tratará pues de bucear en las razones que, ocultas como proceso de formalización, llevaron a Mies a dar un paso más allá hacia a una nueva manera de hacer, ver y pensar su arquitectura, de expresar un espacio. La aproximación a estas imágenes radicará por tanto en resaltar al mismo tiempo la naturaleza de unas representaciones cuyas características fotográficas son el fiel reflejo de una época donde los nuevos medios visuales –cine y fotografía- empiezan a ser cuestionados por su excesiva utilización. La complejidad de unos hechos coincidentes en el tiempo obligará a dividir este estudio en un primer acercamiento general, a la respuesta dada por una mayoría de participantes al concurso, para así cotejar la importancia de una actitud proyectual y contextual común de Mies y sus compañeros. Mezcla de requerimientos y necesidades de la propia historia de la parcela, de las peculiaridades de un lugar y las exigencias programáticas del concurso; el siguiente paso consistirá en reconstruir el proceso de formalización del conjunto de dibujos que caracterizan ambos proyectos para así comprender los mecanismo que, suspendidos como traslaciones entre las diferentes representaciones, operan en la realización física de dichas imágenes y complementan como pensamiento la idea arquitectónica de los mismos. Con lo que se pretende ofrecer dos cosas: una interpretación que tenga en cuenta la novedosa naturaleza de la manera de pensar lo fotográfico en el arquitecto, así como la particular idiosincrasia del momento en que estas concurren. Dicho de otro modo, se realizará una aproximación de las vistas del primer rascacielos que tenga en cuenta la historia tecnológica y visual que rodea al evento y las características de una ejecución física todavía hoy sin aclarar del todo. El descubrimiento de una serie de incoherencias geométricas en las plantas, alzado y vistas del primer proyecto llevará a argumentar la presencia de un trampantojo que, nunca antes revelado, se entiende lleno de unas intenciones espaciales plenamente vanguardistas. Interpretación arquitectónica de las imágenes donde la presencia de una serie de elementos directamente ligados al lenguaje fotográfico y cinematográfico se traduce en una nueva lectura espacial plenamente dinámica llena de dislocación, ritmo y simultaneidad alejada de la idea de ver la forma como un elemento permanentemente fijo. Sugerencia que nos lleva directamente a la lectura del segundo proyecto de rascacielos como una clara continuación de lo imaginado en el primero. Para finalizar, tras una revisión biográfica -previa al proyecto- que desvela unas preocupaciones urbanas y un deseo de cambio anterior al concurso de la Friedrichstrasse, se comparan estas nuevas significaciones espaciales con una práctica de vanguardia que, coetánea a la convocatoria de 1921, demuestran unas investigaciones muy similares con unos mismos intereses cinematográficos. La lectura de las propuestas de tres artistas próximos en ese momento al arquitecto -como son Hans Richter, Moholy-Nagy y El Lissitzky- permiten demostrar unas preocupaciones muy similares a lo conseguido por Mies con los rascacielos que parecen haber servido de ejemplo y motivación mutua para el surgimiento de una nueva espacialidad -más fluida-. Esta lectura permitirá recuperar la importancia de estos dos proyectos como la expresión directa de una nueva manera de pensar y hacer su arquitectura que ya no tendrá vuelta atrás en la obra de Mies. A la vez que recuperar la potencialidad poética de unas vistas que, así definidas reiteradamente por la crítica, se revelan ahora como directas transmisoras de ese deseo de cambio arquitectónico evidenciado en los proyectos posteriores. Racionalización de una poética que al ir más allá de la forma directamente transcrita permite establecer una última reflexión general sobre como opera la imagen en la arquitectura, así como la pertinencia crítica de este proyecto para con el mundo virtual de hoy. En definitiva, más allá del poder evocador de estas representaciones, este será un estudio que pretende cuestionar las características que la imagen de la arquitectura puede proponer más allá de su literalidad por medio de la fascinante interacción que se produce entre la imagen y lo espacialmente imaginado. Encuentros, recursos e intereses de una respuesta plenamente arquitectónica que, además de dar luz a un cambio tan inclasificable como moderno, abre el camino a la interpretación de un proceso de formalizacion que, reiteradamente defendido por su autor justifican una intensidad poética dada por la historia y reafirman una preocupación artística a menudo desmentida por su autor. Dicho de otro modo, si profundizar en las razones arquitectónicas, históricas y técnicas que llevan a Mies a realizar sus rascacielos, por medio de su relación con la vanguardia y el cine, arrojan luz y explican el cambio que se está gestando en el arquitecto cara una nueva espacialidad fluida. Reflexionar sobre su naturaleza espacial -de estas imágenes ya icónicas- equivale a aportar una reflexión crítica sobre la naturaleza simbólica de la imagen de la arquitectura hoy. “Aunque el puesto clave que ocupa el Rascacielos de la Friedrichstrasse dentro de la historia de la arquitectura moderna nunca ha sido seriamente cuestionado, la opinion critica al respecto siempre ha estado dividida. Desde la publicacion de la monografia de Philip Johnson sobre Mies en 1947, el muro cortina como una piel transparente que reviste el esqueleto estructural has ido aclamado como un gran avance pionero. Otros puntos de vista sobre el edificio, subrayando su supuesta planta expresionista, lo han visto como un esfuerzo un poco menos aventurado. Asi calibrada, la propuesta de Mies para la Friedrichstrasse es radicalmente moderna en mas de un sentido enfatizado por Johnson.” 1 W.Tegethoff ABSTRACT This essay reflects on the broad territory of the image in today’s architecture. One good example is the Friedrichstrasse Skyscraper design by Mies van der Rohe in 1921/22, during the period between World Wars I and II. There are many reasons why this work has been chosen, but one of the most recent stands out above the rest: of the hundreds of essays written on this work, comments have been made only (with the odd exception) on the objectual characteristics of what has been directly described by the views (as if it were a genuine reflection of reality), without analysing the real physical and symbolic nature of the representation a subjective (spatial) expression of architecture. If its importance as a point of inflection in the initial development of a completely modern work is more than enough reason to make a detailed study, since it may be crucial for understanding the author’s beginnings in the Modern Movement. Its presence as a reduced set of four views, the combination of a photograph of the place and a drawing made of it, in our opinion, carry meanings that are as important for understanding this architecture as all the ideas described about them. Created during an early period, when the languages of photography and cinema were in full swing, it can be said that the perspectives of the Friedrichstrasse Skyscraper form a historical reference of one of the first virtual architectures that belong entirely to the Modern Movement. A paradigm of the most absolute modernity owing to the fact that it is on that frontier of the never-accomplished, but spatially assumable as photographic reality, the images of the skyscraper can be considered as one of the first reflections on the virtual nature of post-industrial architectural design. There is nothing new in the fact that the photographic description of work absorbs and communicates on its own the multiple properties it involves and there is nothing new in the fact that most architectures become known today through the media. It is surprising that no analysis has been made to date, with the same intensity, of the many reasons that led to a number of images whose poetry add form to the architecture they represent. If the intention is to reflect on this contemporary fact using a paradigmatic example certified by history, we will be forced to use a methodology that corresponds to the dual condition produced by the interpretation of all media images as a fluctuating combination of what is interpreted independently through the representation and meanings the image acquires as a historical reference. This ambivalent interpretation will lead this essay to be structured in two clearly different and complementary blocks that follow the reading order offered by any image of architecture in the media. Thus, a first part, titled The image of an architecture, analyses the interpretation history and the author have given to the skyscraper through its use in the various exhibitions, magazines, style agreements and monographs in which it has been included. This examination, which is the real space in which these architectures reside, is (to delimit and organise the study) restricted to countries in which the author lived during his lifetime and it will help establish a first narrative that considers the different interpretations made by critics over time. The presence of the first skyscraper next to the second one in the publication the architect makes early on in Frühlicht will require the second solution to be incorporated as another part of the study. Laden with necessary quotes by the various personalities who have examined said designs, this first historiographical analysis establishes an initial state of the question that reveals an ambivalent interpretation of skyscrapers. If the direct interpretation of the images has made it possible to closely examine the characteristics of the glass and its reflections and the nudity of a metal structure as clear examples of a modern and technological expression of glass and steel. The particular triangular shapes of the former and the sinuous shapes of the latter have generated many classifications that suggest it is an example of Expressionism, Dadaism or Constructivism, which have grown over time into artistic admiration laden with poetry. This historical reading, which concludes with a more recent short period that begins to question the utopian character and recovers its nature as a project, will finally consider a number of doubts that have no apparent answer and require a revision of the reading of the images as part of what they actually are: expression of a new architecture that becomes part of the Modern Movement as from that precise moment. In addition, the existence in the architect’s subsequent discourse of a formalisation process highly valued by the author and the equal presence of a place in the representations and plans of a skyscraper history seems to have forgotten, will stand as more than sufficient reason for a revision of initial relations with the avantgarde -not particularly well defined today- together with a renewed reading of said vertical proposals for what they also are: projects that respond to the special needs of a very specific place and time. This second part, titled The architecture of an image, is presented more as a total immersion in the project world than a mere nominal description of it. Deliberately symmetrical and opposite to a historic first bloc, this second part (much longer and central part of the thesis) it will focus on analysing images as: the set of historical events that affected the skyscraper, city, place and technical processes image to provide these architectures with their raison d’être. Consequently, the aim is to delve in the reasons which, hidden as a formalisation process, led Mies to move on to a new form of doing, seeing and thinking his architecture, of expressing a space. The approach to these images will therefore lie in highlighting the nature of a number of representations whose photographic features are the true reflection of a period in which the new visual media (cinema and photography) begin to be questioned due to excessive use. The complexity of facts that coincide in time will require this study to be divided into a first general approach, with a response given by most of the participants in the competition, to compare the importance of a common approach in terms of project and context of the response given by Mies and his colleagues. A combination of requirements and needs of the very history of the plot of land, the peculiarities of a place and the programmatic requirements of the competition; the next step will reconstruct the formalisation process of the set of drawings that characterise both to understand the mechanism which, suspended like translations between the different representations, operates in the realisation of said images and complements as thought their architectural idea. The aim is thus to offer two things: an interpretation that takes into account the new way in which the architect works with photography, together with the particular idiosyncrasy of the moment at which they occur. In other words, the approach will focus on the views of the first skyscraper, which takes into account the technological and visual history that surrounds the event and the characteristics of a physical execution that still remains unexplained in full. The subsequent discovery of a number of geometrical incoherences in the floor plans, elevations and views of the first project will lead to an argument for the presence of trompe l’oeil which, never before revealed, is seen as laden with completely avant-garde spatial intentions. Architectural interpretation of the images where the presence of a number of elements directly linked to the languages of photography and cinema is translated into a new spatial reading that is completely dynamic and full of dislocation, rhythm and simultaneity far-removed from the idea of seeing shape as a permanently fixed element. This suggestion takes us to directly to the second skyscraper design as a clear continuation of what he imagined in the first. To end, after a preliminary biographical revision (previous to the project) that reveals urban concerns and a desire for change before the Friedrichstrasse competition, a comparison is made of these new spatial meanings with avant-garde practice which, contemporary with the 1921 competition, show very similar investigations with the same cinematographic interest. The reading of the proposals of three artists close to the architect at that time -i.e. Hans Richter, Moholy-Nagy and El Lissitzky- reveals concerns that are very similar to what Mies achieved with the skyscrapers that seem to have been used as an example and mutual motivation for the creation of a new (more fluent) spatiality. This interpretation will make it possible to recover the importance of these two projects as the direct expression of a new way of thinking and doing his architecture that was to remain fixed in Mies’ work. This also gives rise to the possibility of recovering the poetic potential of views which, as defined repeatedly by the critics, now stand as the direct transmitters of the desire for architectural change shown in later projects. A rationalisation of poetry which, by going beyond the directly transcribed form, gives rise to the establishment of one general final reflection on how the image works in architecture, together with the critical relevance of this design for today’s virtual world. In short, beyond the evocative power of images this will be a study which questions the characteristics the image of architecture can propose beyond its literality through the fascinating interaction between the image and spatially imagined. Encounters, resources and interests of a completely architectural response that, besides sheds light to a change that is as non-classifiable as it is modern, shows the way to the interpretation of a formalisation process which, repeatedly defined by the author, justifies a poetic intensity and confirms an artistic concern often denied by the author. In other words, examining the architectural, historical and technical reasons that led Mies to create his skyscrapers, thanks to its relationship with the avant-garde and cinema, sheds light on and explains the change taking place in the architect with regard to a new fluent spatiality. Reflecting on the spatial nature -of these iconic images- is tantamount to a critical reflection on the symbolic nature of architecture today. “Although the key position of the Friedrichstrasse Office Building within the early history of modern architecture has never been seriously challenged, critical opinion on it has always been divided. Ever since the publication of Philip Johnson’s monograph on Mies in 1947, the curtain wall as a transparent skin sheathing the skeleton structure has frequently been hailed as a pioneering breakthrough. Other views of the building, stressing its supposedly Expressionist plan, have seen it as a somewhat less adventurous effort. In fact, the project has never been regarded in abroad context. Thus measured, Mies’s proposal fro Friedrichstrasse is radically modern in more than the one respect emphasized by Johnson.” 1 W.Tegethoff

Multiscale modeling of the plastic behaviour in single crystal tungsten: from atomistic to crystal plasticity simulations

En una planta de fusión, los materiales en contacto con el plasma así como los materiales de primera pared experimentan condiciones particularmente hostiles al estar expuestos a altos flujos de partículas, neutrones y grandes cargas térmicas. Como consecuencia de estas diferentes y complejas condiciones de trabajo, el estudio, desarrollo y diseño de estos materiales es uno de los más importantes retos que ha surgido en los últimos años para la comunidad científica en el campo de los materiales y la energía. Debido a su baja tasa de erosión, alta resistencia al sputtering, alta conductividad térmica, muy alto punto de fusión y baja retención de tritio, el tungsteno (wolframio) es un importante candidato como material de primera pared y como posible material estructural avanzado en fusión por confinamiento magnético e inercial. Sin embargo, el tiempo de vida del tungsteno viene controlado por diversos factores como son su respuesta termo-mecánica en la superficie, la posibilidad de fusión y el fallo por acumulación de helio. Es por ello que el tiempo de vida limitado por la respuesta mecánica del tungsteno (W), y en particular su fragilidad, sean dos importantes aspectos que tienes que ser investigados. El comportamiento plástico en materiales refractarios con estructura cristalina cúbica centrada en las caras (bcc) como el tungsteno está gobernado por las dislocaciones de tipo tornillo a escala atómica y por conjuntos e interacciones de dislocaciones a escalas más grandes. El modelado de este complejo comportamiento requiere la aplicación de métodos capaces de resolver de forma rigurosa cada una de las escalas. El trabajo que se presenta en esta tesis propone un modelado multiescala que es capaz de dar respuestas ingenieriles a las solicitudes técnicas del tungsteno, y que a su vez está apoyado por la rigurosa física subyacente a extensas simulaciones atomísticas. En primer lugar, las propiedades estáticas y dinámicas de las dislocaciones de tipo tornillo en cinco potenciales interatómicos de tungsteno son comparadas, determinando cuáles de ellos garantizan una mayor fidelidad física y eficiencia computacional. Las grandes tasas de deformación asociadas a las técnicas de dinámica molecular hacen que las funciones de movilidad de las dislocaciones obtenidas no puedan ser utilizadas en los siguientes pasos del modelado multiescala. En este trabajo, proponemos dos métodos alternativos para obtener las funciones de movilidad de las dislocaciones: un modelo Monte Cario cinético y expresiones analíticas. El conjunto de parámetros necesarios para formular el modelo de Monte Cario cinético y la ley de movilidad analítica son calculados atomísticamente. Estos parámetros incluyen, pero no se limitan a: la determinación de las entalpias y energías de formación de las parejas de escalones que forman las dislocaciones, la parametrización de los efectos de no Schmid característicos en materiales bcc,etc. Conociendo la ley de movilidad de las dislocaciones en función del esfuerzo aplicado y la temperatura, se introduce esta relación como ecuación de flujo dentro de un modelo de plasticidad cristalina. La predicción del modelo sobre la dependencia del límite de fluencia con la temperatura es validada experimentalmente con ensayos uniaxiales en tungsteno monocristalino. A continuación, se calcula el límite de fluencia al aplicar ensayos uniaxiales de tensión para un conjunto de orientaciones cristalográticas dentro del triángulo estándar variando la tasa de deformación y la temperatura de los ensayos. Finalmente, y con el objetivo de ser capaces de predecir una respuesta más dúctil del tungsteno para una variedad de estados de carga, se realizan ensayos biaxiales de tensión sobre algunas de las orientaciones cristalográficas ya estudiadas en función de la temperatura.-------------------------------------------------------------------------ABSTRACT ----------------------------------------------------------Tungsten and tungsten alloys are being considered as leading candidates for structural and functional materials in future fusion energy devices. The most attractive properties of tungsten for the design of magnetic and inertial fusion energy reactors are its high melting point, high thermal conductivity, low sputtering yield and low longterm disposal radioactive footprint. However, tungsten also presents a very low fracture toughness, mostly associated with inter-granular failure and bulk plasticity, that limits its applications. As a result of these various and complex conditions of work, the study, development and design of these materials is one of the most important challenges that have emerged in recent years to the scientific community in the field of materials for energy applications. The plastic behavior of body-centered cubic (bcc) refractory metals like tungsten is governed by the kink-pair mediated thermally activated motion of h¿ (\1 11)i screw dislocations on the atomistic scale and by ensembles and interactions of dislocations at larger scales. Modeling this complex behavior requires the application of methods capable of resolving rigorously each relevant scale. The work presented in this thesis proposes a multiscale model approach that gives engineering-level responses to the technical specifications required for the use of tungsten in fusion energy reactors, and it is also supported by the rigorous underlying physics of extensive atomistic simulations. First, the static and dynamic properties of screw dislocations in five interatomic potentials for tungsten are compared, determining which of these ensure greater physical fidelity and computational efficiency. The large strain rates associated with molecular dynamics techniques make the dislocation mobility functions obtained not suitable to be used in the next steps of the multiscale model. Therefore, it is necessary to employ mobility laws obtained from a different method. In this work, we suggest two alternative methods to get the dislocation mobility functions: a kinetic Monte Carlo model and analytical expressions. The set of parameters needed to formulate the kinetic Monte Carlo model and the analytical mobility law are calculated atomistically. These parameters include, but are not limited to: enthalpy and energy barriers of kink-pairs as a function of the stress, width of the kink-pairs, non-Schmid effects ( both twinning-antitwinning asymmetry and non-glide stresses), etc. The function relating dislocation velocity with applied stress and temperature is used as the main source of constitutive information into a dislocation-based crystal plasticity framework. We validate the dependence of the yield strength with the temperature predicted by the model against existing experimental data of tensile tests in singlecrystal tungsten, with excellent agreement between the simulations and the measured data. We then extend the model to a number of crystallographic orientations uniformly distributed in the standard triangle and study the effects of temperature and strain rate. Finally, we perform biaxial tensile tests and provide the yield surface as a function of the temperature for some of the crystallographic orientations explored in the uniaxial tensile tests.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.