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.

Evaluation of the surface free energy of plant surfaces: toward standardizing the procedure

Plant surfaces have been found to have a major chemical and physical heterogeneity and play a key protecting role against multiple stress factors. During the last decade, there is a raising interest in examining plant surface properties for the development of biomimetic materials. Contact angle measurement of different liquids is a common tool for characterizing synthetic materials, which is just beginning to be applied to plant surfaces. However, some studies performed with polymers and other materials showed that for the same surface, different surface free energy values may be obtained depending on the number and nature of the test liquids analyzed, materials' properties, and surface free energy calculation methods employed. For 3 rough and 3 rather smooth plant materials, we calculated their surface free energy using 2 or 3 test liquids and 3 different calculation methods. Regardless of the degree of surface roughness, the methods based on 2 test liquids often led to the under- or over-estimation of surface free energies as compared to the results derived from the 3-Liquids method. Given the major chemical and structural diversity of plant surfaces, it is concluded that 3 different liquids must be considered for characterizing materials of unknown physico-chemical properties, which may significantly differ in terms of polar and dispersive interactions. Since there are just few surface free energy data of plant surfaces with the aim of standardizing the calculation procedure and interpretation of the results among for instance, different species, organs, or phenological states, we suggest the use of 3 liquids and the mean surface tension values provided in this study.

Measurement of plasma electron density generated in an experiment of laser shock processing, utilizing the H­α­-line

In this work we have realized plasma diagnosis produced by Laser (LPP), by means of emission spectroscopy in a Laser Shock Processing (LSP). The LSP has been proposed as an alternative technology, competitive with classical surface treatments. The ionic species present in the plasma together with electron density and its temperature provide significant indicators of the degree of surface effect of the treated material. In order to analyze these indicators, we have realized spectroscopic studies of optical emission in the laser-generated plasmas in different situations. We have worked focusing on an aluminum sample (Al2024) in air and/or in LSP conditions (water flow) a Q-switched laser of Nd:YAG (λ = 1.06 μm, 10 ns of pulse duration, running at 10 Hz repetition rate). The pulse energy was set at 2,5 J per pulse. The electron density has been measured using, in every case, the Stark broadening of H Balmer α line (656.27 nm). In the case of the air, this measure has been contrasted with the value obtained with the line of 281.62 nm of Al II. Special attention has been paid to the self-absorption of the spectral lines used. The measures were realized with different delay times after the pulse of the laser (1–8 μs) and with a time window of 1 μs. In LSP the electron density obtained was between 1017 cm−3 for the shortest delays (4–6 μs), and 1016 cm−3 for the greatest delays (7,8 μs).

Numerical and experimental study of appendages in racing yachts and their influence on the free surface

Las prestaciones de un velero de regatas se estiman por medio de los Programas de Predicción de Velocidad (VPP) que incluyen las características de estabilidad y modelos aero e hidrodinámico del barco. Por esta razón, es importante tener una evaluación adecuada de las fuerzas en apéndices y de su variación en diferentes condiciones de navegación, escora y deriva. Además, para el cálculo de las fuerzas en los apéndices es importante conocer sus características hidrodinámicas cuando trabajan conjuntamente en un campo fluido fuertemente modificado por la carena. Por esta razón, se han utilizado una serie de ensayos realizados en el Canal de Ensayos de la ETSIN con el objetivo de validar códigos numéricos que permiten una evaluación más rápida y focalizada en los distintos fenómenos que se producen. Dichos ensayos se han realizado de forma que pudiera medirse independientemente las fuerzas hidrodinámicas en cada apéndice, lo que permitirá evaluar el reparto de fuerzas en diferentes condiciones de navegación para poder profundizar en las interacciones entre carena, quilla y timón. Las técnicas numéricas permiten capturar detalles que difícilmente se pueden visualizar en ensayos experimentales. En este sentido, se han probado las últimas técnicas utilizadas en los últimos workshops y se ha enfocado el estudio a un nuevo método con el objetivo de mostrar una metodologia más rápida que pueda servir a la industria para este tipo de aproximación al problema. ABSTRACT The performances of a racing sailboat are estimated by means of the speed prediction programs (VPP), which include the ship stability characteristics and the aero and hydrodynamic models. For this reason, it is important to have an adequate evaluation of the forces in appendices and its variation in different sailing conditions, heel and leeway Moreover, for the analysis of the forces in the appendices, it is important to know their hydrodynamic characteristics when they work together in a fluid field strongly modified by the canoe body. For this reason, several tests have been done in the ETSIN towing tank with the aim to validate numeric codes that allowing faster analysis and they permit to focus on the different phenomena that occur there. Such tests have been done in a way that the hydrodynamic forces in each appendage could be measured independently allowing assessing the distribution of forces in different sailing conditions to be able to deepen the interactions between the canoe body, the keel and the rudder. Numerical techniques allow capturing details that can hardly be displayed in experimental tests. In this sense, the latest techniques used in the recent workshops have been reviewed and the study has been focused to propose a new model with the aim to show a new faster methodology which serves the industry for this type of approach to the problem.