Relationship between residual stresses and mechanical behavior in ceramic composites

En este trabajo, materiales de tipo alúmina/Y-TZP (ZrO2 tetragonal, estabilizada con 3 mol. % Y2O3), como sistema cerámico popular por sus mejoradas propiedades mecánicas en comparación con las cerámicas de alúmina puras, han sido estudiados en términos de propiedades mecánicas y tensiones residuales. El novedoso método de colado en cinta, consistente en el apilamiento de cintas de cerámica verde a temperatura ambiente y el uso de bajas presiones, se ha escogido para la presente investigación con el fin de poder aprovechar al máximo el futuro desarrollo de materiales laminados de alúmina-óxido de circonio. Se han determinado las propiedades de los materiales obtenidos por este nuevo método de procesamiento comparándolas con las de los materiales obtenidos por “slip casting”, con el fin de analizar si el método propuesto afecta a la microestructura y, por tanto, a las propiedades mecánicas y tensiones residuales propias de estos materiales. Para analizar la idoneidad del proceso de fabricación, utilizado para evitar la presencia de discontinuidades en las intercaras entre las láminas así como otros fenómenos que puedan interferir con las propiedades mecánicas, se estudiaron materiales cerámicos con la misma composición en cintas. Por otra parte también se analizó el efecto de la adición de óxido de circonio sobre la aparición de tensiónes residuales en cerámicas Al2O3/Y-TZP, teniendo en cuenta su notable influencia sobre las propiedades microestructurales y mecánicas de los materiales, así como el requisito de co-sinterización de capas con diferentes materiales compuestos en materiales laminados. La caracterización del material incluye la determinación de la densidad, el análisis de la microestructura, la obtención de las propiedades mecánicas (módulo de elasticidad, dureza, resistencia a la flexión y tenacidad de fractura) así como de las tensiones residuales. En combinación con otros métodos de medida tradicionales, la nanoindentación también se empleó como una técnica adicional para la medida del módulo de elasticidad y de la dureza. Por otro lado, diferentes técnicas de difracción con neutrones, tanto las basadas en longitud de onda constante (CW) como en tiempo de vuelo (TOF), han sido empleadas para la medición fiable de la deformación residual a través del grosor en muestras a granel. Las tensiones residuales fueron determinadas con elevada precisión, aplicando además métodos de análisis apropiados, como por ejemplo el refinamiento de Rietveld. Las diferentes fases en cerámicas sinterizadas, especialmente las de zirconia, se examinaron con detalle mediante el análisis de Rietveld, teniendo en cuenta el complicado polimorfismo del Óxido de Zirconio (ZrO2) así como las posibles transformaciones de fase durante el proceso de fabricación. Los efectos del contenido de Y-TZP en combinación con el nuevo método de procesamiento sobre la microestructura, el rendimiento mecánico y las tensiones residuales de los materiales estudiados (Al2O3/Y-TZP) se resumen en el presente trabajo. Finalmente, los mecanismos de endurecimiento, especialmente los relacionados con las tensiones residuales, son igualmente discutidos. In present work, Alumina/Y-TZP (tetragonal ZrO2 stabilized with 3 mol% Y2O3) materials, as an popular ceramic system with improved mechanical properties compared with the pure alumina ceramics, have been studied in terms of mechanical properties and residual stresses. The novel tape casting method, which involved the stacking of green ceramics tapes at room temperature and using low pressures, is selected for manufacturing and investigation, in order to take full advantage of the future development of alumina-zirconia laminated materials. Features of materials obtained by the new processing method are determined and compared with those of materials obtained by conventional slip casting in a plaster mold, in order to study whether the proposed method of processing affects microstructure and thereby the mechanical properties and residual stresses characteristics of materials. To analyse the adequacy of the manufacturing process used to avoid the presence of discontinuities at the interfaces between the sheets and other phenomena that interfere with the mechanical properties, ceramic materials with the same composition in tapes were investigated. Moreover, the effect of addition of zirconia on residual stress development of Al2O3/Y-TZP ceramics were taken into investigations, considering its significantly influence on the microstructure and mechanical properties of materials as well as the requirement of co-sintering of layers with different composites in laminated materials. The characterization includes density, microstructure, mechanical properties (elastic modulus, hardness, flexure strength and fracture toughness) and residual stresses. Except of the traditional measurement methods, nanoindentation technique was also used as an additional measurement of the elastic modulus and hardness. Neutron diffraction, both the constant-wavelength (CW) and time-of-flight (TOF) neutron diffraction techniques, has been used for reliable through-thickness residual strain measurement in bulk samples. Residual stresses were precisely determined combined with appropriate analysis methods, e.g. the Rietveld refinement. The phase compositions in sintered ceramics especially the ones of zirconia were accurately examined by Rietveld analysis, considering the complex polymorph of ZrO2 and the possible phase transformation during manufacturing process. Effects of Y-TZP content and the new processing method on the microstructure, mechanical performance and residual stresses were finally summarized in present studied Al2O3/Y-TZP materials. The toughening mechanisms, especially the residual stresses related toughening, were theoretically discussed.

Mejoras y extensiones en el Front-End de un modelo de predicción de acciones de un estudiante en un laboratorio virtual 3D

Este documento presenta las mejoras y las extensiones introducidas en la herramienta de visualización del modelo predictivo del comportamiento del estudiante o Student Behavior Predictor Viewer (SBPV), implementada en un trabajo anterior. El modelo predictivo del comportamiento del estudiante es parte de un sistema inteligente de tutoría, y se construye a partir de los registros de actividad de los estudiantes en un laboratorio virtual 3D, como el Laboratorio Virtual de Biotecnología Agroforestal, implementado en un trabajo anterior, y cuyos registros de actividad de los estudiantes se han utilizado para validar este trabajo fin de grado. El SBPV es una herramienta para visualizar una representación gráfica 2D del grafo extendido asociado con cualquiera de los clusters del modelo predictivo del estudiante. Además de la visualización del grafo extendido, el SBPV controla la navegación a través del grafo por medio del navegador web. Más concretamente, el SBPV permite al usuario moverse a través del grafo, ampliar o reducir el zoom del gráfico o buscar un determinado estado. Además, el SBPV también permite al usuario modificar el diseño predeterminado del grafo en la pantalla al cambiar la posición de los estados con el ratón. Como parte de este trabajo fin de grado, se han corregido errores existentes en la versión anterior y se han introducido una serie de mejoras en el rendimiento y la usabilidad. En este sentido, se han implementado nuevas funcionalidades, tales como la visualización del modelo de comportamiento de cada estudiante individualmente o la posibilidad de elegir el método de clustering para crear el modelo predictivo del estudiante; así como ha sido necesario rediseñar la interfaz de usuario cambiando el tipo de estructuras gráficas con que se muestran los elementos del modelo y mejorando la visualización del grafo al interaccionar el usuario con él. Todas estas mejoras se explican detenidamente en el presente documento.---ABSTRACT---This document presents the improvements and extensions made to the visualization tool Student Behavior Predictor Viewer (SBPV), implemented in a previous job. The student behavior predictive model is part of an intelligent tutoring system, and is built from the records of students activity in a 3D virtual laboratory, like the “Virtual Laboratory of Agroforestry Biotechnology” implemented in a previous work, and whose records of students activity have been used to validate this final degree work. The SBPV is a tool for visualizing a 2D graphical representation of the extended graph associated with any of the clusters of the student predictive model. Apart from visualizing the extended graph, the SBPV supports the navigation across the graph by means of desktop devices. More precisely, the SBPV allows user to move through the graph, to zoom in/out the graphic or to locate a given state. In addition, the SBPV also allows user to modify the default layout of the graph on the screen by changing the position of the states by means of the mouse. As part of this work, some bugs of the previous version have been fixed and some enhancements have been implemented to improve the performance and the usability. In this sense, we have implemented new features, such as the display of the model behavior of only one student or the possibility of selecting the clustering method to create the student predictive model; as well as it was necessary to redesign the user interface changing the type of graphic structures that show model elements and improving the rendering of the graph when the user interacts with it. All these improvements are explained in detail in the next sections.

La transformación de las grandes estaciones europeas con la llegada de la Alta Velocidad. El caso de Atocha

La aparición del tren de alta velocidad en Europa en las últimas décadas del siglo XX supuso el resurgir de un medio de transporte en progresivo declive desde la popularización del automóvil y del avión. La decadencia del ferrocarril había supuesto en muchos casos el abandono, o incluso la demolición, de estaciones históricas y el deterioro de su entorno urbano. Como reacción a esa desatención surgió, también en el último cuarto de siglo, una mayor conciencia social preocupada por la conservación del patrimonio construido del ferrocarril. La necesidad de adaptación de las grandes estaciones de ferrocarril para dar servicio al nuevo sistema de transporte, junto con el interés por poner en valor sus construcciones históricas y su céntrico entorno, ha dado como resultado la realización de importantes transformaciones. El objeto de la presente investigación es el estudio de las transformaciones que han sufrido las grandes estaciones europeas del siglo XIX con la llegada del tren de alta velocidad, profundizando de manera especial en el caso más significativo que tenemos en nuestro país: la estación de Atocha. En el ámbito europeo es donde se localizan los ejemplos más relevantes de estaciones que tuvieron gran trascendencia en el siglo XIX y que ahora, con la llegada de la Alta Velocidad, vuelven a recuperar su grandeza. En España, el crecimiento de la Alta Velocidad en los últimos años ha sido extraordinario, hasta situarse como el segundo país del mundo con más kilómetros de líneas de alta velocidad en operación y, en consecuencia, se ha construido un gran número de estaciones adaptadas a este servicio. El caso más notable es el de la estación de Atocha, que desde la llegada del AVE en 1992 hasta el día de hoy, se ha convertido en uno de los complejos ferroviarios más importantes del mundo. El trabajo parte del estudio de otros referentes europeos, como las Gares de París, la estación de St Pancras en Londres y de otras cinco estaciones del centro de Europa –Amsterdam Centraal, Antwerpen Centraal, Köln Hauptbahnhof, Frankfurt (Main) Hauptbahnhof y la Gare de Strasbourg–, para establecer el marco analítico sobre el que se profundiza con la estación de Atocha. El proceso de transformación de la estación de Atocha se ha gestado a través de una serie de proyectos que han ido configurando la estación hasta el momento actual y planteando la previsión de futuro: el proyecto del Plan General de Madrid, el concurso de ideas para el diseño de la estación, la estación de Cercanías, la estación de Alta Velocidad y Largo Recorrido, la ampliación de esta para separar los flujos por niveles, los Estudios Informativos del Nuevo Complejo Ferroviario de la Estación de Atocha y su primera fase de construcción. Estos siete proyectos son objeto de un análisis en tres niveles: análisis cronológico, análisis funcional y análisis formal. La estación de Atocha fue la primera estación histórica europea en sufrir una gran transformación vinculada a la llegada de la Alta Velocidad. Aporta el entendimiento de la estación como un todo y la intermodalidad como sus principales valores, además de la gran mejora urbana que supuso la «operación Atocha», y adolece de ciertas carencias en su desarrollo comercial, vinculadas en parte a la presencia del jardín tropical, y de un pobre espacio en las salas de embarque para los pasajeros de salidas. La estación de Atocha completa su transformación a partir de su renovación funcional, manteniendo la carga simbólica de su historia. De la confrontación del caso de Atocha con otras importantes estaciones europeas resulta la definición de las principales consecuencias de la llegada de la Alta Velocidad a las grandes terminales europeas y la identificación de los elementos clave en su transformación. Las consecuencias principales son: la potenciación de la intermodalidad con otros medios de transporte, el desarrollo comercial no necesariamente destinado a los usuarios de los servicios ferroviarios, y la puesta en valor de la antigua estación y de su entorno urbano. Por su parte, los elementos clave en la transformación de las grandes estaciones tienen que ver directamente con la separación de flujos, el entendimiento de la estación por niveles, la dotación de nuevos accesos laterales y la construcción de una nueva gran cubierta para los nuevos andenes. La preeminencia de unos elementos sobre otros depende del carácter propio de cada estación y de cada país, de la magnitud de la intervención y, también, de la estructura y composición de los equipos encargados del diseño de la nueva estación. En la actualidad, nos encontramos en un momento interesante respecto a las estaciones de Alta Velocidad. Tras el reciente atentado frustrado en el Thalys que viajaba de Ámsterdam a París, se ha acordado establecer controles de identidad y equipajes en todas las estaciones de la red europea de alta velocidad, lo que implicará modificaciones importantes en las grandes estaciones que, probablemente, tomarán el modelo de la estación de Atocha como referencia. ABSTRACT The emergence of the high speed train in Europe in the last few decades of the 20th century represented the resurgence of a means of transport in progressive decline since the popularization of the car and the airplane. The railway decay brought in many cases the abandonment, or even the demolition, of historical stations and the deterioration of its urban environment. In response to that neglect, a greater social awareness towards the preservation of the railway built heritage raised up, also in the last quarter-century. The need for adaptation of the great railway stations to serve the new transport system, along with the interest in enhancing the historical buildings and its central locations, had resulted in important transformations. The subject of current investigation is the study of the transformations that the great 19th century European stations have experienced with the arrival of the high speed rail, deepening in particular in the most significant case we have in Spain: Atocha railway station. At European level is where the most relevant examples of stations which have had a great significance in the 19th century and now, with the arrival of the high speed train, have regain their greatness, are located. In Spain, the growth of the high speed rail over the past few years has been outstanding. Today is the second country in the world with the longest high speed rail network in operation and, therefore, with a great number of new stations adapted to this service. The most remarkable case is Atocha station. Since the arrival of the AVE in 1992, the station has become one of the world's most important railway hub. The research starts with the study of other European reference points, as the Gares of Paris, St Pancras station in London and five other stations of Central Europe –Amsterdam Centraal, Antwerpen Centraal, Köln Hauptbahnhof, Frankfurt (Main) Hauptbahnhof y la Gare de Strasbourg–, to establish the analytical framework that will be deepen with Atocha station. The transformation process of Atocha station has been created through a number of projects that have forged the station to date and have raised the sights in the future: the project of the General Urban Development Plan, the ideas competition for the station design, the Suburban train station, the High Speed and Long Distance station, its enlargement in order to separate passenger flows in different levels, the 'Masterplans' for the new Atocha transport hub and its first phase of construction. These seven projects are under scrutiny at three levels: chronological analysis, functional analysis and formal analysis. Atocha station was the first European historical station to undergo a great transformation tied to the arrival of the high speed rail. It brings the understanding of the station as a whole and the intermodality as its greatest values, besides the great urban improvement of the 'Atocha operation', and suffers from certain shortcomings in its commercial development, partly linked to the presence of the tropical garden, and from a poor space in the departure lounges. Atocha station completes its transformation on the basis of its functional renewal, keeping the symbolic charge of its history. The confrontation of Atocha case with the great European stations results in the definition of the principal consequences of the high speed rail arrival to the great European terminals and the identification of the key elements in its transformation. The principal consequences are: the empowering of the intermodality with other means of transport, of the commercial development, not necessarily intended for railway services users, and the enhancement of the old station and its urban environment. On the other hand, the key elements in the transformation of the great stations are directly related with the separation of passenger flows, the understanding of the station in different levels, the placement of new lateral accesses and the construction of a new deck over the new platforms. The pre-eminence of some elements over the others depends on the particular nature of each station and each country, on the scale of the intervention and also in the structure and composition of the teams in charge of the new station design. Nowadays, this is an interesting time concerning the high speed rail stations. After the recent foiled terrorist attempt in the Thalys train travelling from Amsterdam to Paris, it was agreed to establish passenger and luggage controls in every European high speed rail station. This will mean important changes in these great stations, which probably will take Atocha station's model as a reference.