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.

Quality assurance systems in the production and marketing of fresh peaches.

Due to the fast rate of peach post-harvest ripening, damage due to mechanical handling, externally appreciated as bruises and soft areas, is a real problem that leads to an early harvesting and poor quality of the fruits, as perceived by the consumers. More and more, the European consumer asks for good taste and freshness of fruits and vegetables, and these quality factors are not included in standards, nor in most of the producers' practices. Fruit processing and marketing centres (co-operatives) are increasingly interested in adopting quality controls in their processes. ISO 9000 procedures are being applied in some food areas, primarily milk and meat processors, but no generalised procedures have been developed until the present time to be applied to fresh product processes. All different peach and nectarine varieties that are harvested and handled in Murcia cooperatives and sold in a large supermarket in Madrid were analysed during the whole 1997 season (early May to late August). A total number of 78 samples of 25 fruits (co-operative) or 10 fruits (market), were tested in the laboratory for mechanical, optical, chemical and tasting quality. The variability and relationships between all these quality parameters are presented and discussed, and sampling unit sizes which would be advisable for quality control are calculated.

Xyloglucan endotransglucosylase and cell wall extensibility

Transgenic tomato hypocotyls with altered levels of an XTH gene were used to study how XET activity could affect the hypocotyl growth and cell wall extensibility. Transgenic hypocotyls showed significant over-expression (line 13) or co-suppression (line 33) of the SlXTH1 in comparison with the wild type, with these results being correlated with the results on specific soluble XET activity, suggesting that SlXTH1 translates mainly for a soluble XET isoenzyme. A relationship between XET activity and cell wall extensibility was found, and the highest total extensibility was located in the apical hypocotyl segment of the over-expressing SlXTH1 line, where the XET-specific activity and hypocotyl growth were also highest compared with the wild line.

The Optimal combination: Grammatical Swarm, Particle Swarm Optimization and Neural Networks.

Social behaviour is mainly based on swarm colonies, in which each individual shares its knowledge about the environment with other individuals to get optimal solutions. Such co-operative model differs from competitive models in the way that individuals die and are born by combining information of alive ones. This paper presents the particle swarm optimization with differential evolution algorithm in order to train a neural network instead the classic back propagation algorithm. The performance of a neural network for particular problems is critically dependant on the choice of the processing elements, the net architecture and the learning algorithm. This work is focused in the development of methods for the evolutionary design of artificial neural networks. This paper focuses in optimizing the topology and structure of connectivity for these networks.

Molecular physiology of nickel and cobalt homeostasis in Rhizobium leguminosarum.

Transition metals such as Fe, Cu, Mn, Ni, or Co are essential nutrients, as they are constitutive elements of a significant fraction of cell proteins. Such metals are present in the active site of many enzymes, and also participate as structural elements in different proteins. From a chemical point of view, metals have a defined order of affinity for binding, designated as the Irving-Williams series (Irving and Williams, 1948) Mg2+ menor que Mn2+ menor que Fe2+ menor que Co2+ menor que Ni2+ menor que Cu2+mayor queZn2+ Since cells contain a high number of different proteins harbouring different metal ions, a simplistic model in which proteins are synthesized and metals imported into a ?cytoplasmic soup? cannot explain the final product that we find in the cell. Instead we need to envisage a complex model in which specific ligands are present in definite amounts to leave the right amounts of available metals and protein binding sites, so specific pairs can bind appropriately. A critical control on the amount of ligands and metal present is exerted through specific metal-responsive regulators able to induce the synthesis of the right amount of ligands (essentially metal binding proteins), import and efflux proteins. These systems are adapted to establish the metal-protein equilibria compatible with the formation of the right metalloprotein complexes. Understanding this complex network of interactions is central to the understanding of metal metabolism for the synthesis of metalloenzymes, a key topic in the Rhizobium-legume symbiosis. In the case of the Rhizobium leguminosarum bv viciae (Rlv) UPM791 -Pisum sativum symbiotic system, the concentration of nickel in the plant nutrient solution is a limiting factor for hydrogenase expression, and provision of high amounts of this element to the plant nutrient solution is required to ensure optimal levels of enzyme synthesis (Brito et al., 1994).

Polynomial regression using a perceptron with axo-axonic connections

Social behavior is mainly based on swarm colonies, in which each individual shares its knowledge about the environment with other individuals to get optimal solutions. Such co-operative model differs from competitive models in the way that individuals die and are born by combining information of alive ones. This paper presents the particle swarm optimization with differential evolution algorithm in order to train a neural network instead the classic back propagation algorithm. The performance of a neural network for particular problems is critically dependant on the choice of the processing elements, the net architecture and the learning algorithm. This work is focused in the development of methods for the evolutionary design of artificial neural networks. This paper focuses in optimizing the topology and structure of connectivity for these networks

Introducción de las plataformas tecnológicas 2.0 y la innovación abierta en la estrategia empresarial: estudio del sector de componentes electrónicos

Este proyecto se encuadra dentro de los estudios de impacto que están produciendo en las empresas el desarrollo e incorporación de las nuevas tecnologías, y más concretamente la implantación de las aplicaciones provenientes de la denominada web 2.0. Se conoce con este nombre a las herramientas web que permiten una comunicación bidireccional, es decir, el usuario y la empresa pueden intercambiar opiniones, de manera que el usuario adquiere un nuevo papel más protagonista, presentando ideas, aclaraciones, gustos, críticas...que son tenidas en cuenta por la empresa para realizar su actividad. De esta manera se ha roto con el modelo anterior donde el usuario solo podía consultar la información de una página web, era simple receptor de la información. El objetivo de este estudio es conocer cómo las empresas están incorporando estas tecnologías 2.0 a su estrategia empresarial, y cómo términos como innovación abierta o co-creación están tomando mayor importancia en el entorno empresarial gracias a estas nuevas tecnologías. Si bien existen estudios a nivel de consultoría que generalmente aportan información sobre cuáles son las plataformas 2.0 más utilizadas en el mundo empresarial, no se han encontrado hasta ahora estudios que vinculen estas plataformas entre ellas y con la estructura empresarial, para poder definir un perfil de la organización que trabaja con ellas o el nivel de madurez de la incorporación de estas tecnologías en las organizaciones. Analizar cualitativamente estos aspectos, significa estudiar los nuevos conceptos incorporados a las tecnologías 2.0 en la empresa. Un análisis cuantitativo nos llevaría a estudiar de manera práctica que tipo de recursos y en qué cantidad se están utilizando y su vinculación con la estructura de la organización. Para ello: En una primera parte, nos centraremos en las diferentes formas en las que se puede acceder a Internet, y a continuación enfocaremos el estudio en los dispositivos móviles que nos permiten la conexión desde cualquier lugar y en cualquier instante. Con esto conseguiremos tener una situación actual del mercado de las TIC y veremos cómo las empresas han ido construyendo nuevas políticas para cambiar su estrategia con el fin de estar presentes en los nuevos dispositivos móviles y no perder cuota de mercado. Tras ello, veremos porqué conceptos como el de innovación abierta y proceso de co-creación han sido posibles gracias a la implantación de las tecnologías 2.0 en el ámbito empresarial, facilitando que la empresa y el usuario final cooperen y vayan de la mano en una misma dirección; la empresa se surte de las aportaciones que los usuarios ofrecen, y por otra parte el usuario se siente valorado por la empresa para conseguir la meta final. Es aquí donde comprobaremos la transformación que ha sufrido la empresa en sus distintos sectores departamentales (marketing, ventas, recursos humanos y atención al cliente) como consecuencia de la incorporación de las herramientas 2.0 al mundo laboral. Por todo ello, se enumerarán los distintos usos que realizan las empresas de las redes social más habituales, y además se describirán las principales herramientas y/o aplicaciones para monitorizar las redes sociales que servirán a la empresa para hacer un seguimiento de las mismas. La segunda parte del proyecto será un caso práctico y servirá para ofrecer una visión más real del estado actual de las empresas y su relación con las redes sociales. Para la recopilación de los datos se han escogido las empresas que pertenecen al sector de la “Fabricación de productos informáticos, electrónicos y ópticos”. En cuento a las redes sociales elegidas, han sido Facebook y Twitter. Este estudio práctico nos hará entender mejor el impacto directo que tienen las redes sociales en la actividad diaria de las empresas. Finalmente se realizarán una serie de consideraciones a modo de directrices que servirán para tratar de entender cómo se están utilizando las redes sociales en el entorno empresarial y cuál puede ser la manera más óptima de utilizarlas según el estudio presentado. ABSTRACT. This project is part of the impact studies arisen in companies by the development and incorporation of new technologies and, specifically, by the implementation of applications from the so-called web 2.0. That is how we call the web tools that allow bidirectional communication, this is, user and company can exchange opinions, in such a way that users acquire a leading role, submitting ideas, explanations, preferences, criticism... considered by the company when performing its activities. This way, we have broken with the previous model, where users could only check information from a web page and were simple information recipients. The objective of this study is to get to know how companies are incorporating these technologies 2.0 to their business strategy and how terms such as open innovation or co-creation are becoming more important in the business sphere thanks to these new technologies. Even if there are consulting studies that generally provide information about which are the platforms 2.0 more used in the business world, no studies have been found until now that link such platforms among them and with the business structure, in order to define a profile of the organization that works with them or the level of development of the incorporation of these technologies in the organizations. A qualitative analysis of these aspects involves studying the new concepts incorporated to technologies 2.0 by companies. A qualitative analysis would lead us to study in a practical manner what kind of resources and what amount are being used and their relation with the organization structure. Therefore: First, we will focus on the different ways to gain access to the Internet and, afterwards, we will focus the study on mobile devices that allow us to be connected everywhere any time. This way, we will manage to obtain a present situation of the ICT market and we will see how companies have constructed new policies to change their strategy in order to be present in the new mobile devices without losing their market share. Later, we will review why concepts such as open innovation and co-creation process have been possible thanks to the implementation of technologies 2.0 in the business environment, facilitating that companies and final users cooperate and walk hand in hand in the same direction; companies stock up on the contributions offered by users and, on the other hand, users feel appreciated by companies in the achievement of the final goal. Here we will confirm the transformation suffering by companies in different department sectors (marketing, sales, human resources and customer service) as a result of the incorporation of tools 2.0 to the work environment. Therefore, we will enumerate the different uses that companies make of the most common social networks, describing the main tools and/or applications to monitor social networks used by companies to follow them up. The second part of the project will be a case study to offer a more real vision of the present status of companies and their relation with social networks. To collect the data, we have selected companies from the “Manufacture of computer, electronic and optical products” industry. The social networks chosen are Facebook and Twitter. This case study will help us to get a better understanding of the direct impact of social networks in companies’ daily activity. Finally, we will offer a series of considerations and guidelines to try to understand how are social networks being used in the business environment and what can be the most suitable manner to use them according to this study.