Determining the elastic-plastic properties of metallic materials through instrumented indentation

En los últimos años, y asociado al desarrollo de la tecnología MEMS, la técnica de indentación instrumentada se ha convertido en un método de ensayo no destructivo ampliamente utilizado para hallar las características elástico-plásticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la escala macroscópica a la microscópica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de contacto debajo de la indentación, es urgente proponer un método más simple y conveniente para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio, el objetivo es mejorar el procedimiento analítico para extraer las propiedades elástico-plásticas del material mediante la técnica de indentación instrumentada. La primera parte se centra en la metodología llevada a cabo para medir las propiedades elásticas de los materiales elásticos, presentándose una nueva metodología de indentación, basada en la evolución de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo de indentación. El método propuesto permite discriminar los valores de indentación experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Además, esta técnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo elástico. La segunda parte se centra en el proceso analítico para determinar la curva tensión-deformación a partir del ensayo de indentación, empleando un indentador esférico. Para poder asemejar la curva tension-deformación de indentación con la que se obtendría de un ensayo de tracción, Tabor determinó empíricamente un factor de constricción de la tensión () y un factor de constricción de la deformación (). Sin embargo, la elección del valor de y  necesitan una derivación analítica. Se describió analíticamente una nueva visión de la relación entre los factores de constricción de tensión y la deformación basado en la deducción de la ecuación de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un diseño experimental se realizan para evaluar estos factores de constricción. A partir de los resultados obtenidos, las curvas tension-deformación extraidas de los ensayos de indentación esférica, afectadas por los correspondientes factores de constricción de tension y deformación, se ajustaron a la curva nominal tensión-deformación obtenida de ensayos de tracción convencionales. En la última parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel 625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleación de acero mediante un láser. Las propiedades mecánicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la técnica de indentación instrumentada, haciendo uso de las metodologías propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic materials by instrumented indentation. The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data. Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows obtaining convincing values of the elastic modulus. In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint factor (stress CF), and strain constraint factor (strain CF), empirically but the choice of a value for and is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor’s equation. Finite element model and experimental tests have been carried out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than those using Tabor’s constraint factors. In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI) on the micro scale.

The folded plate model in structural analysis. Elastic, plastic and dynamic formulations for nonprismatic structures

A specific numerical procedure for the analysis of arbitrary nonprismatic folded plate structures is presented. An elastic model is studied and compared with a harmonic solution for a prismatic structure. An extension to the plastic analysis is developed, and the influence of the structural geometry and loading pattern is analyzed. Nonprismatic practical cases, with arbitrary geometry and loading are shown, as well in the elastic range as in the plastic one. Finally, a dynamic formulation is outlined

Modelos de elementos finitos explícitos para explosiones en estructuras reticuladas de hormigón armado : aplicaciones al estudio del colapso de edificios

La frecuencia con la que se producen explosiones sobre edificios, ya sean accidentales o intencionadas, es reducida, pero sus efectos pueden ser catastróficos. Es deseable poder predecir de forma suficientemente precisa las consecuencias de estas acciones dinámicas sobre edificaciones civiles, entre las cuales las estructuras reticuladas de hormigón armado son una tipología habitual. En esta tesis doctoral se exploran distintas opciones prácticas para el modelado y cálculo numérico por ordenador de estructuras de hormigón armado sometidas a explosiones. Se emplean modelos numéricos de elementos finitos con integración explícita en el tiempo, que demuestran su capacidad efectiva para simular los fenómenos físicos y estructurales de dinámica rápida y altamente no lineales que suceden, pudiendo predecir los daños ocasionados tanto por la propia explosión como por el posible colapso progresivo de la estructura. El trabajo se ha llevado a cabo empleando el código comercial de elementos finitos LS-DYNA (Hallquist, 2006), desarrollando en el mismo distintos tipos de modelos de cálculo que se pueden clasificar en dos tipos principales: 1) modelos basados en elementos finitos de continuo, en los que se discretiza directamente el medio continuo mediante grados de libertad nodales de desplazamientos; 2) modelos basados en elementos finitos estructurales, mediante vigas y láminas, que incluyen hipótesis cinemáticas para elementos lineales o superficiales. Estos modelos se desarrollan y discuten a varios niveles distintos: 1) a nivel del comportamiento de los materiales, 2) a nivel de la respuesta de elementos estructurales tales como columnas, vigas o losas, y 3) a nivel de la respuesta de edificios completos o de partes significativas de los mismos. Se desarrollan modelos de elementos finitos de continuo 3D muy detallados que modelizan el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con un modelo constitutivo del hormigón CSCM (Murray et al., 2007), que tiene un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura. El acero se representa con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura. Se modeliza la geometría precisa del hormigón mediante elementos finitos de continuo 3D y cada una de las barras de armado mediante elementos finitos tipo viga, con su posición exacta dentro de la masa de hormigón. La malla del modelo se construye mediante la superposición de los elementos de continuo de hormigón y los elementos tipo viga de las armaduras segregadas, que son obligadas a seguir la deformación del sólido en cada punto mediante un algoritmo de penalización, simulando así el comportamiento del hormigón armado. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF de continuo. Con estos modelos de EF de continuo se analiza la respuesta estructural de elementos constructivos (columnas, losas y pórticos) frente a acciones explosivas. Asimismo se han comparado con resultados experimentales, de ensayos sobre vigas y losas con distintas cargas de explosivo, verificándose una coincidencia aceptable y permitiendo una calibración de los parámetros de cálculo. Sin embargo estos modelos tan detallados no son recomendables para analizar edificios completos, ya que el elevado número de elementos finitos que serían necesarios eleva su coste computacional hasta hacerlos inviables para los recursos de cálculo actuales. Adicionalmente, se desarrollan modelos de elementos finitos estructurales (vigas y láminas) que, con un coste computacional reducido, son capaces de reproducir el comportamiento global de la estructura con una precisión similar. Se modelizan igualmente el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con el modelo constitutivo del hormigón EC2 (Hallquist et al., 2013), que también presenta un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura, y se usa en elementos finitos tipo lámina. El acero se representa de nuevo con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura, usando elementos finitos tipo viga. Se modeliza una geometría equivalente del hormigón y del armado, y se tiene en cuenta la posición relativa del acero dentro de la masa de hormigón. Las mallas de ambos se unen mediante nodos comunes, produciendo una respuesta conjunta. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF estructurales. Con estos modelos de EF estructurales se simulan los mismos elementos constructivos que con los modelos de EF de continuo, y comparando sus respuestas estructurales frente a explosión se realiza la calibración de los primeros, de forma que se obtiene un comportamiento estructural similar con un coste computacional reducido. Se comprueba que estos mismos modelos, tanto los modelos de EF de continuo como los modelos de EF estructurales, son precisos también para el análisis del fenómeno de colapso progresivo en una estructura, y que se pueden utilizar para el estudio simultáneo de los daños de una explosión y el posterior colapso. Para ello se incluyen formulaciones que permiten considerar las fuerzas debidas al peso propio, sobrecargas y los contactos de unas partes de la estructura sobre otras. Se validan ambos modelos con un ensayo a escala real en el que un módulo con seis columnas y dos plantas colapsa al eliminar una de sus columnas. El coste computacional del modelo de EF de continuo para la simulación de este ensayo es mucho mayor que el del modelo de EF estructurales, lo cual hace inviable su aplicación en edificios completos, mientras que el modelo de EF estructurales presenta una respuesta global suficientemente precisa con un coste asumible. Por último se utilizan los modelos de EF estructurales para analizar explosiones sobre edificios de varias plantas, y se simulan dos escenarios con cargas explosivas para un edificio completo, con un coste computacional moderado. The frequency of explosions on buildings whether they are intended or accidental is small, but they can have catastrophic effects. Being able to predict in a accurate enough manner the consequences of these dynamic actions on civil buildings, among which frame-type reinforced concrete buildings are a frequent typology is desirable. In this doctoral thesis different practical options for the modeling and computer assisted numerical calculation of reinforced concrete structures submitted to explosions are explored. Numerical finite elements models with explicit time-based integration are employed, demonstrating their effective capacity in the simulation of the occurring fast dynamic and highly nonlinear physical and structural phenomena, allowing to predict the damage caused by the explosion itself as well as by the possible progressive collapse of the structure. The work has been carried out with the commercial finite elements code LS-DYNA (Hallquist, 2006), developing several types of calculation model classified in two main types: 1) Models based in continuum finite elements in which the continuous medium is discretized directly by means of nodal displacement degrees of freedom; 2) Models based on structural finite elements, with beams and shells, including kinematic hypothesis for linear and superficial elements. These models are developed and discussed at different levels: 1) material behaviour, 2) response of structural elements such as columns, beams and slabs, and 3) response of complete buildings or significative parts of them. Very detailed 3D continuum finite element models are developed, modeling mass concrete and reinforcement steel in a segregated manner. Concrete is represented with a constitutive concrete model CSCM (Murray et al., 2007), that has an inelastic behaviour, with different tension and compression response, hardening, cracking and compression damage and failure. The steel is represented with an elastic-plastic bilinear model with failure. The actual geometry of the concrete is modeled with 3D continuum finite elements and every and each of the reinforcing bars with beam-type finite elements, with their exact position in the concrete mass. The mesh of the model is generated by the superposition of the concrete continuum elements and the beam-type elements of the segregated reinforcement, which are made to follow the deformation of the solid in each point by means of a penalty algorithm, reproducing the behaviour of reinforced concrete. In this work these models will be called continuum FE models as a simplification. With these continuum FE models the response of construction elements (columns, slabs and frames) under explosive actions are analysed. They have also been compared with experimental results of tests on beams and slabs with various explosive charges, verifying an acceptable coincidence and allowing a calibration of the calculation parameters. These detailed models are however not advised for the analysis of complete buildings, as the high number of finite elements necessary raises its computational cost, making them unreliable for the current calculation resources. In addition to that, structural finite elements (beams and shells) models are developed, which, while having a reduced computational cost, are able to reproduce the global behaviour of the structure with a similar accuracy. Mass concrete and reinforcing steel are also modeled segregated. Concrete is represented with the concrete constitutive model EC2 (Hallquist et al., 2013), which also presents an inelastic behaviour, with a different tension and compression response, hardening, compression and cracking damage and failure, and is used in shell-type finite elements. Steel is represented once again with an elastic-plastic bilineal with failure constitutive model, using beam-type finite elements. An equivalent geometry of the concrete and the steel is modeled, considering the relative position of the steel inside the concrete mass. The meshes of both sets of elements are bound with common nodes, therefore producing a joint response. These models will be called structural FE models as a simplification. With these structural FE models the same construction elements as with the continuum FE models are simulated, and by comparing their response under explosive actions a calibration of the former is carried out, resulting in a similar response with a reduced computational cost. It is verified that both the continuum FE models and the structural FE models are also accurate for the analysis of the phenomenon of progressive collapse of a structure, and that they can be employed for the simultaneous study of an explosion damage and the resulting collapse. Both models are validated with an experimental full-scale test in which a six column, two floors module collapses after the removal of one of its columns. The computational cost of the continuum FE model for the simulation of this test is a lot higher than that of the structural FE model, making it non-viable for its application to full buildings, while the structural FE model presents a global response accurate enough with an admissible cost. Finally, structural FE models are used to analyze explosions on several story buildings, and two scenarios are simulated with explosive charges for a full building, with a moderate computational cost.

Design of Reinforcement in Concrete Shells: a unified Approach

The problem of design/verification of reinforcement in concrete shells is reviewed. Methods of analysis are classified, and the elastic-plastic approach is described in detail in the general case of shells subjected to both bending and membrane action. The procedure is then reduced to membrane shells (applicable also to concrete walls) and to pure bending, as in the case of plates. The procedure, which is based on previous research,generally requires the use of a desk-top computer.

Ion Beam irradiation of copper nitride: electronic vs elastic-collision mechanism

Copper nitride is a metastable material which results very attractive because of their potential to be used in functional device. Cu3 N easily decomposes into Cu and N2 by annealing [1] or irradiation (electron, ions, laser) [2, 3]. Previous studies carried out in N-rich Cu3 N films irradiated with Cu at 42MeV evidence a very efficient sputtering of N whose yield (5×10 3 atom/ion), for a film with a thickness of just 100 nm, suggest that the origin of the sputtering has an electronic nature. This N depletion was observed to be responsible for new phase formation ( Cu2 O) and pure Cu [4]

An Experimental and Numerical Study of Ballistic Impacts on a Turbine Casing Material at Varying Temperatures

An experimental and numerical study of ballistic impacts on steel plates at various temperatures (700ºC, 400ºC and room temperature) has been carried out. The motivation for this work is the blade‐off event that may occur inside a jet engine turbine. However, as a first attempt to understand this complex loading process, a somewhat simpler approach is carried out in the present work. The material used in this study is the FV535 martensitic stainless steel, which is one of the most commonly used materials for turbine casings. Based on material test data, a Modified Johnson‐Cook (MJC) model was calibrated for numerical simulations using the LS‐DYNA explicit finite element code (see Figure 1). To check the mesh size sensitivity, 2D axisymmetric finite element models with three different mesh sizes and configurations were used for the various temperatures. Two fixed meshes with 64 and 128 elements over the 2mm thick plate and one mesh with 32 elements over the thickness with adaptive remeshing were used in the simulations. The formation of adiabatic shear bands in the perforation process has been found critical in order to achieve good results. Adiabatic shear bands are formed by the temperature rise due to the accumulation of plastic strain during impact (see Figure 2). The influence of the thermal softening in the plastic model has hence been analyzed for the room temperature impact tests, where the temperature gradient is highest

Flow and fracture behaviour of high performance alloys

Based on our needs, that is to say, through precise simulation of the impact phenomena that may occur inside a jet engine turbine with an explicit non-linear finite element code, four new material models are postulated. Each one of is calibrated for four high-performance alloys that can be encountered in a modern jet engine. A new uncoupled material model for high strain and ballistic is proposed. Based on a Johnson-Cook type model, the proposed formulation introduces the effect of the third deviatoric invariant by means of three different Lode angle dependent functions. The Lode dependent functions are added to both plasticity and failure models. The postulated model is calibrated for a 6061-T651 aluminium alloy with data taken from the literature. The fracture pattern predictability of the JCX material model is shown performing numerical simulations of various quasi-static and dynamic tests. As an extension of the above-mentioned model, a modification in the thermal softening behaviour due to phase transformation temperatures is developed (JCXt). Additionally, a Lode angle dependent flow stress is defined. Analysing the phase diagram and high temperature tests performed, phase transformation temperatures of the FV535 stainless steel are determined. The postulated material model constants for the FV535 stainless steel are calibrated. A coupled elastoplastic-damage material model for high strain and ballistic applications is presented (JCXd). A Lode angle dependent function is added to the equivalent plastic strain to failure definition of the Johnson-Cook failure criterion. The weakening in the elastic law and in the Johnson-Cook type constitutive relation implicitly introduces the Lode angle dependency in the elastoplastic behaviour. The material model is calibrated for precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy. The combination of a Lode angle dependent failure criterion with weakened constitutive equations is proven to predict fracture patterns of the mechanical tests performed and provide reliable results. A transversely isotropic material model for directionally solidified alloys is presented. The proposed yield function is based a single linear transformation of the stress tensor. The linear operator weighs the degree of anisotropy of the yield function. The elastic behaviour, as well as the hardening, are considered isotropic. To model the hardening, a Johnson-Cook type relation is adopted. A material vector is included in the model implementation. The failure is modelled with the Cockroft-Latham failure criterion. The material vector allows orienting the reference orientation in any other that the user may need. The model is calibrated for the MAR-M 247 directionally solidified nickel-base superalloy.

Análisis de elementos de madera reforzados con materiales compuestos

Gran parte del patrimonio construido cuenta con edificios cuya estructura está compuesta por elementos de madera. El volumen económico que supone el mantenimiento y renovación de dicho patrimonio es considerable, por ello, es de especial interés el estudio de las diferentes técnicas de refuerzo aplicables a este tipo de estructuras. Las estructuras de madera han sido tradicionalmente reforzadas con piezas del mismo material, aumentando la sección de los elementos dañados, o con acero. La aparición de los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras, y su progresiva aplicación en obras de construcción, hizo que a principios de la década de los noventa se comenzara a aplicar este material en refuerzos de estructuras de madera (Puente de Sins, 1992). La madera es un material natural con una excelente relación entre sus características mecánicas y su peso. Con el uso de materiales compuestos como refuerzo ésta característica se mantiene. En cuanto a su modelo constitutivo, se admite un comportamiento elástico lineal a tracción paralela a la fibra hasta la rotura, mientras que a compresión, se considera un comportamiento lineal elástico inicial, seguido de un tramo plástico. En vigas de madera aserrada sometidas a flexión predomina el modo de fallo por tracción localizándose la fractura frecuentemente en el canto inferior. Los FRP tienen un comportamiento elástico lineal a tracción hasta la rotura y cuentan con excelentes propiedades mecánicas en relación a su peso y volumen. Si se refuerza la viga por el canto inferior se aumentará su capacidad de absorber tracciones y por tanto, es previsible que se produzca un incremento en la capacidad de carga, así como un aumento de ductilidad. En este trabajo se analizan los beneficios que aportan distintos sistemas de refuerzos de materiales compuestos. El objetivo es contribuir al conocimiento de esta técnica para la recuperación o aumento de las propiedades resistentes de elementos de madera sometidos a flexión. Se ha llevado a cabo un estudio basado en datos obtenidos experimentalmente mediante el ensayo a flexión de vigas de madera de pino silvestre reforzadas con materiales compuestos. Las fibras que componen los tejidos utilizados para la ejecución de los refuerzos son de basalto y de carbono. En el caso de los compuestos de fibra de basalto se aplican en distintos gramajes, y los de carbono en tejido unidireccional y bidireccional. Se analiza el comportamiento de las vigas según las variables de refuerzo aplicadas y se comparan con los resultados de vigas ensayadas sin reforzar. Además se comprueba el ajuste del modelo de cálculo no lineal aplicado para predecir la carga de rotura de cada viga reforzada. Con este trabajo queda demostrado el buen funcionamiento del FRP de fibra de basalto aplicado en el refuerzo de vigas de madera y de los tejidos de carbono bidireccionales con respecto a los unidireccionales. ABSTRACT Many of the buildings of the built heritage include a structure composed by timber elements. The economic volume involved in the maintenance and renewal of this built heritage is considerable, therefore, the study of the different reinforcement techniques applicable to this type of structure is of special interest. The wooden structures have traditionally been reinforced either with steel or with pieces of the same material, increasing the section of the damaged parts. The emergence of polymer composites reinforced with fibers, and their progressive use in construction, started to be applied as reinforcement in timber structures at the beginning of the nineties decade in the 20th century (Sins Bridge, 1992). Wood is a natural material with an excellent ratio between its mechanic characteristics and its weight. This feature is maintained with the use of composites as reinforcement. In terms of its constitutive model, linear elastic behavior parallel to the fiber up to fracture is admitted when subjected to tensile stress, while under compression, an initial linear elastic behavior, followed by a section plasticizing, is considered. In sawn timber beams subjected to bending, the predominant failure is mainly due to tensile stress; and frequently the fracture is located at the beam lower face. The FRP have a linear elastic behavior until fracture occurs, and have excellent mechanical properties in relation to their weight and volume. If the beam is reinforced by its lower face, its capacity to absorb tensile stresses will increase, and therefore, an increase in its carrying capacity is likely to be produced, as well as an increase in ductility. This work analyzes the benefits different reinforcement systems of composite materials provide, with the aim of contributing to the knowledge of this technique for recovering or increasing the strength properties of timber elements subjected to bending loads. It is a study based on data obtained experimentally using bending tests of pine timber beams reinforced with composite materials. Fibers used for the execution of the reinforcement are basalt and carbon. Basalt fiber composites are applied in different grammages, whereas with carbon composites, unidirectional and bidirectional fabrics are used. The behavior of the beams was analyzed regarding the reinforcement variables applied, and the results are compared with those of the tested beams without reinforcement. Furthermore it has been proved adjunting the nonlinear calculation model applied to predict the failure load of each reinforced beam. This work proves the good behavior of fiber reinforce plastic (FRP) with basalt fiber when applied to timber beams, and that of bidirectional carbon fabrics as opposed to the unidirectional ones.

Finite elastic deformations of transversely isotropic circular cylindrical tubes

We consider the finite radially symmetric deformation of a circular cylindrical tube of a homogeneous transversely isotropic elastic material subject to axial stretch, radial deformation and torsion, supported by axial load, internal pressure and end moment. Two different directions of transverse isotropy are considered: the radial direction and an arbitrary direction in planes normal locally to the radial direction, the only directions for which the considered deformation is admissible in general. In the absence of body forces, formulas are obtained for the internal pressure, and the resultant axial load and torsional moment on the ends of the tube in respect of a general strain-energy function. For a specific material model of transversely isotropic elasticity, and material and geometrical parameters, numerical results are used to illustrate the dependence of the pressure, (reduced) axial load and moment on the radial stretch and a measure of the torsional deformation for a fixed value of the axial stretch.

Discontinuous solutions and boundary value problems for non-linearly elastic fibre-reinforced materials

En este trabajo se han analizado varios problemas en el contexto de la elasticidad no lineal basándose en modelos constitutivos representativos. En particular, se han analizado problemas relacionados con el fenómeno de perdida de estabilidad asociada con condiciones de contorno en el caso de material reforzados con fibras. Cada problema se ha formulado y se ha analizado por separado en diferentes capítulos. En primer lugar se ha mostrado el análisis del gradiente de deformación discontinuo para un material transversalmente isótropo, en particular, el modelo del material considerado consiste de una base neo-Hookeana isótropa incrustada con fibras de refuerzo direccional caracterizadas con un solo parámetro. La solución de este problema se vincula con instabilidades que dan lugar al mecanismo de fallo conocido como banda de cortante. La perdida de elipticidad de las ecuaciones diferenciales de equilibrio es una condición necesaria para que aparezca este tipo de soluciones y por tanto las inestabilidades asociadas. En segundo lugar se ha analizado una deformación combinada de extensión, inación y torsión de un tubo cilíndrico grueso donde se ha encontrado que la deformación citada anteriormente puede ser controlada solo para determinadas direcciones de las fibras refuerzo. Para entender el comportamiento elástico del tubo considerado se ha ilustrado numéricamente los resultados obtenidos para las direcciones admisibles de las fibras de refuerzo bajo la deformación considerada. En tercer lugar se ha estudiado el caso de un tubo cilíndrico grueso reforzado con dos familias de fibras sometido a cortante en la dirección azimutal para un modelo de refuerzo especial. En este problema se ha encontrado que las inestabilidades que aparecen en el material considerado están asociadas con lo que se llama soluciones múltiples de la ecuación diferencial de equilibrio. Se ha encontrado que el fenómeno de instabilidad ocurre en un estado de deformación previo al estado de deformación donde se pierde la elipticidad de la ecuación diferencial de equilibrio. También se ha demostrado que la condición de perdida de elipticidad y ^W=2 = 0 (la segunda derivada de la función de energía con respecto a la deformación) son dos condiciones necesarias para la existencia de soluciones múltiples. Finalmente, se ha analizado detalladamente en el contexto de elipticidad un problema de un tubo cilíndrico grueso sometido a una deformación combinada en las direcciones helicoidal, axial y radial para distintas geotermias de las fibras de refuerzo . In the present work four main problems have been addressed within the framework of non-linear elasticity based on representative constitutive models. Namely, problems related to the loss of stability phenomena associated with boundary value problems for fibre-reinforced materials. Each of the considered problems is formulated and analysed separately in different chapters. We first start with the analysis of discontinuous deformation gradients for a transversely isotropic material under plane deformation. In particular, the material model is an augmented neo-Hookean base with a simple unidirectional reinforcement characterised by a single parameter. The solution of this problem is related to material instabilities and it is associated with a shear band-type failure mode. The loss of ellipticity of the governing differential equations is a necessary condition for the existence of these material instabilities. The second problem involves a detailed analysis of the combined non-linear extension, inflation and torsion of a thick-walled circular cylindrical tube where it has been found that the aforementioned deformation is controllable only for certain preferred directions of transverse isotropy. Numerical results have been illustrated to understand the elastic behaviour of the tube for the admissible preferred directions under the considered deformation. The third problem deals with the analysis of a doubly fibre-reinforced thickwalled circular cylindrical tube undergoing pure azimuthal shear for a special class of the reinforcing model where multiple non-smooth solutions emerge. The associated instability phenomena are found to occur prior to the point where the nominal stress tensor changes monotonicity in a particular direction. It has been also shown that the loss of ellipticity condition that arises from the equilibrium equation and ^W=2 = 0 (the second derivative of the strain-energy function with respect to the deformation) are equivalent necessary conditions for the emergence of multiple solutions for the considered material. Finally, a detailed analysis in the basis of the loss of ellipticity of the governing differential equations for a combined helical, axial and radial elastic deformations of a fibre-reinforced circular cylindrical tube is carried out.

Material, espacio y color en Mies van der Rohe. Café Samt & Seide: Hacia una Propuesta Estructural

La aparición de varias fotografías del Café Samt & Seide no publicadas hasta 2008 en las que se observaba la luz natural de la exposición; los planos a escala de la nave donde se realizó la exposición textil; y los croquis inéditos de la instalación de la seda localizados durante el transcurso de la Tesis Doctoral por el doctorando en el plano de la Sala de Cristal, han sido las principales aportaciones de la búsqueda documental que ha tenido por objeto el conocimiento espacial e interpretación gráfica del proyecto expositivo realizada durante el transcurso de la Tesis Doctoral para poder profundizar en el alcance de la propuesta protoarquitectónica y, a través de ella, en la obra y pensamiento de Mies van der Rohe. Material, espacio y color son elementos propuestos como capítulos que estructuran la disertación y que son empleados por Mies van der Rohe como factores de una nueva expresión espacial en la exposiciones como ensayos identificados con su idea de arquitectura. En el Café Samt & Seide, Mies van der Rohe y Lilly Reich proponen una sensibilidad en el empleo del material y color trasladada al espacio mediante una atmósfera rítmica y en movimiento de superficies abstraídas e iluminadas. La estructura visual de opuestos nace del doble material textil de la exposición desplegándose en un orden espacial y constructivo de elementos independientes iniciado en los apartamentos de la Colonia Weissenhof y Sala de Cristal de Stuttgart 1926-1927, y que será trasladado desde los espacios experimentales de 1927 a las series de mármoles y cristales del Pabellón Alemán 1928-1929. La síntesis intelectual (arte-ciencia-filosofía) guía el proceso de formalización y la técnica en una intención que será trasladada a su arquitectura en el empleo de la tecnología. La creatividad y repercusión de las vanguardias en la instalación muestra la voluntad integradora de la exposición y arquitectura como arte total. Los aspectos interpretativos de las artes plásticas, visuales y musicales se integran como criterios y sensibilidades aplicadas a las estructuras yuxtapuestas material, espacial y de color. Modernidad y tradición tectónica convergen en este espacio construido cuyas superficies cubren un armazón metálico oculto. La construcción mínima textil será incorporada como idea de forma en la futura construcción del pilar metálico, la pared flotante de sus viviendas y pabellones abiertos a la naturaleza, y la gran fachada tecnológica del espacio público de sus agrupaciones en la ciudad. El espacio total del Café Samt & Seide dentro de la gran nave de Berlín anticipa las exposiciones artísticas e industriales realizadas junto a Lilly Reich en el interior de las espaciosas salas de estructura metálica como instalaciones conceptuales de gravedad y luz antecedentes de los pabellones de grandes dimensiones y espacio universal. Arquitectura, construcción y lugar son integrados en la instalación por el principio estructural como propuesta de una idea de arquitectura que es desarrollada en las exposiciones. Oscilador y bastidor son construcciones escaladas dentro de la gran nave iluminada, expresando el conjunto un orden de partes que reflejan un todo integrado en la naturaleza y lo universal. Las múltiples relaciones espaciales, constructivas y conceptuales de la exposición con su arquitectura desvelan al Café Samt & Seide como un exponente y antecedente de su obra e idea a la que definió como una propuesta estructural. La estructura, entendida como un conjunto de valores culturales y medios técnicos, es el concepto con el que Mies van der Rohe identifica la síntesis intelectualtecnológica de su tiempo, constituyendo la finalidad de su expresión material, espacial y de color. ABSTRACT The unpublished pictures of the Café Samt & Seide appeared in 2008 in which the natural light in the exhibition can be seen; the scaled plan of the nave where the textile exhibition was held; and the unpublished sketches of the silk exhibition located by the doctoral candidate while preparing his dissertation have been the main input of the data search aiming at a better understanding of the space and a graphic interpretation of the exhibition project made by the doctoral candidate during the dissertation as a basic requirement to deepen in the scope of this protoarchitectural proposal and, though it, into Mies van der Rohe’s work and thinking. Material, space and colour are the elements put forward as the chapters structuring this dissertation and were used by Mies van der Rohe as factors of a new spatial expression in expositions as tests identified with his idea of architecture. In Café Samt & Seide, Mies van der Rohe and Lilly Reich present material and colour sensitivity transferred to space though a rhythmic and moving atmosphere made up by abstracted and lit surfaces. Such a visual grammar and oppositions unfolds into a space and constructive order of independent elements originated with the apartments of the Weissenhof Colony and Glass Room in Stuttgart 1926-1927, and which were transferred these test spaces 1927 to the series of marble and glass in the German Pavilion 1928-1929. The intellectual and formal will (art-science-philosophy) guides the technical expression, which is transferred to architecture through technology. The creativity and impact of avant-gardes in the installation reflects exhibition and architecture’s will to integrate as a Total Art. The interpretative aspects of plastic, visual and musical arts are part of a sensitivity applied to the overlapped structures of material, space and colour. Tectonic modernity and tradition converge in this space built with surfaces covering a hidden metal framework. The minimal textile construction is integrated as a shape idea in his subsequent construction of the metal pillar, floating wall in his housing and pavilions open to nature, and the great technological façade of the public space of his urban clusters. The total space of the exhibition inside the great nave in Berlin anticipates the artistic and industrial exhibitions done together with Lilly Reich inside the spacious Halls built with exposed metal structures as conceptual installation of gravity and light prior to the big-dimensioned pavilions and universal space. Architecture, construction and place are integrated by the structural principle. Oscillator and framework are scaled constructions integrated inside the great, lit nave, and the whole conveys order of its parts reflecting a whole integrated in nature and the universal. The many conceptual, space and constructive link of the textile exhibition to his European and American architecture add a greater knowledge of the time when Mies van der Rohe stated he gained a “new awareness” 1926, revealing Café Samt & Seide as a valuable example and the experimental precursor of his work and idea defined by himself as a “structural proposal”. The structure, understood as a set of cultural and material values expressed by architecture, is the notion used by Mies van der Rohe to identify the intellectual-technological synthesis as the idea of a time and which is the goal of its material, space and colour expression.

Optimización de la densidad de energía en vigas de material compuesto (PRF) sometidas a flexión pura

Las necesidades energéticas actuales requieren el desarrollo de tecnologías eficaces y eficientes en producción, transporte y distribución de energía. Estas necesidades han impulsado nuevos desarrollos en el ámbito energético, entre los cuales se encuentran sistemas de almacenamiento de energía. El avance en ingeniería de materiales permite pensar en la posibilidad de almacenamiento mediante deformación elástica de vigas. Concretamente se parte de un concepto de mecanismo acumulador de energía basado en la deformación elástica de resortes espirales a torsión. Dichos resortes se pueden considerar como elementos vigas sometidos a flexión pura y grandes deflexiones. Esta Tesis de centra en el diseño y optimización de estos elementos con el fin de maximizar la densidad de energía que son capaces de absorber. El proceso de optimización comienza con la identificación del factor crítico del que depende dicho proceso, en este caso de trata de la densidad de energía. Dicho factor depende de la geometría de la sección resistente y del material empleado en su construcción. En los últimos años ha existido un gran desarrollo de los materiales compuestos de tipo polimérico reforzados con fibras (PRF). Estos materiales están sustituyendo gradualmente a otros materiales, como los metales, debido principalmente a su excelente relación entre propiedades mecánicas y peso. Por otro lado, analizando las posibles geometrías para la sección resistente, se observó que la más adecuada es una estructura tipo sándwich. Se implementa así un procedimiento de diseño de vigas sándwich sometidas a flexión pura, con las pieles fabricadas en materiales compuestos tipo PRF y un núcleo que debe garantizar el bajo peso de la estructura. Se desarrolla así un procedimiento sistemático que se puede particularizar dependiendo de los parámetros de entrada de la viga, y que tiene en cuenta y analiza la aparición de todos los posibles modos de fallo posibles. Así mismo se desarrollan una serie de mapas o ábacos de diseño que permiten seleccionar rápidamente las dimensiones preliminares de la viga. Finalmente se llevan a cabo ensayos que permiten, por un lado, validar el concepto del mecanismo acumulador de energía a través del ensayo de un muelle con sección monolítica, y por otro validar los distintos diseños de vigas sándwich propuestos y mostrar el incremento de la densidad de energía con respecto a la alternativa monolítica. Como líneas futuras de investigación se plantean la investigación en nuevos materiales, como la utilización de nanotubos de carbono, y la optimización del mecanismo de absorción de energía; optimizando el mecanismo de absorción a flexión pura e implementando sistemas que permitan acumular energía mediante la deformación elástica debida a esfuerzos de tracción-compresión. ABSTRACT Energy supply requires the development of effective and efficient technologies for the production, transport and distribution of energy. In recent years, many energy storage systems have been developed. Advances in the field of materials engineering has allowed the development of new concepts as the energy storage by elastic deformation of beams. Particularly, in this Thesis an energy storage device based on the elastic deformation of torsional springs has been studied. These springs can be considered as beam elements subjected to pure bending loads and large deflections. This Thesis is focused on the design and optimization of these beam elements in order to maximize its density of stored energy. The optimization process starts with the identification of the critical factors for the elastic energy storage: the density. This factor depends on the geometry of the cross section of the beam and the materials from which it is made. In the last 20 years, major advances in the field of composite materials have been made, particularly in the field of fiber reinforced polymers (FRP). This type of material is substituting gradually metallic materials to their excellent weight-mechanical properties ratio. In the other side, several possible geometries are analyzed for its use in the cross section of the beam; it was concluded that the best option, for maximum energy density, is using a sandwich beam. A design procedure for sandwich beams with skins made up with FRP composites and a light weight core is developed. This procedure can be particularized for different input parameters and it analyzes all the possible failure modes. Abacus and failure mode maps have been developed in order to simplify the design process. Finally several tested was made. Firstly, a prototype of the energy storage system which uses a monolithic composite beam was tested in order to validate the concept of the energy storage by elastic deformation. After that sandwich beam samples are built and tested, validating the design and showing the increase of energy density with respect to the monolithic beam. As futures research lines the following are proposed: research in new materials, as carbon nanotubes; and the optimization of the energy storage mechanism, that means optimizing the pure bending storage mechanism and developing new ones based on traction-compression mechanisms.

A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion

A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion for high strain and ballistic applications is presented. A Lode angle dependent function is added to the equivalent plastic strain to failure definition of the Johnson–Cook failure criterion. The weakening in the elastic law and in the Johnson–Cook-like constitutive relation implicitly introduces the Lode angle dependency in the elastoplastic behaviour. The material model is calibrated for precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy. The combination of a Lode angle dependent failure criterion with weakened constitutive equations is proven to predict fracture patterns of the mechanical tests performed and provide reliable results. Additionally, the mesh size dependency on the prediction of the fracture patterns was studied, showing that was crucial to predict such patterns

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.

Modelado de fractura dúctil sobre aceros modificados superficialmente 545-A

Históricamente la fractura ha sido considerada siempre como un efecto indeseado entre los materiales, dado que su aparición supone un cese del material en servicio, puesto que un material fracturado carece de importancia desde el punto de vista comercial. Consecuentemente, la Mecánica de Fractura ha experimentado un desarrollo importante en las últimas décadas como no lo hizo en toda la historia de los materiales. El desarrollo de nuevos campos a nivel científico y técnico han estado de la mano con el desarrollo de nuevos materiales que satisfagan las necesidades particulares de cada sector o aplicación. Este requerimiento se ve acentuado cuando se incorpora el aspecto económico, dado que, así como se necesitan materiales con mayor resistencia a la fractura, corrosión etc, también se necesita que su precio en el mercado sea accesible y que permita una aplicación rentable. En los últimos 70 años, desde los requerimientos de nuevos materiales resistentes a la fractura con los buques Liberty hasta el boom petrolero, pasando por las aplicaciones aeroespaciales se han desarrollado diversas teorías que explican el comportamiento de los materiales, en cuando a la tenacidad a la fractura en distintas temperaturas, composiciones químicas, materiales compuestos etc. Uno de los sectores que más ha demandado un desarrollo, por su amplitud en cuanto a requerimientos y consumo global, así como su impacto en la economía mundial, es el sector de gas, petróleo y petroquímica. Muchos de los proyectos que se intentaron desarrollar hasta hace menos de 25 años eran inviables por su elevado coste de ejecución y su bajo retorno de inversión debido a la caída de los precios del petróleo. Con una demanda creciente a nivel mundial y unos precios que apuntan hacia la estabilización o alza moderada, nuevos sistemas de trasporte por tuberías han sido necesarios desarrollar, desde el punto de vista de ingeniería, con el menos coste posible y de un modo seguro. Muchas de estas aplicaciones se vieron incrementadas cuando nuevos requerimientos en cuanto a resistencia a la corrosión fueron necesarios: demanda de materiales que no se corroan, con prestaciones seguras a nivel mecánico y un bajo coste. Esta nueva etapa se conoce como Aleaciones Resistentes a la Corrosión (CRA´s por sus siglas en inglés) en las cuales uno de los factores de diseño seguro recaían indiscutiblemente en la mecánica de fractura. Por estas razones era necesario entender como influía en la resistencia a la fractura las aportaciones que podrían hacerse sobre una superficie metálica. Al realizar el presente estudio se comenzó analizando la influencia que tenían modificaciones en el rango iónico sobre aceros al carbono. Estudios previos sobre láminas de acero ferrítico usadas en reactores de fisión nuclear demostraron que aportes de iones, en este particular el Helio, influían en el comportamiento de la tenacidad a la fractura en función de la temperatura. De este modo, un primer análisis fue hecho sobre la influencia de iones de nitrógeno aportados sobre superficies de acero al carbono y como modificaban su tenacidad a la fractura. Este primer análisis sirvió para comprobar el impacto que tenían pequeñas dosis de iones de nitrógeno en la tenacidad a la fractura. Otro desarrollo con una mayor aplicación industrial fue hecho sobre superficies de acero al carbono con aporte por soldadura de los materiales más usados para evitar la corrosión. El análisis se centró fundamentalmente en la influencia que tenían distintos materiales aportados como el MONEL 400, DUPLEX 928, INCONEL 625 y STAINLESS-STEEL 316 en referencia a características de diseño como la tensión elástica y la tensión a la rotura. Este análisis permitió conocer el impacto de los materiales aportados en los ensayos de tracción en probetas de acero al carbono. Una explicación acerca del comportamiento fue soportada por el análisis macrofractográfico de los perfiles fracturados y las macro deformaciones en la superficie de las probetas. Un posterior desarrollo teórico permitió modelar matemáticamente la fractura de las probetas aportadas por soldadura en la región elástica por medio de la Ley de Hooke, así como la teoría de Plasticidad de Hill para la región de deformación plástica. ABSTRACT Fracture mechanics has been extensively studied in the last 70 years by the constant requirements of new materials with low costs. These requirements have allowed surface modified welded materials in which it is necessary to know the influence of design fundamentals with the material surface welded. Several specimens have been studied for ductile fracture in longitudinal tensile tests for carbon steel surface-modified by weld overlay MONEL 400, DUPLEX 928, INCONEL 625 and STAINLESS-STEEL 316. Similarly of macro photographic analyzes to level the fractured surfaces that explain the behavior curves obtained in Tensile – displacement charts. The contribution of weld overlay material shows a significant impact on the yield and tensile stress of the specimens which was modeled according to Hooke's law for elastic area and Hill´s theory of plasticity to the plastic one.