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.

On the application of meshfree methods to the nonlinear dynamics of multibody systems

Esta tesis propone una completa formulación termo-mecánica para la simulación no-lineal de mecanismos flexibles basada en métodos libres de malla. El enfoque se basa en tres pilares principales: la formulación de Lagrangiano total para medios continuos, la discretización de Bubnov-Galerkin, y las funciones de forma libres de malla. Los métodos sin malla se caracterizan por la definición de un conjunto de funciones de forma en dominios solapados, junto con una malla de integración de las ecuaciones discretas de balance. Dos tipos de funciones de forma se han seleccionado como representación de las familias interpolantes (Funciones de Base Radial) y aproximantes (Mínimos Cuadrados Móviles). Su formulación se ha adaptado haciendo sus parámetros compatibles, y su ausencia de conectividad predefinida se ha aprovechado para interconectar múltiples dominios de manera automática, permitiendo el uso de mallas de fondo no conformes. Se propone una formulación generalizada de restricciones, juntas y contactos, válida para sólidos rígidos y flexibles, siendo estos últimos discretizados mediante elementos finitos (MEF) o libres de malla. La mayor ventaja de este enfoque reside en que independiza completamente el dominio con respecto de las uniones y acciones externas a cada sólido, permitiendo su definición incluso fuera del contorno. Al mismo tiempo, también se minimiza el número de ecuaciones de restricción necesarias para la definición de uniones realistas. Las diversas validaciones, ejemplos y comparaciones detalladas muestran como el enfoque propuesto es genérico y extensible a un gran número de sistemas. En concreto, las comparaciones con el MEF indican una importante reducción del error para igual número de nodos, tanto en simulaciones mecánicas, como térmicas y termo-mecánicas acopladas. A igualdad de error, la eficiencia numérica de los métodos libres de malla es mayor que la del MEF cuanto más grosera es la discretización. Finalmente, la formulación se aplica a un problema de diseño real sobre el mantenimiento de estructuras masivas en el interior de un reactor de fusión, demostrando su viabilidad en análisis de problemas reales, y a su vez mostrando su potencial para su uso en simulación en tiempo real de sistemas no-lineales. A new complete formulation is proposed for the simulation of nonlinear dynamic of multibody systems with thermo-mechanical behaviour. The approach is founded in three main pillars: total Lagrangian formulation, Bubnov-Galerkin discretization, and meshfree shape functions. Meshfree methods are characterized by the definition of a set of shape functions in overlapping domains, and a background grid for integration of the Galerkin discrete equations. Two different types of shape functions have been chosen as representatives of interpolation (Radial Basis Functions), and approximation (Moving Least Squares) families. Their formulation has been adapted to use compatible parameters, and their lack of predefined connectivity is used to interconnect different domains seamlessly, allowing the use of non-conforming meshes. A generalized formulation for constraints, joints, and contacts is proposed, which is valid for rigid and flexible solids, being the later discretized using either finite elements (FEM) or meshfree methods. The greatest advantage of this approach is that makes the domain completely independent of the external links and actions, allowing to even define them outside of the boundary. At the same time, the number of constraint equations needed for defining realistic joints is minimized. Validation, examples, and benchmarks are provided for the proposed formulation, demonstrating that the approach is generic and extensible to further problems. Comparisons with FEM show a much lower error for the same number of nodes, both for mechanical and thermal analyses. The numerical efficiency is also better when coarse discretizations are used. A final demonstration to a real problem for handling massive structures inside of a fusion reactor is presented. It demonstrates that the application of meshfree methods is feasible and can provide an advantage towards the definition of nonlinear real-time simulation models.

Estudio del comportamiento en rotura de un material metálico dúctil : aspectos experimentales y numéricos

La motivación principal de este trabajo fin de máster es el estudio del comportamiento en rotura de un material metálico muy dúctil como es una aleación de aluminio. El conocimiento del comportamiento de los materiales en su régimen plástico es muy valioso, puesto que el concepto de ductilidad de un material está relacionado directamente con la seguridad de una estructura. Un material dúctil es aquel que resiste estados tensionales elevados y alcanza altos niveles de deformación, siendo capaz de absorber gran cantidad de energía antes de su rotura y permitiendo una redistribución de esfuerzos entre elementos estructurales. Por tanto, la utilización de materiales dúctiles en el mundo de la construcción supone en general un incremento de la seguridad estructural por su “capacidad de aviso”, es decir, la deformación que estos materiales experimentan antes de su rotura. Al contrario que los materiales frágiles, que carecen de esta capacidad de aviso antes de su rotura, produciéndose ésta de forma repentina y sin apenas deformación previa. En relación a esto, el ensayo de tracción simple se considera una de las técnicas más sencillas y utilizadas en la caracterización de materiales metálicos, puesto que a partir de la curva fuerza-desplazamiento que este ensayo proporciona, permite obtener de forma precisa la curva tensión-deformación desde el instante de carga máxima. No obstante, existen dificultades para la definición del comportamiento del material desde el instante de carga máxima hasta rotura, lo que provoca que habitualmente no se considere este último tramo de la curva tensión-deformación cuando, tal y como sabemos, contiene una información muy importante y valiosa. Y es que, este último tramo de la curva tensión-deformación es primordial a la hora de determinar la energía máxima que un elemento es capaz de absorber antes de su rotura, aspecto elemental, por ejemplo para conocer si una rotura ha sido accidental o intencionada. Por tanto, el tramo final de la curva tensión-deformación proporciona información muy interesante sobre el comportamiento del material frente a situaciones límite de carga. El objetivo por tanto va a ser continuar con el trabajo realizado por el doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Fernando Suárez Guerra, el cual estudió en su Tesis Doctoral el comportamiento en rotura de dos materiales metálicos como son, un Material 1: acero perlítico empleado en la fabricación de alambres de pretensado, y un Material 2: acero tipo B 500 SD empleado como armadura pasiva en hormigón armado. Estos materiales presentan un comportamiento a rotura claramente diferenciado, siendo más dúctil el Material 2 que el Material 1. Tomando como partida esta Tesis Doctoral, este Trabajo Fin de Máster pretende continuar con el estudio del comportamiento en rotura de un material metálico mucho más dúctil que los experimentados anteriormente, como es el aluminio. Analizando el último tramo de la curva tensión-deformación, que corresponde al tramo entre el instante de carga máxima y el de rotura del material. Atendiendo a los mecanismos de rotura de un material metálico, es necesario distinguir dos comportamientos distintos. Uno que corresponde a una rotura en forma de copa y cono, y otro que corresponde a una superficie de rotura plana perpendicular a la dirección de aplicación de la carga.

Madera termo-tratada de frondosas para uso estructural

La madera termotratada es madera modificada mediante un proceso térmico a elevadas temperaturas que le proporciona mayor estabilidad dimensional y durabilidad sin incorporar productos químicos perjudiciales para el medio ambiente. Hasta el momento se ha aplicado fundamentalmente a madera de coniferas por motivos económicos, siendo su uso más habitual en ambientes exteriores o de elevada humedad, como elementos de revestimiento no estructurales, carpinterías, mobiliario de jardín, etc. En la presente tesis se estudia la viabilidad de la madera termotratada de frondosas para uso estructural, en particular fresno (Fraxinus excelsior L) y haya (Fagus sylvatica L). Con este fin, y considerando que el termotratamiento modifica la estructura interna de la madera resultando en un nuevo material, se realizan estudios experimentales y numéricos para su caracterización. Estos trabajos se desarrollan bajo el enfoque de la Mecánica de Fractura debido a la pérdida de resistencia y aumento de fragilidad que presenta el material, especialmente a tracción perpendicular a las fibras. Así mismo, se lleva a cabo una recopilación de las bases, fundamentos y metodologías de esta teoría aplicados a madera sin tratar y otros materiales debido a la inexistencia de este tipo de estudios en madera termotratada. De igual manera se realiza un programa de caracterización mecánica del material para determinar sus propiedades elásticas considerando un modelo ortótropo, necesarios en la investigación del comportamiento a fractura. El trabajo derivó en el desarrollo de un nuevo método de ensayo para la determinación multiparamétrica a partir de un sólo espécimen, proporcionando resultados mucho más robustos que los obtenidos con la metodología convencional de ensayos. En base a los trabajos realizados, considerando las limitaciones de resistencia y fragilidad, así como la dudosa aplicabilidad de las normativas existentes en madera sin tratar, se aconseja no utilizar tratamientos térmicos intensos en elementos estructurales primarios. Se propone su aplicación en elementos secundarios, de manera que un posible colapso no implique una pérdida de fiabilidad global de la estructura. Se estudia la viabilidad de un panel sandwich innovador y ecológico para fachadas expuesto a cargas de viento, compuesto de madera termotratada en las caras y panel aislante de fibras de madera con función estructural en el alma. Esta investigación se desarrolló dentro del proyecto de investigación Europeo "Holiwood", Holistic implementation of European thermal treated hardwood (TMT) in the sector of construction industry and noise protection by sustainable, knowledge-based and value added products, perteneciente al sexto Programa Marco. ABSTRACT Hcat-trcatcd wood is modified wood by a thermal process at high temperatures which provides greater dimensional stability and durability without adding harmful chemicals to the environment. It has been mainly applied to softwoods due mainly to economical reasons, being its most common use outdoors or in high humidity environments, as non-structural elements, furniture, etc. The present Thesis studies the feasibility of heat-treated hardwoods for structural uses, particularly ash (Fraxinus excelsior L) and beech (Fagus sylvatica L). To this end, and considering that heat treatment modifies the internal structure of the wood resulting in a new material, experimental and numerical studies are performed for its characterization. This investigation is developed under the approach of Fracture Mechanics due to the loss of strength and the increase in brittlcncss of the material, especially in tension perpendicular to the grain. Likewise, it holds a collection of the bases, foundations and methodologies of this theory applied to untreated wood and other materials due to the lack of such studies in heat-treated wood. In addition, studies for the mechanical characterization of the material are performed in order to determine the elastic properties considering an orthotropic model. This work is necessary in the investigation of the fracture behavior. It led to the development of a new test method for multiparameter determination by using just a single specimen, providing much more robust results than those obtained with conventional test methodology. Based on this investigation, and considering the limitations of strength and brittleness, and the questionable applicability of existing standards for untreated wood, it is advised not to use intense heat treatments in primary structural elements. It is proposed the application to secondary elements, so that a possible collapse does not involve a loss of overall reliability of the structure. It is studied the feasibility of an innovative and ecological sandwich panel for facades exposed to wind loads, composed by heat-treated wood faces and insulating wood fiberboard with structural function in the core. This investigación was developed within the European research project "Holiwood", Holistic implementation of European thermal treated hardwood (TMT) in the sector of construction industry and noise protection by sustainable, knowledge-based and value added products, of the Sixth Framework Program.