Manufacturing of self-passivating tungsten based alloys by different powder metallurgical routes

Self-passivating tungsten based alloys will provide a major safety advantage compared to pure tungsten when used as first wall armor of future fusion reactors, due to the formation of a protective oxide layer which prevents the formation of volatile and radioactive WO3 in case of a loss of coolant accident with simultaneous air ingress. Bulk WCr10Ti2 alloys were manufactured by two different powder metallurgical routes: (1) mechanical alloying (MA) followed by hot isostatic pressing (HIP) of metallic capsules, and (2) MA, compaction, pressureless sintering in H2 and subsequent HIPing without encapsulation. Both routes resulted in fully dense materials with homogeneous microstructure and grain sizes of 300 nm and 1 μm, respectively. The content of impurities remained unchanged after HIP, but it increased after sintering due to binder residue. It was not possible to produce large samples by route (2) due to difficulties in the uniaxial compaction stage. Flexural strength and fracture toughness measured on samples produced by route (1) revealed a ductile-to-brittle-transition temperature (DBTT) of about 950 °C. The strength increased from room temperature to 800 °C, decreasing significantly in the plastic region. An increase of fracture toughness is observed around the DBTT.

Stability of vacancy clusters in FeCr alloys: A study of the Cr concentration dependence

Fe–Cr based alloys are the leading structural material candidates in the design of next generation reactors due to their high resistance to swelling and corrosion. Despite these good properties there are others, such as embrittlement, which require a higher level of understanding in order to improve aspects such as safety or lifetime of the reactors. The addition of Cr improves the behavior of the steels under irradiation, but not in a monotonic way. Therefore, understanding the changes in the Fe–Cr based alloys microstructure induced by irradiation and the role played by the alloying element (Cr) is needed in order to predict the response of these materials under the extreme conditions they are going to support. In this work we perform a study of the effect of Cr concentration in a bcc Fe–Cr matrix on formation and binding energies of vacancy clusters up to 5 units. The dependence of the calculated formation and binding energy is investigated with two empirical interatomic potentials specially developed to study radiation damage in Fe–Cr alloys. Results are very similar for both potentials showing an increase of the defect stability with the cluster size and no real dependence on Cr concentration for the binding energy.

Microstructural and mechanical characterization of tungsten based materials for fusion reactors

El wolframio (W) y sus aleaciones se consideran los mejores candidatos para la construcción del divertor en la nueva generación de reactores de fusión nuclear. Este componente va a recibir las cargas térmicas más elevadas durante el funcionamiento del reactor ya que estará en contacto directo con el plasma. En los últimos años, después de un profundo análisis y siguiendo una estrategia de reducción de costes, la Organización de ITER tomó la decisión de construir el divertor integramente de wolframio desde el principio. Por ello, el wolframio no sólo actuará como material en contacto con el plasma (PFM), sino que también tendría aplicaciones estructurales. El wolframio, debido a sus excelentes propiedades termo-físicas, cumple todos los requerimientos para ser utilizado como PFM, sin embargo, su inherente fragilidad pone en peligro su uso estructural. Por tanto, uno de los principales objetivos de esta tesis es encontrar una aleación de wolframio con menor fragilidad. Durante éste trabajo, se realizó la caracterización microstructural y mecánica de diferentes materiales basados en wolframio. Sin embargo, ésta tarea es un reto debido a la pequeña cantidad de material suministrado, su reducido tamaño de grano y fragilidad. Por ello, para una correcta medida de todas las propiedades físicas y mecánicas se utilizaron diversas técnicas experimentales. Algunas de ellas se emplean habitualmente como la nanoindentación o los ensayos de flexión en tres puntos (TPB). Sin embargo, otras fueron especificamente desarrolladas e implementadas durante el desarrollo de esta tesis como es el caso de la medida real de la tenacidad de fractura en los materiales masivos, o de las medidas in situ de la tenacidad de fractura en las láminas delgadas de wolframio. Diversas composiciones de aleaciones de wolframio masivas (W-1% Y2O3, W-2% V-0.5% Y2O3, W-4% V-0.5% Y2O3, W-2% Ti-1% La2O3 y W-4% Ti-1% La2O3) se han estudiado y comparado con un wolframio puro producido en las mismas condiciones. Estas aleaciones, producidas por ruta pulvimetalúrgica de aleado mecánico (MA) y compactación isostática en caliente (HIP), fueron microstructural y mecánicamente caracterizadas desde 77 hasta 1473 K en aire y en alto vacío. Entre otras propiedades físicas y mecánicas se midieron la dureza, el módulo elástico, la resistencia a flexión y la tenacidad de fractura para todas las aleaciones. Finalmente se analizaron las superficies de fractura después de los ensayos de TPB para relacionar los micromecanismos de fallo con el comportamiento macroscópico a rotura. Los resultados obtenidos mostraron un comportamiento mecánico frágil en casi todo el intervalo de temperaturas y para casi todas las aleaciones sin mejoría de la temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT). Con el fin de encontrar un material base wolframio con una DBTT más baja se realizó también un estudio, aún preliminar, de láminas delgadas de wolframio puro y wolframio dopado con 0.005wt.% potasio (K). Éstas láminas fueron fabricadas industrialmente mediante sinterizado y laminación en caliente y en frío y se sometieron posteriormente a un tratamiento térmico de recocido desde 1073 hasta 2673 K. Se ha analizado la evolución de su microestructura y las propiedades mecánicas al aumentar la temperatura de recocido. Los resultados mostraron la estabilización de los granos de wolframio con el incremento de la temperatura de recocido en las láminas delgadas de wolframio dopado con potasio. Sin embargo, es necesario realizar estudios adicionales para entender mejor la microstructura y algunas propiedades mecánicas de estos materiales, como la tenacidad de fractura. Tungsten (W) and tungsten-based alloys are considered to be the best candidate materials for fabricating the divertor in the next-generation nuclear fusion reactors. This component will experience the highest thermal loads during the operation of a reactor since it directly faces the plasma. In recent years, after thorough analysis that followed a strategy of cost reduction, the ITER Organization decided to built a full-tunsgten divertor before the first nuclear campaigns. Therefore, tungsten will be used not only as a plasma-facing material (PFM) but also in structural applications. Tungsten, due to its the excellent thermo-physical properties fulfils the requirements of a PFM, however, its use in structural applications is compromised due to its inherent brittleness. One of the objectives of this phD thesis is therefore, to find a material with improved brittleness behaviour. The microstructural and mechanical characterisation of different tunsgten-based materials was performed. However, this is a challenging task because of the reduced laboratory-scale size of the specimens provided, their _ne microstructure and their brittleness. Consequently, many techniques are required to ensure an accurate measurement of all the mechanical and physical properties. Some of the applied methods have been widely used such as nanoindentation or three-point bending (TPB) tests. However, other methods were specifically developed and implemented during this work such as the measurement of the real fracture toughness of bulk-tunsgten alloys or the in situ fracture toughness measurements of very thin tungsten foils. Bulk-tunsgten materials with different compositions (W-1% Y2O3, W-2% V- 0.5% Y2O3, W-4% V-0.5% Y2O3, W-2% Ti-1% La2O3 and W-4% Ti-1% La2O3) were studied and compared with pure tungsten processed under the same conditions. These alloys, produced by a powder metallurgical route of mechanical alloying (MA) and hot isostatic pressing (HIP), were microstructural and mechanically characterised from 77 to 1473 K in air and under high vacuum conditions. Hardness, elastic modulus, flexural strength and fracture toughness for all of the alloys were measured in addition to other physical and mechanical properties. Finally, the fracture surfaces after the TPB tests were analysed to correlate the micromechanisms of failure with the macroscopic behaviour. The results reveal brittle mechanical behaviour in almost the entire temperature range for the alloys and micromechanisms of failure with no improvement in the ductile-brittle transition temperature (DBTT). To continue the search of a tungsten material with lowered DBTT, a preliminary study of pure tunsgten and 0.005 wt.% potassium (K)-doped tungsten foils was also performed. These foils were industrially produced by sintering and hot and cold rolling. After that, they were annealed from 1073 to 2673 K to analyse the evolution of the microstructural and mechanical properties with increasing annealing temperature. The results revealed the stabilisation of the tungsten grains with increasing annealing temperature in the potassium-doped tungsten foil. However, additional studies need to be performed to gain a better understanding of the microstructure and mechanical properties of these materials such as fracture toughness.

Comportamiento mecánico de nuevas aleaciones de wolframio en función de la temperatura

La presente memoria de tesis tiene como objetivo principal la caracterización mecánica en función de la temperatura de nueve aleaciones de wolframio con contenidos diferentes en titanio, vanadio, itria y lantana. Las aleaciones estudiadas son las siguientes: W-0.5%Y2O3, W-2%Ti, W-2% Ti-0.5% Y2O3, W-4% Ti-0.5% Y2O3, W-2%V, W- 2%Vmix, W-4%V, W-1%La2O3 and W-4%V-1%La2O3. Todos ellos, además del wolframio puro se fabrican mediante compresión isostática en caliente (HIP) y son suministradas por la Universidad Carlos III de Madrid. La investigación se desarrolla a través de un estudio sistemático basado en ensayos físicos y mecánicos, así como el análisis post mortem de las muestras ensayadas. Para realizar dicha caracterización mecánica se aplican diferentes ensayos mecánicos, la mayoría de ellos realizados en el intervalo de temperatura de 25 a 1000 º C. Los ensayos de caracterización que se llevan a cabo son: • Densidad • Dureza Vicker • Módulo de elasticidad y su evolución con la temperatura • Límite elástico o resistencia a la flexión máxima, y su evolución con la temperatura • Resistencia a la fractura y su comportamiento con la temperatura. • Análisis microestructural • Análisis fractográfico • Análisis de la relación microestructura-comportamiento macroscópico. El estudio comienza con una introducción acerca de los sistemas en los que estos materiales son candidatos para su aplicación, para comprender las condiciones a las que los materiales serán expuestos. En este caso, el componente que determina las condiciones es el Divertor del reactor de energía de fusión por confinamiento magnético. Parece obvio que su uso en los componentes del reactor de fusión, más exactamente como materiales de cara al plasma (Plasma Facing Components o PFC), hace que estas aleaciones trabajen bajo condiciones de irradiación de neutrones. Además, el hecho de que sean materiales nuevos hace necesario un estudio previo de las características básicas que garantice los requisitos mínimos antes de realizar un estudio más complejo. Esto constituye la principal motivación de la presente investigación. La actual crisis energética ha llevado a aunar esfuerzos en el desarrollo de nuevos materiales, técnicas y dispositivos para la aplicación en la industria de la energía nuclear. El desarrollo de las técnicas de producción de aleaciones de wolframio, con un punto de fusión muy alto, requiere el uso de precursores de sinterizado para lograr densificaciones más altas y por lo tanto mejores propiedades mecánicas. Este es el propósito de la adición de titanio y vanadio en estas aleaciones. Sin embargo, uno de los principales problemas de la utilización de wolframio como material estructural es su alta temperatura de transición dúctil-frágil. Esta temperatura es característica de materiales metálicos con estructura cúbica centrada en el cuerpo y depende de varios factores metalúrgicos. El proceso de recristalización aumenta esta temperatura de transición. Los PFC tienen temperaturas muy altas de servicio, lo que facilita la recristalización del metal. Con el fin de retrasar este proceso, se dispersan partículas insolubles en el material permitiendo temperaturas de servicio más altas. Hasta ahora se ha utilizado óxidos de torio, lantano e itrio como partículas dispersas. Para entender cómo los contenidos en algunos elementos y partículas de óxido afectan a las propiedades de wolframio se estudian las aleaciones binarias de wolframio en comparación con el wolframio puro. A su vez estas aleaciones binarias se utilizan como material de referencia para entender el comportamiento de las aleaciones ternarias. Dada la estrecha relación entre las propiedades del material, la estructura y proceso de fabricación, el estudio se completa con un análisis fractográfico y micrográfico. El análisis fractográfico puede mostrar los mecanismos que están implicados en el proceso de fractura del material. Por otro lado, el estudio micrográfico ayudará a entender este comportamiento a través de la identificación de las posibles fases presentes. La medida del tamaño de grano es una parte de la caracterización microestructural. En esta investigación, la medida del tamaño de grano se llevó a cabo por ataque químico selectivo para revelar el límite de grano en las muestras preparadas. Posteriormente las micrografías fueron sometidas a tratamiento y análisis de imágenes. El documento termina con una discusión de los resultados y la compilación de las conclusiones más importantes que se alcanzan después del estudio. Actualmente, el desarrollo de nuevos materiales para aplicación en los componentes de cara al plasma continúa. El estudio de estos materiales ayudará a completar una base de datos de características que permita hacer una selección de ellos más fiable. The main goal of this dissertation is the mechanical characterization as a function of temperature of nine tungsten alloys containing different amounts of titanium, vanadium and yttrium and lanthanum oxide. The alloys under study were the following ones: W-0.5%Y2O3, W-2%Ti, W-2% Ti-0.5% Y2O3, W-4% Ti-0.5% Y2O3, W-2%V, W- 2%Vmix, W-4%V, W-1%La2O3 and W-4%V-1%La2O3. All of them, besides pure tungsten, were manufactured using a Hot Isostatic Pressing (HIP) process and they were supplied by the Universidad Carlos III de Madrid. The research was carried out through a systematic study based on physical and mechanical tests as well as the post mortem analysis of tested samples. Diverse mechanical tests were applied to perform this characterization; most of them were conducted at temperatures in the range 25-1000 ºC. The following characterization tests were performed: • Density • Vickers hardness • Elastic modulus • Yield strength or ultimate bending strength, and their evolution with temperature • Fracture toughness and its temperature behavior • Microstructural analysis • Fractographical analysis • Microstructure-macroscopic relationship analysis This study begins with an introduction regarding the systems where these materials could be applied, in order to establish and understand their service conditions. In this case, the component that defines the conditions is the Divertor of magnetic-confinement fusion reactors. It seems obvious that their use as fusion reactor components, more exactly as plasma facing components (PFCs), makes these alloys work under conditions of neutron irradiation. In addition to this, the fact that they are novel materials demands a preliminary study of the basic characteristics which will guarantee their minimum requirements prior to a more complex study. This constitutes the motivation of the present research. The current energy crisis has driven to join forces so as to develop new materials, techniques and devices for their application in the nuclear energy industry. The development of production techniques for tungsten-based alloys, with a very high melting point, requires the use of precursors for sintering to achieve higher densifications and, accordingly, better mechanical properties. This is the purpose of the addition of titanium and vanadium to these alloys. Nevertheless, one of the main problems of using tungsten as structural material is its high ductile-brittle transition temperature. This temperature is characteristic of metallic materials with body centered cubic structure and depends on several metallurgical factors. The recrystallization process increases their transition temperature. Since PFCs have a very high service temperature, this facilitates the metal recrystallization. In order to inhibit this process, insoluble particles are dispersed in the material allowing higher service temperatures. So far, oxides of thorium, lanthanum and yttrium have been used as dispersed particles. Tungsten binary alloys are studied in comparison with pure tungsten to understand how the contents of some elements and oxide particles affect tungsten properties. In turn, these binary alloys are used as reference materials to understand the behavior of ternary alloys. Given the close relationship between the material properties, structure and manufacturing process, this research is completed with a fractographical and micrographic analysis. The fractographical analysis is aimed to show the mechanisms that are involved in the process of the material fracture. Besides, the micrographic study will help to understand this behavior through the identification of present phases. The grain size measurement is a crucial part of the microstructural characterization. In this work, the measurement of grain size was carried out by chemical selective etching to reveal the boundary grain on prepared samples. Afterwards, micrographs were subjected to both treatment and image analysis. The dissertation ends with a discussion of results and the compilation of the most important conclusions reached through this work. The development of new materials for plasma facing components application is still under study. The analysis of these materials will help to complete a database of the features that will allow a more reliable materials selection.

High-temperature mechanical properties of aluminium alloys reinforced with titanium diboride (TiB2) particles

The physical and mechanical properties of metal matrix composites were improved by the addition of reinforcements. The mechanical properties of particulate-reinforced metal-matrix composites based on aluminium alloys (6061 and 7015) at high temperatures were studied. Titanium diboride (TiB2) particles were used as the reinforcement. All the composites were produced by hot extrusion. The tensile properties and fracture characteristics of these materials were investigated at room temperature and at high temperatures to determine their ultimate strength and strain to failure. The fracture surface was analysed by scanning electron microscopy. TiB2 particles provide high stability of the aluminium alloys (6061 and 7015) in the fabrication process. An improvement in the mechanical behaviour was achieved by adding TiB2 particles as reinforcement in both the aluminium alloys. Adding TiB2 particles reduces the ductility of the aluminium alloys but does not change the microscopic mode of failure, and the fracture surface exhibits a ductile appearance with dimples formed by coalescence.

Influence of the Lubrication Conditions on the Surface Finish of Turned Aeronautical Aluminium Alloys. A preliminary Study

Nowadays, one of the main objectives that affects the development of any new product is the respect for the environment. Until the late 80's, the development and manufacture of the most of the product were aimed to achieve maximum quality in time and costs with environmental issues relegated to secondary importance. On the other hand, in the 90's, the pressure from factors such as markets, financial and legislative factors, led to environmental considerations being taken into account. In this context, the current aeronautical industry strategies are based on the search for economic, environmental and energy efficiency considerations for all the processes involved in the aircraft manufacturing.

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.

Microstructure-based numerical modeling of the mechanical behavior of Mg alloys

Dentro de los materiales estructurales, el magnesio y sus aleaciones están siendo el foco de una de profunda investigación. Esta investigación está dirigida a comprender la relación existente entre la microestructura de las aleaciones de Mg y su comportamiento mecánico. El objetivo es optimizar las aleaciones actuales de magnesio a partir de su microestructura y diseñar nuevas aleaciones. Sin embargo, el efecto de los factores microestructurales (como la forma, el tamaño, la orientación de los precipitados y la morfología de los granos) en el comportamiento mecánico de estas aleaciones está todavía por descubrir. Para conocer mejor de la relación entre la microestructura y el comportamiento mecánico, es necesaria la combinación de técnicas avanzadas de caracterización experimental como de simulación numérica, a diferentes longitudes de escala. En lo que respecta a las técnicas de simulación numérica, la homogeneización policristalina es una herramienta muy útil para predecir la respuesta macroscópica a partir de la microestructura de un policristal (caracterizada por el tamaño, la forma y la distribución de orientaciones de los granos) y el comportamiento del monocristal. La descripción de la microestructura se lleva a cabo mediante modernas técnicas de caracterización (difracción de rayos X, difracción de electrones retrodispersados, así como con microscopia óptica y electrónica). Sin embargo, el comportamiento del cristal sigue siendo difícil de medir, especialmente en aleaciones de Mg, donde es muy complicado conocer el valor de los parámetros que controlan el comportamiento mecánico de los diferentes modos de deslizamiento y maclado. En la presente tesis se ha desarrollado una estrategia de homogeneización computacional para predecir el comportamiento de aleaciones de magnesio. El comportamiento de los policristales ha sido obtenido mediante la simulación por elementos finitos de un volumen representativo (RVE) de la microestructura, considerando la distribución real de formas y orientaciones de los granos. El comportamiento del cristal se ha simulado mediante un modelo de plasticidad cristalina que tiene en cuenta los diferentes mecanismos físicos de deformación, como el deslizamiento y el maclado. Finalmente, la obtención de los parámetros que controlan el comportamiento del cristal (tensiones críticas resueltas (CRSS) así como las tasas de endurecimiento para todos los modos de maclado y deslizamiento) se ha resuelto mediante la implementación de una metodología de optimización inversa, una de las principales aportaciones originales de este trabajo. La metodología inversa pretende, por medio del algoritmo de optimización de Levenberg-Marquardt, obtener el conjunto de parámetros que definen el comportamiento del monocristal y que mejor ajustan a un conjunto de ensayos macroscópicos independientes. Además de la implementación de la técnica, se han estudiado tanto la objetividad del metodología como la unicidad de la solución en función de la información experimental. La estrategia de optimización inversa se usó inicialmente para obtener el comportamiento cristalino de la aleación AZ31 de Mg, obtenida por laminado. Esta aleación tiene una marcada textura basal y una gran anisotropía plástica. El comportamiento de cada grano incluyó cuatro mecanismos de deformación diferentes: deslizamiento en los planos basal, prismático, piramidal hc+ai, junto con el maclado en tracción. La validez de los parámetros resultantes se validó mediante la capacidad del modelo policristalino para predecir ensayos macroscópicos independientes en diferentes direcciones. En segundo lugar se estudió mediante la misma estrategia, la influencia del contenido de Neodimio (Nd) en las propiedades de una aleación de Mg-Mn-Nd, obtenida por extrusión. Se encontró que la adición de Nd produce una progresiva isotropización del comportamiento macroscópico. El modelo mostró que este incremento de la isotropía macroscópica era debido tanto a la aleatoriedad de la textura inicial como al incremento de la isotropía del comportamiento del cristal, con valores similares de las CRSSs de los diferentes modos de deformación. Finalmente, el modelo se empleó para analizar el efecto de la temperatura en el comportamiento del cristal de la aleación de Mg-Mn-Nd. La introducción en el modelo de los efectos non-Schmid sobre el modo de deslizamiento piramidal hc+ai permitió capturar el comportamiento mecánico a temperaturas superiores a 150_C. Esta es la primera vez, de acuerdo con el conocimiento del autor, que los efectos non-Schmid han sido observados en una aleación de Magnesio. The study of Magnesium and its alloys is a hot research topic in structural materials. In particular, special attention is being paid in understanding the relationship between microstructure and mechanical behavior in order to optimize the current alloy microstructures and guide the design of new alloys. However, the particular effect of several microstructural factors (precipitate shape, size and orientation, grain morphology distribution, etc.) in the mechanical performance of a Mg alloy is still under study. The combination of advanced characterization techniques and modeling at several length scales is necessary to improve the understanding of the relation microstructure and mechanical behavior. Respect to the simulation techniques, polycrystalline homogenization is a very useful tool to predict the macroscopic response from polycrystalline microstructure (grain size, shape and orientation distributions) and crystal behavior. The microstructure description is fully covered with modern characterization techniques (X-ray diffraction, EBSD, optical and electronic microscopy). However, the mechanical behaviour of single crystals is not well-known, especially in Mg alloys where the correct parameterization of the mechanical behavior of the different slip/twin modes is a very difficult task. A computational homogenization framework for predicting the behavior of Magnesium alloys has been developed in this thesis. The polycrystalline behavior was obtained by means of the finite element simulation of a representative volume element (RVE) of the microstructure including the actual grain shape and orientation distributions. The crystal behavior for the grains was accounted for a crystal plasticity model which took into account the physical deformation mechanisms, e.g. slip and twinning. Finally, the problem of the parametrization of the crystal behavior (critical resolved shear stresses (CRSS) and strain hardening rates of all the slip and twinning modes) was obtained by the development of an inverse optimization methodology, one of the main original contributions of this thesis. The inverse methodology aims at finding, by means of the Levenberg-Marquardt optimization algorithm, the set of parameters defining crystal behavior that best fit a set of independent macroscopic tests. The objectivity of the method and the uniqueness of solution as function of the input information has been numerically studied. The inverse optimization strategy was first used to obtain the crystal behavior of a rolled polycrystalline AZ31 Mg alloy that showed a marked basal texture and a strong plastic anisotropy. Four different deformation mechanisms: basal, prismatic and pyramidal hc+ai slip, together with tensile twinning were included to characterize the single crystal behavior. The validity of the resulting parameters was proved by the ability of the polycrystalline model to predict independent macroscopic tests on different directions. Secondly, the influence of Neodymium (Nd) content on an extruded polycrystalline Mg-Mn-Nd alloy was studied using the same homogenization and optimization framework. The effect of Nd addition was a progressive isotropization of the macroscopic behavior. The model showed that this increase in the macroscopic isotropy was due to a randomization of the initial texture and also to an increase of the crystal behavior isotropy (similar values of the CRSSs of the different modes). Finally, the model was used to analyze the effect of temperature on the crystal behaviour of a Mg-Mn-Nd alloy. The introduction in the model of non-Schmid effects on the pyramidal hc+ai slip allowed to capture the inverse strength differential that appeared, between the tension and compression, above 150_C. This is the first time, to the author's knowledge, that non-Schmid effects have been reported for Mg alloys.

Magnetic properties of nanostructured systems based on TbFe2

The aim of this work is to study the magnetic properties of annealed [Fe3Ga/TbFe2]n heterostructures grown by sputtering at room temperature. The interest of investigating multilayers comprised of TbFe2 and Fe3Ga is their complementary properties in terms of coercivity and magnetostriction. We have studied the thickness combination which optimizes the magnetic and magnetostrictive properties of the annealed multilayers. The crystallization of the Laves phase upon the thermal treatment in heterostructures with thick TbFe2 layers promotes the increase of the coercivity. This crystallization seems to be prevented by the low mechanical stiffness of the Fe3Ga. [Fe3Ga/TbFe2]n heterostructures show promising characteristics, λ of 340 ppm and a HC of 220 Oe, for the development of new magnetostrictive devices.

Intensive use of aluminium in car body construction

The developments in materials over the last decade have been considerable within the automotive industry, being one of the leaders in innovative product applications. Sustainable product development of an automotive structure requires a balanced approach towards technological, economical and ecological aspects. The introduction of new materials and processes is dependent on satisfying different factors. Competitive and legislative pressures, creating the need for change, affect these factors considerably. The process, direction and speed of change are often reactive. Current paper shows the application of aluminium alloys, for the use in the bottom structure of a car to face the problem for the weight of the entire bottom structure under static load conditions, including stiffness, strength and buckling constraints. In addition to minimized mass and materials' price, the assessment of an environmental impact of materials-candidates during the entire life cycle of the structure is considered.

SMA-Based Muscle-Like Actuation in Biologically Inspired Robots: A State of the Art Review

New actuation technology in functional or "smart" materials has opened new horizons in robotics actuation systems. Materials such as piezo-electric fiber composites, electro-active polymers and shape memory alloys (SMA) are being investigated as promising alternatives to standard servomotor technology [52]. This paper focuses on the use of SMAs for building muscle-like actuators. SMAs are extremely cheap, easily available commercially and have the advantage of working at low voltages. The use of SMA provides a very interesting alternative to the mechanisms used by conventional actuators. SMAs allow to drastically reduce the size, weight and complexity of robotic systems. In fact, their large force-weight ratio, large life cycles, negligible volume, sensing capability and noise-free operation make possible the use of this technology for building a new class of actuation devices. Nonetheless, high power consumption and low bandwidth limit this technology for certain kind of applications. This presents a challenge that must be addressed from both materials and control perspectives in order to overcome these drawbacks. Here, the latter is tackled. It has been demonstrated that suitable control strategies and proper mechanical arrangements can dramatically improve on SMA performance, mostly in terms of actuation speed and limit cycles.

BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Mode II fracture energy in the adhesive bonding of dissimilar substrates: carbon fibre composite to aluminium joints

The end-notched flexure (ENF) test calculates the value of mode II fracture energy in adhesive bonding between the substrates of same nature. Traditional methods of calculating fracture energy in the ENF test are not suitable in cases where the thickness of the adhesive is non-negligible compared with adherent thicknesses. To address this issue, a specific methodology for calculating mode II fracture energy has been proposed in this paper. To illustrate the applicability of the proposed method, the fracture energy was calculated by the ENF test for adhesive bonds between aluminium and a composite material, which considered two different types of adhesive (epoxy and polyurethane) and various surface treatments. The proposed calculation model provides higher values of fracture energy than those obtained from the simplified models that consider the adhesive thickness to be zero, supporting the conclusion that the calculation of mode II fracture energy for adhesives with non-negligible thickness relative to their adherents should be based on mathematical models, such as the method proposed in this paper, that incorporate the influence of this thickness.

Continuum models of the mechanical behavior of rolled and die-cast magnesium alloys

En los últimos años ha habido una fuerte tendencia a disminuir las emisiones de CO2 y su negativo impacto medioambiental. En la industria del transporte, reducir el peso de los vehículos aparece como la mejor opción para alcanzar este objetivo. Las aleaciones de Mg constituyen un material con gran potencial para el ahorro de peso. Durante la última década se han realizado muchos esfuerzos encaminados a entender los mecanismos de deformación que gobiernan la plasticidad de estos materiales y así, las aleaciones de Mg de colada inyectadas a alta presión y forjadas son todavía objeto de intensas campañas de investigación. Es ahora necesario desarrollar modelos que contemplen la complejidad inherente de los procesos de deformación de éstos. Esta tesis doctoral constituye un intento de entender mejor la relación entre la microestructura y el comportamiento mecánico de aleaciones de Mg, y dará como resultado modelos de policristales capaces de predecir propiedades macro- y microscópicas. La deformación plástica de las aleaciones de Mg está gobernada por una combinación de mecanismos de deformación característicos de la estructura cristalina hexagonal, que incluye el deslizamiento cristalográfico en planos basales, prismáticos y piramidales, así como el maclado. Las aleaciones de Mg de forja presentan texturas fuertes y por tanto los mecanismos de deformación activos dependen de la orientación de la carga aplicada. En este trabajo se ha desarrollado un modelo de plasticidad cristalina por elementos finitos con el objetivo de entender el comportamiento macro- y micromecánico de la aleación de Mg laminada AZ31 (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). Este modelo, que incorpora el maclado y tiene en cuenta el endurecimiento por deformación debido a las interacciones dislocación-dislocación, dislocación-macla y macla-macla, predice exitosamente las actividades de los distintos mecanismos de deformación y la evolución de la textura con la deformación. Además, se ha llevado a cabo un estudio que combina difracción de electrones retrodispersados en tres dimensiones y modelización para investigar el efecto de los límites de grano en la propagación del maclado en el mismo material. Ambos, experimentos y simulaciones, confirman que el ángulo de desorientación tiene una influencia decisiva en la propagación del maclado. Se ha observado que los efectos no-Schmid, esto es, eventos de deformación plástica que no cumplen la ley de Schmid con respecto a la carga aplicada, no tienen lugar en la vecindad de los límites de baja desorientación y se hacen más frecuentes a medida que la desorientación aumenta. Esta investigación también prueba que la morfología de las maclas está altamente influenciada por su factor de Schmid. Es conocido que los procesos de colada suelen dar lugar a la formación de microestructuras con una microporosidad elevada, lo cuál afecta negativamente a sus propiedades mecánicas. La aplicación de presión hidrostática después de la colada puede reducir la porosidad y mejorar las propiedades aunque es poco conocido su efecto en el tamaño y morfología de los poros. En este trabajo se ha utilizado un enfoque mixto experimentalcomputacional, basado en tomografía de rayos X, análisis de imagen y análisis por elementos finitos, para la determinación de la distribución tridimensional (3D) de la porosidad y de la evolución de ésta con la presión hidrostática en la aleación de Mg AZ91 (Mg- 9wt.%Al-1wt.%Zn) colada por inyección a alta presión. La distribución real de los poros en 3D obtenida por tomografía se utilizó como input para las simulaciones por elementos finitos. Los resultados revelan que la aplicación de presión tiene una influencia significativa tanto en el cambio de volumen como en el cambio de forma de los poros que han sido cuantificados con precisión. Se ha observado que la reducción del tamaño de éstos está íntimamente ligada con su volumen inicial. En conclusión, el modelo de plasticidad cristalina propuesto en este trabajo describe con éxito los mecanismos intrínsecos de la deformación de las aleaciones de Mg a escalas meso- y microscópica. Más especificamente, es capaz de capturar las activadades del deslizamiento cristalográfico y maclado, sus interacciones, así como los efectos en la porosidad derivados de los procesos de colada. ---ABSTRACT--- The last few years have seen a growing effort to reduce CO2 emissions and their negative environmental impact. In the transport industry more specifically, vehicle weight reduction appears as the most straightforward option to achieve this objective. To this end, Mg alloys constitute a significant weight saving material alternative. Many efforts have been devoted over the last decade to understand the main mechanisms governing the plasticity of these materials and, despite being already widely used, high pressure die-casting and wrought Mg alloys are still the subject of intense research campaigns. Developing models that can contemplate the complexity inherent to the deformation of Mg alloys is now timely. This PhD thesis constitutes an attempt to better understand the relationship between the microstructure and the mechanical behavior of Mg alloys, as it will result in the design of polycrystalline models that successfully predict macro- and microscopic properties. Plastic deformation of Mg alloys is driven by a combination of deformation mechanisms specific to their hexagonal crystal structure, namely, basal, prismatic and pyramidal dislocation slip as well as twinning. Wrought Mg alloys present strong textures and thus specific deformation mechanisms are preferentially activated depending on the orientation of the applied load. In this work a crystal plasticity finite element model has been developed in order to understand the macro- and micromechanical behavior of a rolled Mg AZ31 alloy (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). The model includes twinning and accounts for slip-slip, slip-twin and twin-twin hardening interactions. Upon calibration and validation against experiments, the model successfully predicts the activity of the various deformation mechanisms and the evolution of the texture at different deformation stages. Furthermore, a combined three-dimensional electron backscatter diffraction and modeling approach has been adopted to investigate the effect of grain boundaries on twin propagation in the same material. Both experiments and simulations confirm that the misorientation angle has a critical influence on twin propagation. Non-Schmid effects, i.e. plastic deformation events that do not comply with the Schmid law with respect to the applied stress, are absent in the vicinity of low misorientation boundaries and become more abundant as misorientation angle increases. This research also proves that twin morphology is highly influenced by the Schmid factor. Finally, casting processes usually lead to the formation of significant amounts of gas and shrinkage microporosity, which adversely affect the mechanical properties. The application of hydrostatic pressure after casting can reduce the porosity and improve the properties but little is known about the effects on the casting’s pores size and morphology. In this work, an experimental-computational approach based on X-ray computed tomography, image analysis and finite element analysis is utilized for the determination of the 3D porosity distribution and its evolution with hydrostatic pressure in a high pressure diecast Mg AZ91 alloy (Mg-9wt.%Al-1wt.%Zn). The real 3D pore distribution obtained by tomography is used as input for the finite element simulations using an isotropic hardening law. The model is calibrated and validated against experimental stress-strain curves. The results reveal that the pressure treatment has a significant influence both on the volume and shape changes of individuals pores, which have been precisely quantified, and which are found to be related to the initial pore volume. In conclusion, the crystal plasticity model proposed in this work successfully describes the intrinsic deformation mechanisms of Mg alloys both at the mesoscale and the microscale. More specifically, it can capture slip and twin activities, their interactions, as well as the potential porosity effects arising from casting processes.

Effect of rare earth additions on the critical resolved shear stresses of magnesium alloys

An inverse optimization strategy based on crystal plasticity finite element simulations of polycrystals was used to obtain the critical resolved shear stresses of two Mg?1%Mn alloys containing neodymium from macroscopic experimental data. It was found that, with respect to pure Mg, the presence of Nd increases the CRSSbasal, CRSStwinning, and the CRSSbasal/CRSStwinning ratio and decreases the CRSSnon-basal/CRSStwinning ratio. Additions of neodymium as high as 1 wt% result in similar CRSSs values for all deformation modes and, thus, in an isotropic yielding behavior.