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.

Desenvolvimento e caracterização de compósitos poli(tereftalato de etileno) reciclado (PET reciclado) com flocos de vidro.

The growing concern with the solid residues management, observed in the last decade, due to its huge amount and impact, has motivated the search for recycling processes, where these residues can be reprocessed to generate new products, enlarging the cycle of materials and energy which are present. Among the polymeric residues, there is poly (ethylene terephthalate) (PET). PET is used in food packaging, preferably in the bottling of carbonated beverages. The reintegration of post-consumer PET in half can be considered a productive action mitigation of environmental impacts caused by these wastes and it is done through the preparation of several different products at the origin, i.e. food packaging, with recycling rates increasing to each year. This work focused on the development and characterization mechanical, thermal, thermo-mechanical, dynamic mechanical thermal and morphology of the pure recycled PET and recycled PET composites with glass flakes in the weight fraction of 5%, 10% and 20% processed in a single screw extruder, using the following analytical techniques: thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), tensile, Izod impact, Rockwell hardness, Vicat softening temperature, melt flow rate, burn rate, dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) and scanning electron microscopy (SEM). The results of thermal analysis and mechanical properties leading to a positive evaluation, because in the thermograms the addition of glass flakes showed increasing behavior in the initial temperatures of thermal decomposition and melting crystalline, Furthermore was observed growing behavior in the mechanical performance of polymer composites, whose morphological structure was observed by SEM, verifying a good distribution of glass flakes, showing difference orientation in the center and in the surface layer of test body of composites with 10 and 20% of glass flakes. The results of DMTA Tg values of the composites obtained from the peak of tan ä showed little reductions due to poor interfacial adhesion between PET and recycled glass flakes.

Utilização da mínima quantidade de lubrificante (MQL) com água no processo de retificação cilíndrica em cerâmica avançada com rebolo de ligante resino cerâmico/metálico

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEB

Resistência mecânica de hidrogéis termo-sensíveis constituídos de Alginato-Ca2+ / PNIPAAm, tipo Semi-IPN

Thermosensitive hydrogels were synthesized using alginate-Ca2+ in association with a thermosensitive polymer, such as PNIPAAm. The mechanical properties of the hydrogels were determined measuring the maximum tension of deformation. With the increase of the temperature by 25 to 40 ºC above the LCST the chains of PNIPAAm collapsed, dragging the alginate net and diminishing the size of the pores. The decrease in the size of the pores of the hydrogel was followed by an increase in the mechanicals resistance of the material.

Estudo da Resistência Mecânica do Betão com Agregado Cerâmico Vermelho

Os sectores da construção e demolição de edifícios são responsáveis por um elevado volume de produção de resíduos. Estes resíduos são normalmente direcionados para aterros, que se encontram, neste momento, sobrelotados. Esta falta de capacidade de receção de resíduos tem como consequência imediata o aumento dos valores monetários associados ao depósito destes materiais excedentários. Com a elevada produção destes resíduos torna-se importante a sua reciclagem e reutilização. No caso da Engenharia Civil, uma grande produtora de resíduos, seria ainda mais interessante o seu reaproveitamento imediato na área. Nesta investigação, pretendeu-se avaliar o desempenho mecânico de betões com diferentes percentagens de agregados cerâmicos vermelhos. Essa investigação passou numa fase inicial pelo estado fresco do betão, de forma a analisar a sua trabalhabilidade. Na fase seguinte, analisou-se no estado endurecido, a resistência à compressão e resistência à tração por compressão diametral. Para concretização deste objetivo produziram-se três tipos de betões: um de referência (areia fina e brita fina), um betão com incorporação de agregados finos e grossos de cerâmica vermelha, juntamente com a areia fina e a brita fina, e o terceiro, um betão com a substituição total da areia fina por cerâmica fina. A realização desta investigação, demostrou que os betões com a incorporação de agregado cerâmico vermelho apresentam resultados de boa qualidade, sendo plausível a sua utilização em estruturas.

Resistência mecânica de hidrogéis termo-sensíveis constituídos de Alginato-Ca2+ / PNIPAAm, tipo Semi-IPN

Thermosensitive hydrogels were synthesized using alginate-Ca2+ in association with a thermosensitive polymer, such as PNIPAAm. The mechanical properties of the hydrogels were determined measuring the maximum tension of deformation. With the increase of the temperature by 25 to 40 ºC above the LCST the chains of PNIPAAm collapsed, dragging the alginate net and diminishing the size of the pores. The decrease in the size of the pores of the hydrogel was followed by an increase in the mechanicals resistance of the material.

A importância do uso de cartuns como ferramentas auxiliares no ensino de conceitos de mecânica quântica no ensino médio

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2015.

Caracterização de argamassas de cal hidráulica natural com metacaulino e resíduo cerâmico

CONSTRUÇÃO 2012, Universidade de Coimbra, Dez. 2012

IMPEDÂNCIA MECÂNICA EM SUBSTRATOS HORTÍCOLAS

O poder de penetração das raízes no solo tem sido estudado com vistas a cultivos agrícolas, porém não há dados no que se refere a substratos em recipientes. Neste trabalho avalia-se a impedância mecânica de: areia, perlita, turfa, fibra-de-coco e misturas do mercado internacional: Fafard nº 2, Fafard 2P, Jiffy 7 e Oasis. Amostras secas e saturadas foram analisadas sob quatro níveis de compactação. Jiffy 7 e Oasis foram analisados na densidade original, conforme fabricação. Avaliou-se a impedância através de um pino metálico acoplado em micropenetrômetro digital. A pressão de penetração correlaciona-se com a compactação do substrato, apresentando interação significante entre grau de compactação e nível de umidade.

Ruptura prematura das membranas amnióticas no pré-termo: fatores associados à displasia broncopulmonar

OBJETIVO: identificar os fatores obstétricos e neonatais associados ao desfecho de displasia broncopulmonar em pacientes com amniorrexe prematura no pré-termo. MÉTODOS: foram analisados 213 prontuários do Instituto Fernandes Figueira, entre 1998 e 2002, cujas pacientes evoluíram com quadro de amniorrexe prematura <34 semanas de gestação. Foram excluídas gestações múltiplas. As variáveis de natureza clínico-obstétricas e neonatais foram cotejadas com o desfecho de displasia broncopulmonar. Os dados foram submetidos à análise bivariada, sendo os valores que exibiam significância estatística (p<0,05) submetidos à regressão logística. RESULTADOS: a prevalência de displasia broncopulmonar foi de 6.10%. A análise univariada dos fatores associados ao desfecho de displasia broncopulmonar exibiu os seguintes resultados: tempo de ventilação mecânica neonatal >10 dias (OR: 54,00 [11,55-278,25] p=0,000); idade gestacional <30 semanas (OR: 6,33 [1,26-43,06] p=0,017) peso <1.000 g (OR: 4,82 [1,34-17,53] p=0,010); peso <1.500 g (OR: 14,09 [1,82-300,50] p=0,003; persistência do canal arterial (OR: 12,33 [3,07-50,10], p=0,000); doença da membrana hialina (OR: 8,46 [2,21-35,00] p=0,000); pneumonia congênita (OR: 7,48 [2,03-27,93] p=0,000); uso de surfactante neonatal (OR: 19,66 [4,54-97,76] p=0,000) e infecção neonatal (OR: 7,67 [0,99-163,79] p=0,049). No modelo multivariado final, somente as variáveis "ventilação mecânica">10 dias (p=0,001) e "uso de surfactante" (p=0,040) permaneceram independentemente associadas ao desfecho. CONCLUSÕES: observou-se que os fatores associados à displasia broncopulmonar são de natureza neonatal, sendo que a ventilação mecânica duradoura e o uso de surfactante neonatal influenciaram no desenvolvimento dessa doença.

Análisis microestructural de una superaleación haynes 242 bajo diferentes procesos termo-mecánicos.

Tesis (Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales) UANL, 2013.

Estudio del proceso de verificación de un cuerpo cerámico tradicional.

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales) UANL, 2011.

La técnica del procedimiento de soldar por medio del sistema de arco metálico continuo con protección de CO2

UANL

O bebê pré-termo : intervenção precoce visando à melhoria da interação mãe-bebê

Entre os fatores que afetam a interação precoce destaca-se a prematuridade do bebê, que traz dificuldades específicas para a interação mãe-bebê pelas particularidades inerentes a condição do recém-nascido pré-termo. A mãe tende a se sentir desemparada frente a um bebê frágil que precisa permanecer dentro de uma incubadora, necessitando de cuidados especiais. O presente estudo teve por objetivo investigar os efeitos de dois tipos de intervenção, tanto na qualidade de interação mãe-bebê, como para evolução fisiológica do bebê. Participaram do estudo 12 díades mãe-bebê pré-termo de baixo peso, todos clinicamente estáveis. As díades foram disignadas a um de dois grupos: Grupo 1, submetido a intervenção envolvendo estimulação tátil realizada pela mãe; ou Grupo 2, que foi submetido a intervenção que enfatizou a fala afetiva da mãe com o bebê. Um grupo controle de 12 díades emparelhadas por sexo e peso do pré-termo foram também recrutados, mas não foram submetidos a intervenções. As intervenções foram realizadas durante 15 minutos por dia, estendendo-se por 2 semanas, num total de quinze sessões. A segunda, oitava e última sessões foram filmadas. As mães foram entrevistadas antes, durante e após o período de intervenção, com o objetivo de examinar suas impressões e sentimentos frente a seu bebê pré-termo. Dados diários sobre a evolução fisiológica dos bebês foram também obtidos. Análise de conteúdo das entrevistas mostrou um grande desamparo e culpa destas mães que não puderam levar suas gestações a termo. Além disso, elas expressaram dificuldades em enfrentar o ambiente neonatal, medo de tocar/machucar e de perder seu bebê.Uma avaliação qualitativa das intervenções realizadas mostrou que um dos efeitos imediatos da estimulação tátil foi um aumento na atividade do bebê pré-termo. Contudo, para alguns bebês a estimulação tátil parecia estar fortemente associada a sua desorganização, pois eles mostravam-se agitados. Além disto, a estimulação tátil era por vezes realizada de forma mecânica, sem que a mãe ficasse face a face com o bebê, levando a intereções assincrônicas. Apesar disto, a estimulação tátil pode ter um efeito positivo para o bebê se a mãe for sensível e estiver atenta ao seu bebê, observando qual o toque que mais o satisfaz e o que lhe irrita. Já a avaliação qualitativa da intervenção fala afetiva mostrou que ela pareceu facilitar a troca visual, pois as mães tendiam a se posicionar face a face com o bebê. Assim, durante a interação face a face, as mães ao perceberem as respostas dos seus bebês, mostraram-se mais motivadas a continuarem falando com ele. Os dados mostram, ainda, que os bebês responderam tranqüilamente a esta intervenção, não sendo necessário um período de adaptação.Contudo, a intervenção fala afetiva pode apresentar problemas e levar um tempo para ser efetiva, caso a mãe não seja criativa ou mesmo não goste muito de falar. O efeito positivo das intervenções apontado na análise qualitativa dos dados do presente estudo não foi endossado pelas análises quantitativas sobre a evolução fisiológica do bebê. Independente do tipo de intervenção realizada com os bebês, não houve diferenças significativas na sua evolução fisiológica quando comparados com os do grupo controle. Embora os resultados tenham mostrado algumas tendências mostrando o efeito positivo das intervenções, o reduzido número de casos do presente estudo pode explicar pelo menos em parte os efeitos estatísticos reduzidos que foram encontrados. Neste sentido, é muito importante que novos estudos sejam realizados aumentando o número de díades mãe-bebê pré-termo, além de considerar o próprio desejo da mãe em realizar uma ou outra intervenção.