Modeling of titanium alloys by using artificial neural networks

Titanium alloy exhibits an excellent combination of bio-compatibility, corrosion resistance, strength and toughness. The microstructure of an alloy influences the properties. The microstructures depend mainly on alloying elements, method of production, mechanical, and thermal treatments. The relationships between these variables and final properties of the alloy are complex, non-linear in nature, which is the biggest hurdle in developing proper correlations between them by conventional methods. So, we developed artificial neural networks (ANN) models for solving these complex phenomena in titanium alloys.

In the present work, ANN models were used for the analysis and prediction of the correlation between the process parameters, the alloying elements, microstructural features, beta transus temperature and mechanical properties in titanium alloys. Sensitivity analysis of trained neural network models were studied which resulted a better understanding of relationships between inputs and outputs. The model predictions and the analysis are well in agreement with the experimental results. The simulation results show that the average output-prediction error by models are less than 5% of the prediction range in more than 95% of the cases, which is quite acceptable for all metallurgical purposes.

Heat Activated Prestressing of Shape Memory Alloys for Active Confinement of Concrete Sections

This paper presents the results from the experimental investigation on heat activated prestressing of Shape Memory Alloy (SMA) wires for active confinement of concrete sections. Active confinement of concrete is found to be much more effective than passive confinement which becomes effective only when the concrete starts to dilate. Active confinement achieved using conventional prestressing techniques often faces many obstacles due to practical limitations. A class of smart materials that has recently drawn attention in civil engineering is the super elastic SMA which has the ability to undergo reversible hysteretic shape change known as the shape memory effect. The shape memory effect of SMAs can be utilized to develop a convenient prestressing technique for active confinement of concrete sections.
In this study a series of experimental tests are conducted to study Heat Activated Prestress (HAP) in SMAs. Three different types of tests are conducted with different loading protocol to determine parameters such as HAP, residual strain after heating and range of strain that can be used for effective active confinement after HAP. Test results show a maximum HAP of about 500 MPa can be achieved after heating and approximately 450MPa is retained at 25oC in specimens pre-strained by 6%. A substantial amount of strain recovery upon unloading and after heating the SMA wires is recorded. About 2.5% elastic strain recovery upon unloading from 6% strain level is observed. In the specimen pre-strained by 6%, a total of 4% strain is recovered when unloaded after heating. A strain range of 3% is found available for effective confinement after HAP. Test results demonstrate that SMAs have unique features that can be intelligently employed in many civil engineering applications including active confinement of concrete sections.

Active corrosion protection of AA2024 by sol-gel coatings with corrosion inhibitors

A indústria aeronáutica utiliza ligas de alumínio de alta resistência para o fabrico dos elementos estruturais dos aviões. As ligas usadas possuem excelentes propriedades mecânicas mas apresentam simultaneamente uma grande tendência para a corrosão. Por esta razão essas ligas necessitam de protecção anticorrosiva eficaz para poderem ser utilizadas com segurança. Até à data, os sistemas anticorrosivos mais eficazes para ligas de alumínio contêm crómio hexavalente na sua composição, sejam pré-tratamentos, camadas de conversão ou pigmentos anticorrosivos. O reconhecimento dos efeitos carcinogénicos do crómio hexavalente levou ao aparecimento de legislação banindo o uso desta forma de crómio pela indústria. Esta decisão trouxe a necessidade de encontrar alternativas ambientalmente inócuas mas igualmente eficazes. O principal objectivo do presente trabalho é o desenvolvimento de prétratamentos anticorrosivos activos para a liga de alumínio 2024, baseados em revestimentos híbridos produzidos pelo método sol-gel. Estes revestimentos deverão possuir boa aderência ao substrato metálico, boas propriedades barreira e capacidade anticorrosiva activa. A protecção activa pode ser alcançada através da incorporação de inibidores anticorrosivos no prétratamento. O objectivo foi atingido através de uma sucessão de etapas. Primeiro investigou-se em detalhe a corrosão localizada (por picada) da liga de alumínio 2024. Os resultados obtidos permitiram uma melhor compreensão da susceptibilidade desta liga a processos de corrosão localizada. Estudaram-se também vários possíveis inibidores de corrosão usando técnicas electroquímicas e microestruturais. Numa segunda etapa desenvolveram-se revestimentos anticorrosivos híbridos orgânico-inorgânico baseados no método sol-gel. Compostos derivados de titania e zirconia foram combinados com siloxanos organofuncionais a fim de obter-se boa aderência entre o revestimento e o substrato metálico assim como boas propriedades barreira. Testes industriais mostraram que estes novos revestimentos são compatíveis com os esquemas de pintura convencionais actualmente em uso. A estabilidade e o prazo de validade das formulações foram optimizados modificando a temperatura de armazenamento e a quantidade de água usada durante a síntese. As formulações sol-gel foram dopadas com os inibidores seleccionados durante a primeira etapa e as propriedades anticorrosivas passivas e activas dos revestimentos obtidos foram estudadas numa terceira etapa do trabalho. Os resultados comprovam a influência dos inibidores nas propriedades anticorrosivas dos revestimentos sol-gel. Em alguns casos a acção activa dos inibidores combinou-se com a protecção passiva dada pelo revestimento mas noutros casos terá ocorrido interacção química entre o inibidor e a matriz de sol-gel, de onde resultou a perda de propriedades protectoras do sistema combinado. Atendendo aos problemas provocados pela adição directa dos inibidores na formulação sol-gel procurou-se, numa quarta etapa, formas alternativas de incorporação. Na primeira, produziu-se uma camada de titania nanoporosa na superfície da liga metálica que serviu de reservatório para os inibidores. O revestimento sol-gel foi aplicado por cima da camada nanoporosa. Os inibidores armazenados nos poros actuam quando o substrato fica exposto ao ambiente agressivo. Numa segunda, os inibidores foram armazenados em nano-reservatórios de sílica ou em nanoargilas (halloysite), os quais foram revestidos por polielectrólitos montados camada a camada. A terceira alternativa consistiu no uso de nano-fios de molibdato de cério amorfo como inibidores anticorrosivos nanoparticulados. Os nano-reservatórios foram incorporados durante a síntese do sol-gel. Qualquer das abordagens permitiu eliminar o efeito negativo do inibidor sobre a estabilidade da matriz do sol-gel. Os revestimentos sol-gel desenvolvidos neste trabalho apresentaram protecção anticorrosiva activa e capacidade de auto-reparação. Os resultados obtidos mostraram o elevado potencial destes revestimentos para a protecção anticorrosiva da liga de alumínio 2024.

Genotoxicity in humans and indicator species exposed to uranium wastes

Os riscos dos resíduos provenientes da extração do urânio estão associados ao seu conteúdo em metais e radionuclídeos, o que levanta preocupações às autoridades governamentais e à população em geral. As populações humanas e outras espécies animais que vivem em zonas de exploração de urânio poderão estar expostas à radiação através de resíduos e poeiras radioactivase também através de água e alimentos contaminados. A determinação dos riscos deste tipo de contaminantes é feita, principalmente, através da análise química de amostras ambientais, dando-se menos importância à determinação de efeitos biológicos. A determinação de efeitos biológicos causados pela exposição a poluentes, tem-se revelado muito importante para uma avaliação da qualidade ambiental, de modo a providenciar indicações acerca dos efeitos negativos nos seres vivos e também para complementar a informação dada pelas análises químicas de amostras ambientais. Este facto levou ao estabelecimento de biomarcadores, que consistem em respostas biológicas adversas que são específicas de uma exposição a toxinas ambientais, para serem usadas como ferramentas de avaliação da qualidade ambiental. Neste trabalho foram analisadas respostas a nível molecular e celular, em minhocas, ratinhos do campo e humanos, a fim de determinar o risco químico e radiológico dos resíduos provenientes da mina de urânio da Cunha Baixa. Este trabalho teve também como objectivo a clarificação das respostas subjacentes à exposição a metais e radionuclídeos, a fim de permitir o desenvolvimento de potenciais novos biomarcadores moleculares. Durante este trabalho foram efectuados ensaios com minhocas, em que estas foram expostas durante 56 dias a solo contaminado proveniente da mina de urânio da Cunha Baixa, em laboratório e in situ. Durante a exposição foram analisados vários parâmetros, como o crescimento, reprodução, bioacumulação de metais e radionuclídeos, histopatologia, danos no DNA, citotoxicidade e perfil de expressão genética. Para além disso, foram amostrados ratinhos do campo na mina de urânio da Cunha Baixa e numa área de referência para determinação de danos no DNA, níveis de expressão e mutações em genes supressores de tumores e também bioacumulação de metais. Por fim, foram recolhidas amostras de sangue em voluntários saudáveis pertencentes à população da aldeia da Cunha Baixa, para determinação de danos no DNA, imunofenotipagem e quantificação de metais no sangue. Os resultados revelaram que as minhocas assim como os ratinhos do campo foram negativamente afetados pela exposição aos resíduos mineiros em todos os níveis de organização biológica aqui analisados, o que faz destes organismos bons indicadores para a determinação do risco destas áreas contaminadas, evidenciando o potencial risco da exposição a estes contaminantes. Para além disso, o estudo feito à população da Cunha Baixa revelou danos no ADN e diminuição de populações importantes de células imunitárias (nomeadamente linfócitos T e NK), o que poderá resultar da exposição aos resíduos da mina, tornando as pessoas mais susceptíveis ao desenvolvimento de processos de carcinogénese. O presente estudo contribuiu significativamente para a caracterização dos riscos da exposição a resíduos provenientes de minas de urânio abandonadas, evidenciando os seus efeitos negativos a nível molecular e celular, que potencialmente poderão causar instabilidade genómica e aumentar o risco de desenvolvimento de doenças genéticas.

Severe plastic deformation of Al–Zn alloys

In this work, the R&D work mainly focused on the mechanical and microstructural analysis of severe plastic deformation (SPD) of Al–Zn alloys and the development of microstructure–based models to explain the observed behaviors is presented. Evolution of the microstructure and mechanical properties of Al–30wt% Zn alloy after the SPD by the high–pressure torsion (HPT) has been investigated in detail regarding the increasing amount of deformation. SPD leads to the gradual grain refinement and decomposition of the Al–based supersaturated solid solution. The initial microstructure of the Al–30wt% Zn alloy contains Al and Zn phases with grains sizes respectively of 15 and 1 micron. The SPD in compression leads to a gradual decrease of the Al and Zn phase grain sizes down to 4 microns and 252 nm, respectively, until a plastic strain of 0.25 is reached. At the same time, the average size of the Zn particles in the bulk of the Al grains increases from 20 to 60 nm and that of the Zn precipitates near or at the grain boundaries increases as well. This microstructure transformation is accompanied at the macroscopic scale by a marked softening of the alloy. The SPD produced by HPT is conducted up to a shear strain of 314. The final Al and Zn grains refine down to the nanoscale with sizes of 370 nm and 170 nm, respectively. As a result of HPT, the Zn–rich (Al) supersaturated solid solution decomposes completely and reaches the equilibrium state corresponding to room temperature and its leads to the material softening. A new microstructure–based model is proposed to describe the softening process occurring during the compression of the supersaturated Al–30wt% Zn alloy. The model successfully describes the above–mentioned phenomena based on a new evolution law expressing the dislocation mean free path as a function of the plastic strain. The softening of the material behavior during HPT process is captured very well by the proposed model that takes into consideration the effects of solid solution hardening and its decomposition, Orowan looping and dislocation density evolution. In particular, it is demonstrated that the softening process that occurs during HPT can be attributed mainly to the decomposition of the supersaturated solid solution and, in a lesser extent, to the evolution of the dislocation mean free path with plastic strain.

Organic addittives in zinc electrowinning and electrodeposition of Fe-Mo-P alloys as cathodes for chlorate production

Ce projet de travail est divisé en deux études principales: (a) l’influence des certains additifs organiques sur la consommation d’énergie et la pureté du métal de zinc déposé dans le processus d’extraction électrolytique, et (b) l’électrodéposition des alliages binaires et ternaires de Fe-Mo et Fe-Mo-P sur des substrats d’acier doux afin d’agir comme cathodes pour la production de chlorate. (a) Parmi les sept différents additifs organiques examinés, les sels des liquides ioniques ont réussi à augmenter le rendement du courant jusqu’à 95,1% comparé à 88,7% qui a obtenu à partir de l’électrolyte standard en présence des ions de Sb3+. La réduction maximale de la consommation d’énergie de ~173 kWh tonne-1 a été obtenue en ajoutant de 3 mg dm-3 du chlorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium dans le même électrolyte. La teneur en plomb dans le dépôt de zinc est réduite de 26,5 ppm à 5,1-5,6 ppm en utilisant les sels des liquides ioniques. (b) Des différents binaires Fe-Mo et ternaires Fe-Mo-P alliages ont été électrodéposés sur des substrats d’acier doux. Les alliages préparés ont une tenure en Mo entre 21-47 at.% et une tenure en P de 0 à 16 at.%. L’activité électrocatalytique de ces alliages vers la réaction de dégagement d’hydrogène (RDH) a été étudiée dans des solutions de chlorure de sodium. La réduction maximale de la surtension de RDH de ~313 mV a été obtenue par l’alliage ternaire préparé Fe54Mo30P16 par rapport à celle obtenue pour l’acier doux. La rugosité de surface et l’activité intrinsèque des revêtements de Fe-Mo-P peuvent être l’origine du comportement prometteur de ces électrocatalyseurs vers la RDH.

The measured variation of the Debye-Waller factor of aluminum from 295K to 815K by using the energy dispersive x-ray diffraction technique

The Energy Dispersive X-ray Diffraction System at Brock University has been used to measure the intensities of the diffraction lines of aluminum powder sample as a function of temperature. At first, intensity measurements at high temperature were not reproducible. After some modifications have been made, we were able to measure the intensities of the diffraction lines to 815K, with good accuracy and reproducibility. Therefore the changes of the Debye-Waller factor from room temperature up to 815K for aluminum were determined with precision. Our results are in good agreement with those previously published.

Pressure dependence of superconductivity in amorphous Ni x Zr 100-x alloys

Pressure variations of the superconducting transition temperature Ic of a series of amorphous NixZr 1 OO-x alloys have been studied under quasmydrostatic pressures upto 8 G Pa. For amorphous samples having Ni-concentration less than 40%, i)Tc/dP is positive in sign and it decreases non linearly with increase in I. whereasdTcldP is negative in sign for Ni concentration of 45%. Comparison with the Hall coefficient (I) and the thermoelectric power (2) results for the same amorphous alloys leads to the conclusion that s-d hybridization nature of the d-band (Nil plays a central role in the sign reversal behaviour. Application of pressures greater than 2 G Pa to Ni20ZrgO led to the formation of a new phase, w-Zr. which retains its form after the pressure is released.

Iron, steel and other alloys

UANL

The Technology of Copper Alloys, Particularly Leaded Bronze, in Greece, its Colonies, and in Etruria during the Iron Age

L’objet de la présente étude est le développement, l’application et la diffusion de la technologie associée à divers types d’alliages de cuivre, en particulier l’alliage du plomb-bronze, en Grèce ancienne, dans ses colonies, ainsi qu’en Étrurie. Le plomb-bronze est un mélange de diverses proportions d’étain, de cuivre et de plomb. Le consensus général chez les archéométallurgistes est que le plomb-bronze n’était pas communément utilisé en Grèce avant la période hellénistique; par conséquent, cet alliage a reçu très peu d’attention dans les documents d’archéologie. Cependant, les analyses métallographiques ont prouvé que les objets composés de plomb ajouté au bronze ont connu une distribution étendue. Ces analyses ont aussi permis de différencier la composition des alliages utilisés dans la fabrication de divers types de bronzes, une preuve tangible que les métallurgistes faisaient la distinction entre les propriétés du bronze d’étain et celles du plomb-bronze. La connaissance de leurs différentes caractéristiques de travail permettait aux travailleurs du bronze de choisir, dans bien des cas, l’alliage approprié pour une utilisation particulière. L’influence des pratiques métallurgiques du Proche-Orient a produit des variations tant dans les formes artistiques que dans les compositions des alliages de bronze grecs durant les périodes géométrique tardive et orientalisante. L’utilisation du plomb-bronze dans des types particuliers d’objets coulés montre une tendance à la hausse à partir de la période orientalisante, culminant dans la période hellénistique tardive, lorsque le bronze à teneur élevée en plomb est devenu un alliage commun. La présente étude analyse les données métallographiques de la catégorie des objets coulés en bronze et en plomb-bronze. Elle démontre que, bien que l’utilisation du plomb-bronze n’était pas aussi commune que celle du bronze d’étain, il s’agissait néanmoins d’un mélange important d’anciennes pratiques métallurgiques. Les ères couvertes sont comprises entre les périodes géométrique et hellénistique.

Uranium à Sept-Îles : ethnographie d'un refus. Essai de résistance populaire.

Ce mémoire de maîtrise traite d’un phénomène social critique qui a gagné en importance au Québec : la montée des groupes de résistance populaire contre des projets d’exploitation des ressources naturelles. À partir d’une étude de cas, l’auteur tâche ici d’approfondir les questions relatives à ces luttes collectives tout en mettant en lumière les diverses modalités d’engagement qui, par leurs registres et leurs compositions en « systèmes-experts », se répercutent dans l’espace public tout en transformant, d’une certaine manière, l’arène politique. Ces dynamiques des mouvements de résistance tendent également à s’infléchir en amont des projets de développement, pour se matérialiser en aval, soit dès les premières phases d’appropriation territoriale, c’est-à-dire les premiers travaux exploratoires comme tels. Cette enquête de terrain se focalise sur ces enjeux. En prenant comme observatoire le projet de Terra Ventures à Sept-Îles, en région nord-côtière, concernant un projet d’exploration uranifère, l’auteur insiste sur les multiples références collectives qui sont autant de perspectives pour comprendre ce phénomène. À travers l’étude de cette résistance populaire qui s’est profilée contre ce projet d’exploration, c’est l’industrie minière au Québec, son histoire, ses mythes, et sa mémoire qui est, enfin, en trame de fond.

Synergistic solvent extraction of Thorium(IV) and Uranium(VI) with β-diketones in presence of oxo-donors

The thesis entitled “Synergistic solvent extraction of Thorium(IV) and Uranium(VI) with β-diketones in presence of oxo-donors” embodies the results of the investigations carried out on the extraction of thorium(IV) an uranium(VI) with heterocyclic β-diketones in the presence and absence of various macrocyclic ligands and neutral organophosphorus extractants. The objective of this work is to generate the knowledge base to achieve better selectivity between thorium(IV) and uranium(VI) by understanding the interactions of crown ethers or neutral organophosphorus extractants with metal-heterocyclic β-diketonate complexes. Para-substituted 1-phenyl-3-methyl-4-aroyl-5-pyrazolones, namely,1-phenyl-3-methyl-4-(4-fluorobenzoyl)-5-pyrazolone (HPMFBP) and 1-phenyl-3-methyl-4-(4-toluoyl)-5-pyrazolone (HPMTP) were synthesized and characterized by elemental analysis, IR and H NMR spectral data. The synthesized ligands have been utilized for the extraction of thorium(IV) and uranium(VI) from nitric acid solutions in the presence and absence of various crown ethers. Thorium(IV) and uranium(VI) complexes with HPMPP(1-Phenyl-3-methyl-4-pivaloyl-5-pyrazolone) and neutral organophosphorus extractants were synthesized and characterized by IR and P NMR spectral data to further understand the interactions of neutral organophosphorus extractants with metal-chelates. Solid complexes of thorium(IV) and uranium(VI) with para-substituted 4-aroyl-5-isoxazolones and crown ethers were isolated and characterized by various spectroscopic techniques to further clarify the nature of the extracted complexes.

Fabrication of thin films and nano columnar structures of Fe-Ni amorphous alloys and modification of its surface properties by thermal annealing and swift heavy ion irradiation for tailoring the magnetic properties

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology