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.

Propiedades ópticas y estructurales de nanoestructuras de Zn(Cd)(Mg)O

En la presente tesis doctoral se ha realizado un estudio utilizando diferentes técnicas de crecimiento (RPE-MOCVD y spray pyrolysis) y estructuras (nanohilos, pozos y puntos cuánticos y capas) con el objetivo de desarrollar dispositivos que cubran desde el rango visible hasta el ultravioleta. Es por esta razón por la que se han elegido materiales basados en ZnO, debido a la posibilidades que estos ofrecen para variar su bandgap en un amplio rango de energías. Prueba de ello es que en este estudio se ha conseguido cubrir un rango espectral desde 1.86 hasta 4.11 eV, estudiandose además fenómenos físicos como son la difusión e incorporaci ón de la aleación o la adsorción de gases en la super_cie, lo que ha permitido la fabricación de diferentes fotodetectores de gran sensibilidad. Por todo ello, los resultados obtenidos en esta tesis suponen una gran contribución al conocimiento de las propiedades físicas de las aleaciones de Zn(Cd)O y Zn(Mg)O para potenciales aplicaciónes en dispositivos que operen en el rango visible y ultravioleta del espectro, respectivamente. En esta memoria se da en primer lugar una visión de las propiedades de materiales basados en ZnO, entrando en detalle en una de las ventajas que este presenta, la facilidad que tiene este material para formar nanoestructuras. En el capítulo 3 se dan los conceptos teóricos necesarios para comprender las propiedades ópticas de este tipo de materiales, mostrando también los resultados más reseñables obtenidos en ZnO. En los capítulos referentes a los resultados se pueden diferenciar dos grandes bloques. En el primer bloque de resultados se han analizado nanohilos y pozos cuánticos de Zn(Cd)O crecidos por la técnica de RPE-MOCVD (Capítulos 4 y 5). En el segundo se expondrá el estudio realizado sobre capas y puntos cuánticos de Zn(Mg)O crecidos por la técnica spray pyrolysis como se describe en mayor detalle a continuación. Nanohilos y pozos cuánticos de Zn(Cd)O crecidos por RPE-MOCVD Teóricamente aleando el ZnO con CdO es posible disminuir el valor del band- gap desde 3.37 eV hasta 0.95 eV, cubriendo por completo el espectro visible. El desarrollo del ternario Zn(Cd)O permitiría la fabricación de heteroestructuras y pozos cuánticos, muy importantes en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos que cubran la parte visible del espectro. Sin embargo, la diferencia de estructura cristalina entre estos dos materiales junto a la baja solubilidad del Cd y su alta presión de vapor, di_culta la obtención de material de alta calidad cristalina con alto contenido en Cd. En esta tesis doctoral se ha realizado una completa caracterización óptica y estructural de nanohilos de Zn(Cd)O credidos por la técnica de RPE-MOCVD. Estos nanohilos tinene unas longitudes comprendidas entre 1 y 3 _m y diámetros entre 100 y 200 nm. La concentración máxima introducida de Cd en estas estructuras ha sido de hasta un 54% manteniendo la estructura wurtzita del ZnO, siendo este el mayor contenido de Cd introducido hasta la fecha en nanostructuras basada en ZnO. Este hecho se traduce en una variación de la energía de emisión entre 3.31 y 1.86 eV con el aumento en Cd. El uso de diferentes técnicas de alta resoluci ón de caracterización estructural ha permitido demostrar la presencia de una sola fase estructural wurtzita sin observarse ningún indicio de separación de fases ni acumulación de Cd a lo largo del nanohilo para todos los contenidos de Cd. Con el propósito de fabricar dispositivos en nanohilos individuales, parte de esta tesis doctoral ha estado dedicada a estudiar el impacto que el recocido térmico tiene en las propiedades ópticas y eléctricas de nanohilos de Zn(Cd)O. El recocido térmico es un proceso clave en la optimización de dispositivos, ya sea para la obtenci ón de contactos óhmicos, reducción de defectos o difusión de dopantes por ejemplo. En este estudio se ha observado una mejora muy signi_cativa de las propiedades de emisión de los nanohilos cuando estos eran recocidos a temperaturas mayores que la de crecimiento (300 oC). En las muestras con Cd se ha observado además que el recocido también produce un desplazamiento de la emisión hacia mayores energías debido a una reducción homogénea del contenido de Cd. Medidas de fotoluminiscencia con resolución temporal muestran el impacto que tiene la localización del excitón en las _uctuaciones de potencial, debidas a una distribución estadística del Cd, en la dinámica de los portadores. Comparando el tiempo de vida de los portadores entre los nanohilos recocidos y sin recocer se ha observado un aumento de este parámetro en las estructuras recocidas. Este aumento es fundamentalmente debido a una reducción de centros de recombinación no radiativa asociados a defectos presentes a lo largo del nanohilo. Además, se ha estudiado la evolución de los tiempos de vida de los portadores en función de la temperatura, registrándose una menor estabilidad con la temperatura de los tiempos de vida en las muestras recocidas. Este resultado sugiere que el recocido térmico consigue reducir parte del desorden de la aleación en la estructura. Tras haber caracterizados los nanohilos se desarrollaron una serie de procesa dos para la fabricación de dispositivos basados en nanohilos individuales. Se fabricaron en concreto fotodetectores sensibles al UV, en los que se observó también la alta sensibilidad que muestran a la adsorción de gases en la super_cie, incrementada por la gran relación super_cie/volúmen característica de las nanoestructuras. Estos procesos de adsorción observados tienen un impacto directo sobre las propiedades ópticas y electricas de los dispositivos como se ha demostrado. Por ello que en esta tesis se hayan estudiado en detalle este tipo de procesos, ideando maneras para tener un mayor control sobre ellos. Finalmente se crecieron estructuras de pozos cuántico de ZnCdO/ZnO en nanohilos con contenidos de Cd nominales de 54 %. Las medidas ópticas realizadas mostraron como al aumentar la anchura del pozo de 0.7 a 10 nm, la emisión relacionada con el pozo se desplazaba entre 3.30 y 1.97 eV. Este gran desplazamiento representa el mayor obtenido hasta la fecha en pozos cuánticos de ZnCdO/ZnO. Sin embargo, al caracterizar estructuralmente estas muestras se observó la presencia de procesos de difusión de Cd entre el pozo y la barrera. Como se ha podido medir, este tipo de procesos reducen sustancialmente la concentración de Cd en el pozo al difundirse parte a la barrera. cambiando completamente la estructura de bandas nominal de estas estructuras. Este estudio demuestra la importancia del impacto de los procesos de difusión en la interpretación de los efectos de con_namiento cuántico para este tipo de estructuras. Capas y puntos cuánticos de Zn(Mg)O crecidos por spray pyrolysis La técnica de spray pyrolysis, debido a su simplicidad, bajo coste y capacidad de crecer sobre grandes áreas conservando una alta calidad cristalina presenta un gran interés en la comunidad cientí_ca para el potencial desarrollo de dispositivos comerciales. En esta tesis se ha estudiado las propiedades ópticas y eléctricas de capas y puntos cuánticos de Zn(Mg)O crecidos por esta técnica. Al contrario que pasa con el Cd, al introducir Mg en la estructura wurtzita de ZnO se consigue aumentar el bandgap del semiconductor. Sin embargo, al igual que pasa con el CdO, la diferencia de estructura cristalina entre el ZnO y el MgO limita la cantidad de Mg que se puede incorporar, haciendo que para una cierta concentración de Mg aparezcan el fenómeno de separación de fases. En esta tesis se ha conseguido incorporar hasta un contenido de Mg del 35% en la estructura wurtzita del ZnO utilizando la técnica de spray pyrolysis, resultado que representa la mayor concentración de Mg publicada hasta la fecha. Este hecho ha posibilitado variar la energía del borde de absorción desde 3.30 a 4.11 eV. En estas capas se ha realizado una completa caracterización óptica observándose una diferencia entre las energías del borde de absorción y del máximo de emisión creciente con el contenido en Mg. Esta diferencia, conocida como desplazamiento de Stokes, es debida en parte a la presencia de _uctuaciones de potencial producidas por un desorden estadístico de la aleación. Se han fabricado fotodetectores MSM de alta calidad utilizando las capas de Zn(Mg)O previamente caracterizadas, observándose un desplazamiento del borde de absorción con el aumento en Mg desde 3.32 a 4.02 eV. Estos dispositivos muestran altos valores de responsividad (10-103 A/W) y altos contrastes entre la responsividad bajo iluminación y oscuridad (10-107). Estos resultados son en parte debidos a la presencia de mecanismos de ganancia y una reducción de la corriente de oscuridad en las muestras con alto contenido de Mg. Utilizando esta misma técnica de crecimiento se han crecido puntos de Zn(Mg)O con concentraciones nominales de Mg entre 0 y 100 %, con dimensiones medias entre 4 y 6 nm. Las medidas estructurales realizadas muestran que hasta un valor de Mg de 45 %, los puntos están compuestos por una única fase estructural, wurtzita. A partir de esa concentración de Mg aparece una fase cúbica en los puntos, coexistiendo con la fase hexagonal hasta una concentración nominales del 85 %. Para concentraciones mayores de Mg, los puntos muestran una única fase estructural cúbica. Medidas de absorción realizadas en estos puntos de Zn(Mg)O muestran un desplazamiento del borde de absorción entre 3.33 y 3.55 eV cuando la concentraci ón de Mg en los puntos aumenta hasta el 40 %. Este desplazamiento observado es debido solamente a la fase wurtzita del Zn(Mg)O donde se incorpora el Mg. ABSTRACT This PhD theis presents a study using di_erent growth techniques (RPEMOCVD and spray pyrolysis) and structures (nanowires, quantum dots and wells and layers) in order to develop devices that extend from the visible to the ultraviolet range. For this reason ZnO based materials have been choosen, because they o_er the possibility to tunne the bandgap in this energy range. Proof of this is that this study has managed to cover a spectral range from 1.86 to 4.11 eV, also being studied physical phenomena such as di_usion and incorporation of alloy or adsorption of gases on the surface, allowing the develop di_erent highly sensitive photodetectors. Therefore, the results obtained in this thesis are a great contribution two large blockso the knowledge of the physical properties of alloys Zn(Cd)O and Zn(Mg)O for potential applications in devices that operate in the visible and ultraviolet range, respectively. In the _rst chapter, the general properties of ZnO-based materials are presented, showing the facilities that these kind of materials o_er to obtain di_erent nanoestructures. In Chapter 3, optical theoretical concepts are given to understand the optical properties of these materials, also showing the most signi_cant results of ZnO. In the chapters related with the results, two blocks could be distinguish. In the _rst one, Zn(Cd)O nanowires and quantum wells grown by RPE-MOCVD have been analyzed (Chapters 4 and 5). The second block of results shows the study performed in Zn(Mg)O _lms and quantum dots grown by spray pyrolysis. Zn(Cd)O nanowires and quantum wells grown by RPE-MOCVD In summary, the results of the PhD thesis are a great contribution to the knowledge of the physical properties of Zn(Cd)O and Zn(Mg)O alloys and their application for high performance devices operating in the visible and UV ranges, respectively. The performance of the device is still limited due to alloy solubility and p-doping stability, which opens a door for future research in this _eld. Theoretically, annealing ZnO with CdO allows to reduce the bandgap from 3.37 to 0.95 eV, covering the whole visible spectrum. The development of ZnCdO alloys allows the fabrication of heterostructures and quantum wells, necessary for the development of high performance optoelectronic devices. However, the di_erent crystal structures between CdO and ZnO and the low solubility of Cd and its high vapor pressure, hinders the growth of ZnCdO alloys with high Cd contents. In this PhD thesis Zn(Cd)O nanowires have been optically and structurally characterized, obtaining a maximum Cd content of 54% while maintaining their wurtzite structure. This Cd content, which allows lowering the bandgap down to 1.86 eV, is the highest concentration ever reported in nanostructures based on ZnO. The combination of optical and structural characterization techniques used during this thesis has allowed the demonstration of the presence of a single wurtzite structure, without observing any indication of phase separation or Cd accumulation along the nanowire. Annealing processes are essential in the fabrication of optoelectronic devices. For this reason, a complete study of the annealing e_ects in the optical and electrical properties of Zn(Cd)O nanowires has been performed. In the _rst place, annealing nanowires at higher temperatures than their growth temperature (300 oC) allows a signi_cant improvement of their emission properties. However, in the samples that contain Cd a shift in the emission towards higher energies has been observed due to a homogeneous reduction of the Cd content in the nanowires. Time resolved photoluminescence measurements show the impact of the exciton localization in the potential _uctuations due to a statistical alloy disorder. An increase in the carrier lifetime has been obtained for the annealed nanowires. This increase is mainly due to the reduction of non-radiative recombination centers associated with the defects present in the material. Furthermore, temperature dependent time resolved photoluminescence measurements suggest a reduction of the alloy disorder in the annealed samples. In this thesis, single nanowire photodetectors with a high responsivity in the UV range have been demonstrated. Due to the high surface/volume ratio, these structures are very sensitive to gas adsorption at the surface, which largely de_nes the optical and electrical properties of the material and, therefore, of the device. With the aim of obtaining time stable devices, the dynamic adsorption-desorption processes have been studied, developing di_erent approaches that allow a higher control over them. Finally, ZnCdO/ZnO quantum wells have been grown with a nominal Cd concentration of 54% inside the well. The performed optical measurements show that increasing the well width from 0.7 to 10 nm, shifts the emission related with the well from 3.30 to 1.97 eV. This result represents the highest shift reported in the literature. However, a detailed structural characterization shows the presence of di_usion phenomena which substantially reduce the concentration of Cd in the well, while increasing it in the barrier. This type of phenomena should be considered when ac curately interpretating the quantum con_nement e_ects in Zn(Cd)O/ZnO quantum wells. Theoretically, annealing ZnO with CdO allows to decrease the bandgap from 3.37 to 0.95 eV, covering the whole visible spectrum. Zn(Mg)O _lms and quantum dots grown by spray pyrolysis Due to its simplicity, low-cost and capacity to grow over large areas conserving a high crystal quality, spray pyrolysis technique presents a great interest in the scienti_c community for developing comercial devices. In this thesis, a complete study of the optical and structural properties of Zn(Mg)O _lms and quantum dots grown by spray pyrolysis has been performed. Contrary to Zn(Cd)O alloys, when introducing Mg in the ZnO wurtzite structure an increase in the bandgap in obtained. Once again, the di_erence in the crystal structure of ZnO and MgO limits the amount of Mg that can be introduced before phase separation appears. In this PhD thesis, a maximum Mg content of 35% has been incorporated in the wurtzite structure using spray pyrolysis. This variation in the Mg content translates into an increase of the absorption edge from 3.30 to 4.11 eV. Up to this date, this result represents the highest Mg content introduced by spray pyrolysis in a ZnO wurzite structure reported in the literature. The comparison of the emission and absorption spectra shows the presence of an increasing Stokes shift with Mg content. This phenomenon is partialy related with the presence of potential _uctuations due to an statistic alloy disorder. MSM photodetectors have been processed on previously characterized Zn(Mg)O _lms. These devices have shown a shift in the absorption edge from 3.32 to 4.02 eV with the increase in Mg content, high responsivity values (10-103 A/W) and high contrast ratios between illuminated and dark responsivities (10-107). These values are explained by the presence of a gain mechanism and a reduction of dark current in the ZnMgO samples. Zn(Mg)O quantum dots have also been grown using spray pyrolysis with Mg concentrations between 0 and 100% and with average widths ranging 4 to 6 nm. Structural measurements show that at a Mg concentration of 45% the cubic phase appears, coexisting with the hexagonal phase up to an 85% concentration of Mg content. From 85% onwards the quantum dots show only the cubic phase. Absorption measurements performed in these structures reveal a shift in the absorption edge from 3.33 to 3.55 eV when the Mg content increases up to 40 %.

Design, Technology and Characterization of Micromechanised Sensors and Actuators for Harsh Environments

Los sistemas micro electro mecánicos (MEMS) han demostrado ser una exitosa familia de dispositivos que pueden usarse como plataforma para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en óptica, comunicaciones, procesado de señal y sensorización. Los dispositivos MEMS estándar suelen estar fabricados usando tecnología de silicio. Sin embargo, el rendimiento de estos MEMS se puede mejorar si se usan otros materiales. Por ejemplo, el diamante nanocristalino (NCD) ofrece unas excelentes propiedades mecánicas, transparencia y una superficie fácil de funcionalizar. Por otro lado, el sistema de materiales (In; Ga; Al)N, los materiales IIIN, se pueden usar para producir estructuras monocristalinas con alta sensibilidad mecánica y química. Además, el AlN se puede depositar por pulverización catódica reactiva sobre varios substratos, incluyendo NCD, para formar capas policristalinas orientadas con alta respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, tanto el NCD como los materiales III-N muestran una gran estabilidad térmica y química, lo que los hace una elección idónea para desarrollar dispositivos para aplicaciones para alta temperatura, ambientes agresivos e incluso para aplicaciones biocompatibles. En esta tesis se han usado estos materiales para el diseño y medición de demostradores tecnológicos. Se han perseguido tres objetivos principales: _ Desarrollo de unos procesos de fabricación apropiados. _ Medición de las propiedades mecánicas de los materiales y de los factores que limitan el rendimiento de los dispositivos. _ Usar los datos medidos para desarrollar dispositivos demostradores complejos. En la primera parte de esta tesis se han estudiado varias técnicas de fabricación. La estabilidad de estos materiales impide el ataque y dificulta la producción de estructuras suspendidas. Los primeros capítulos de esta disertación se dedican al desarrollo de unos procesos de transferencia de patrones por ataque seco y a la optimización del ataque húmedo sacrificial de varios substratos propuestos. Los resultados de los procedimientos de ataque se presentan y se describe la optimización de las técnicas para la fabricación de estructuras suspendidas de NCD y materiales III-N. En un capítulo posterior se estudia el crecimiento de AlN por pulverización catódica. Como se ha calculado en esta disertación para obtener una actuación eficiente de MEMS, las capas de AlN han de ser finas, típicamente d < 200 nm, lo que supone serias dificultades para la obtención de capas orientadas con respuesta piezoeléctrica. Las condiciones de depósito se han mapeado para identificar las fronteras que proporcionan el crecimiento de material orientado desde los primeros pasos del proceso. Además, durante la optimización de los procesos de ataque se estudió un procedimiento para fabricar películas de GaN nanoporoso. Estas capas porosas pueden servir como capas sacrificiales para la fabricación de estructuras suspendidas de GaN con baja tensión residual o como capas para mejorar la funcionalización superficial de sensores químicos o biológicos. El proceso de inducción de poros se discutirá y también se presentarán experimentos de ataque y funcionalización. En segundo lugar, se han determinado las propiedades mecánicas del NCD y de los materiales III-N. Se han fabricado varias estructuras suspendidas para la medición del módulo de Young y de la tensión residual. Además, las estructuras de NCD se midieron en resonancia para calcular el rendimiento de los dispositivos en términos de frecuencia y factor de calidad. Se identificaron los factores intrínsecos y extrínsecos que limitan ambas figuras de mérito y se han desarrollado modelos para considerar estas imperfecciones en las etapas de diseño de los dispositivos. Por otra parte, los materiales III-N normalmente presentan grandes gradientes de deformación residual que causan la deformación de las estructuras al ser liberadas. Se han medido y modelado estos efectos para los tres materiales binarios del sistema para proporcionar puntos de interpolación que permitan predecir las características de las aleaciones del sistema III-N. Por último, los datos recabados se han usado para desarrollar modelos analíticos y numéricos para el diseño de varios dispositivos. Se han estudiado las propiedades de transducción y se proporcionan topologías optimizadas. En el último capítulo de esta disertación se presentan diseños optimizados de los siguientes dispositivos: _ Traviesas y voladizos de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicados a nanoconmutadores de RF para señales de alta potencia. _ Membranas circulares de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicadas a lentes sintonizables. _ Filtros ópticos Fabry-Pérot basados en cavidades aéreas y membranas de GaN actuadas electrostáticamente. En resumen, se han desarrollado unos nuevos procedimientos optimizados para la fabricación de estructuras de NCD y materiales III-N. Estas técnicas se han usado para producir estructuras que llevaron a la determinación de las principales propiedades mecánicas y de los parámetros de los dispositivos necesarios para el diseño de MEMS. Finalmente, los datos obtenidos se han usado para el diseño optimizado de varios dispositivos demostradores. ABSTRACT Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have proven to be a successful family of devices that can be used as a platform for the development of devices with applications in optics, communications, signal processing and sensorics. Standard MEMS devices are usually fabricated using silicon based materials. However, the performance of these MEMS can be improved if other material systems are used. For instance, nanocrystalline diamond (NCD) offers excellent mechanical properties, optical transparency and ease of surface functionalization. On the other hand, the (In; Ga; Al)N material system, the III-N materials, can be used to produce single crystal structures with high mechanical and chemical sensitivity. Also, AlN can be deposited by reactive sputtering on various substrates, including NCD, to form oriented polycrystalline layers with high piezoelectric response. In addition, both NCD and III-N materials exhibit high thermal and chemical stability, which makes these material the perfect choice for the development of devices for high temperatures, harsh environments and even biocompatible applications. In this thesis these materials have been used for the design and measurement of technological demonstrators. Three main objectives have been pursued: _ Development of suitable fabrication processes. _ Measurement of the material mechanical properties and device performance limiting factors. _ Use the gathered data to design complex demonstrator devices. In a first part of the thesis several fabrication processes have been addressed. The stability of these materials hinders the etching of the layers and hampers the production of free standing structures. The first chapters of this dissertation are devoted to the development of a dry patterning etching process and to sacrificial etching optimization of several proposed substrates. The results of the etching processes are presented and the optimization of the technique for the manufacturing of NCD and III-N free standing structures is described. In a later chapter, sputtering growth of thin AlN layers is studied. As calculated in this dissertation, for efficient MEMS piezoelectric actuation the AlN layers have to be very thin, typically d < 200 nm, which poses serious difficulties to the production of c-axis oriented material with piezoelectric response. The deposition conditions have been mapped in order to identify the boundaries that give rise to the growth of c-axis oriented material from the first deposition stages. Additionally, during the etching optimization a procedure for fabricating nanoporous GaN layers was also studied. Such porous layers can serve as a sacrificial layer for the release of low stressed GaN devices or as a functionalization enhancement layer for chemical and biological sensors. The pore induction process will be discussed and etching and functionalization trials are presented. Secondly, the mechanical properties of NCD and III-N materials have been determined. Several free standing structures were fabricated for the measurement of the material Young’s modulus and residual stress. In addition, NCD structures were measured under resonance in order to calculate the device performance in terms of frequency and quality factor. Intrinsic and extrinsic limiting factors for both figures were identified and models have been developed in order to take into account these imperfections in the device design stages. On the other hand, III-N materials usually present large strain gradients that lead to device deformation after release. These effects have been measured and modeled for the three binary materials of the system in order to provide the interpolation points for predicting the behavior of the III-N alloys. Finally, the gathered data has been used for developing analytic and numeric models for the design of various devices. The transduction properties are studied and optimized topologies are provided. Optimized design of the following devices is presented at the last chapter of this dissertation: _ AlN=NCD piezoelectrically actuated beams applied to RF nanoswitches for large power signals. _ AlN=NCD piezoelectrically actuated circular membranes applied to tunable lenses. _ GaN based air gap tunable optical Fabry-Pérot filters with electrostatic actuation. On the whole, new optimized fabrication processes has been developed for the fabrication of NCD and III-N MEMS structures. These processing techniques was used to produce structures that led to the determination of the main mechanical properties and device parameters needed for MEMS design. Lastly, the gathered data was used for the design of various optimized demonstrator devices.

Modelización de procesos de soldadura (GMAW y GTAW) de la aleación de magnesio AZ31B. Estudio y análisis del comportamiento de este tipo de uniones soldadas frente a la corrosión en medios salinos

El magnesio y sus aleaciones representan un interesante campo de investigación dentro de la ingeniería de materiales debido a los retos que plantean tanto su conformabilidad como durabilidad. Las características físicas y mecánicas del magnesio y sus aleaciones los convierten en materiales de gran interés desde el punto de vista industrial al tratarse de uno de los materiales más abundantes y ligeros en un mundo en el que día a día los recursos y materias primas son más escasos por lo que el acceso a materiales abundantes y ligeros que permitan economizar el uso de energía cobrará mayor importancia en el futuro. En la coyuntura actual es por tanto necesario revisar procesos y procedimientos, investigando y tratando de ampliar desde este punto de vista si es posible mejorar los procedimientos de fabricación de los materiales disponibles actualmente o el desarrollo de nuevos, mejores que los anteriores, que permitan ayudar a la sostenibilidad del planeta. El magnesio, pese a ser un material muy abundante y relativamente barato, presenta una serie de inconvenientes que limitan de manera muy seria su aplicación industrial, su alta reactividad en presencia de oxígeno y su mal comportamiento frente a la corrosión así como limitaciones en su conformabilidad han estado limitando su uso y aplicaciones, los investigaciones dentro del campo de la metalurgia física de este material y el desarrollo de nuevas aleaciones han permitido su empleo en múltiples aplicaciones dentro de la industria aeroespacial, militar, automovilística, electrónica, deportiva y médica. La motivación para esta tesis doctoral ha sido tratar de aportar más luz sobre el comportamiento de una de las aleaciones comerciales base magnesio más empleadas, la AZ31B, tratando de modelizar como le afectan los procesos de soldadura y estudiando desde un punto de vista experimental como se ve modificada su microestructura, su comportamiento mecánico y su resistencia frente a la corrosión. Aunque en un principio se pensó en el empleo de métodos electroquímicos para el estudio de la corrosión de estos materiales, rápidamente se decidió prescindir de su uso dada la dificultad observada tanto durante los trabajos de investigación de esta Tesis como los encontrados por otros investigadores. Mediante microdurezas se han caracterizado mecánicamente las soldaduras de aleación de magnesio tipo AZ31 en función de diferentes materiales de aporte, observándose que el empleo de las aleaciones con mayor contenido de aluminio y zinc no contribuye a una mejora significativa de las propiedades mecánicas. Se han podido establecer correlaciones entre los modelos de simulación desarrollados y las microestructuras resultantes de los procesos reales de soldadura que permiten definir a priori que estructuras se van a obtener. De igual forma ha sido posible completar un estudio micrográfico y químico completo de las diferentes fases y microconstituyentes originados durante los procesos de soldadura, gracias a estos resultados se ha propuesto como hipótesis una explicación que justifica el comportamiento frente a la corrosión de estas aleaciones una vez soldadas. Los ensayos de corrosión realizados han permitido determinar correlaciones matemáticas que indican las velocidades de corrosión esperables de este tipo de aleaciones. Desde el punto de vista del diseño, los resultados obtenidos en este trabajo permitirán a otros investigadores y diseñadores tomar decisiones a la hora de decidir qué materiales de aporte emplear junto con las implicaciones que conllevan desde el punto de vista metalúrgico, mecánico o corrosivo las diferentes alternativas. Por último indicar que gracias al trabajo desarrollado se han definido modelos matemáticos para predecir el comportamiento frente a la corrosión de estas aleaciones, se han determinado las posibles causas y mecanismos por las que se gobierna la corrosión en la soldadura de chapas de aleación AZ31B y los motivos por los que se debe considerar el empleo de un material de aporte u otro. Los modelos de simulación desarrollados también han ayudado a comprender mejor la microestructura resultante de los procesos de soldadura y se han determinado que fases y microconstituyentes están presentes en las soldaduras de estas aleaciones. ABSTRACT Magnesium and its alloys represent and interesting research field in the material science due to the challenges of their fabrication and durability. The physical and mechanical properties of magnesium and its alloys make them a very interesting materials from and industrial point of view being one of the most abundant and lightest materials in a world in which day by day the lacking of resources and raw materials is more important, the use of light materials which allow to save energy will become more important in a near future. So that it is necessary to review processes and procedures, investigating and trying to improve current fabrication procedures and developing new ones, better than the former ones, in order to help with the sustainability of the planet. Although magnesium is a very common and relatively cheap material, it shows some inconveniences which limit in a major way their industrial application; its high reactivity in presence of oxygen, its poor corrosion resistance and some manufacturing problems had been limiting their use and applications, metallurgical investigations about this material and the development of new alloys have allowed its use in multiple applications in the aerospacial, military, automobile, electronics, sports and medical industry. The motivation for this thesis has been trying to clarify the behavior of one most used commercial base magnesium alloys, the AZ31, trying to modeling how its affected by thermal cycles of the welding process and studying from an experimental point of view how its microstructure is modified and how these modifications affect its mechanical behavior and corrosion resistance. Although at the beginning of this works it was though about the using of electrochemical techniques to evaluate the corrosion of these materials, rapidly it was decided not to use them because of the difficulty observed by during this research and by other investigators. The results obtained in this thesis have allowed to characterize mechanically AZ31 magnesium welding alloys considering different filler metals, according to this study using filler metals with a high content of aluminum and zinc does not represent an important improve It has been possible to establish correlations between simulation models and the resultant microstructures of the real melting processes originated during welding processes which allow to predict the structures which will be obtained after the welding. In addition to that it is possible to complete a complete micrographic and chemical analysis of the different phases and microconstituents created during welding, due to these results and hypothesis to explain the corrosion behavior of these welded alloys. Corrosion tests carried out have allowed defining mathematical correlations to predict corrosion rates of this kind of alloys. From a designing point of view, the results obtained in this work will let other investigators and designers to make decisions taking into account which implications have the different options from a metallurgical, mechanic and corrosive point of view. Finally we would like to indicate that thanks to this work it has been possible to define mathematical models to predict the corrosion behavior, the causes and the mechanism of this corrosion in the AZ31 welding sheets have been also determined and the reasons for using of one filler metal or another, the developed simulation models have also help to get a better understanding of the result microstructure determining the phases and the microconstituents present in the welding of this alloys.

Recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados mediante proyección térmica para aplicaciones espaciales y de alta temperatura

Los recubrimientos lubricantes sólidos son requeridos para reducir la fricción y prevenir el desgaste en componentes que operan a altas temperaturas o en vacío (vehículos espaciales, industria química, motores diésel, turbinas aeronáuticas y de generación de energía…). Los lubricantes líquidos pierden sus características cuando las condiciones de presión, temperatura o ambientales son severas (oxidación, inestabilidad térmica, volatilidad,…), por ejemplo los aceites minerales convencionales se descomponen a temperaturas próximas a 200 ºC. Por tanto, la única manera de poder conseguir una adecuada lubricación a temperaturas extremas es por medio de sólidos, que cada vez más, se aplican en forma de recubrimientos. Estos recubrimientos podrían ser empleados en componentes de vehículos espaciales reutilizables, donde se pueden alcanzar, en la reentrada en la atmósfera, temperaturas de 700 ºC (bisagras, rodamientos, articulaciones y zonas de sellado en las superficies de control, y rodamientos de las turbobombas y las cajas de engranajes). Dichos recubrimientos también deberían ser capaces de proporcionar una lubricación efectiva a bajas temperaturas para las operaciones en tierra, para las operaciones de arranque en frío, incluso en el espacio. El conjunto de requisitos que tendrían que satisfacer las capas tribológicas relacionadas con estas condiciones extremas es muy diverso, lo que hace que el concepto de capas tipo composite (aquéllas constituidas por varios componentes) sea, en principio, muy adecuado para estas aplicaciones. Recubrimientos composite proyectados térmicamente constituidos por una matriz dura y conteniendo lubricantes sólidos pueden ser una buena solución desde el punto de vista tribológico. El “Lewis Research Centre” de la NASA ha estado desarrollando recubrimientos autolubricantes tipo composite, constituidos por la combinación de materiales duros como el carburo de cromo, junto con lubricantes sólidos como plata o la eutéctica de fluoruros de calcio y bario, en una matriz de NiCr, para su uso en aplicaciones terrestres a alta temperatura. Estos recubrimientos han sido aplicados mediante proyección térmica, siendo denominados como series PS100, PS200, PS300 y PS400, reduciendo de forma significativa el coeficiente de fricción y mejorando la resistencia al desgaste en un amplio margen de temperaturas. Otra nueva familia de materiales con comportamiento tribológico prometedor son las aleaciones cuasicristalinas (QC). Presentan características muy atractivas: alta dureza, baja fricción, alto límite elástico de compresión... Son muy frágiles como materiales másicos, por lo que se intentan aplicar en forma de recubrimientos. Se pueden depositar mediante proyección térmica. Algunos de estos materiales cuasicristalinos, como AlCoFeCr, poseen coeficientes de dilatación próximos al de los materiales metálicos, alta estabilidad térmica, baja conductividad térmica y una elevada resistencia a la oxidación y a la corrosión en caliente. En esta tesis se han desarrollado recubrimientos tipo composite conteniendo cuasicristales como componente antidesgaste, NiCr como componente tenaz, y Ag y la eutéctica de BaF2-CaF2, como lubricantes sólidos. Estos recubrimientos han sido depositados con diferentes composiciones (denominadas TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) mediante distintos procesos de proyección térmica: plasma en aire (PS), plasma en baja presión (LPPS) y combustión a alta velocidad (HVOF). Los recubrimientos se han generado sobre el sustrato X-750, una superaleación base níquel, endurecible por precipitación, con muy buena resistencia mecánica y a la oxidación hasta temperaturas de 870 ºC y, además, es empleada en aplicaciones aeroespaciales e industriales. Los recubrimientos han sido caracterizados microestructuralmente en INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), mediante SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) y XRD (X-Ray Diffraction), y tribológicamente mediante medidas de microdureza y ensayos en tribómetro POD (Pin On Disc) para determinar los coeficientes de fricción y de desgaste. Los recubrimientos han sido ensayados tribológicamente a alta temperatura en INTA y en vacío en AMTTARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), en Seibersdorf (Austria). Se ha estudiado la influencia de la carga normal aplicada, la velocidad lineal y el material del pin. De entre las diferentes series de recubrimientos cuasicristalinos tipo composite desarrolladas, dos de ellas, TH100 y TH103 han presentado una excelente calidad microestructural (baja porosidad, distribución uniforme de fases…) y se han mostrado como excelentes recubrimientos antidesgaste. Sin embargo, estas capas presentan un pobre comportamiento como autolubricantes a temperatura ambiente, aunque mejoran mucho a alta temperatura o en vacío. Los resultados del trabajo presentado en esta tesis han proporcionado nuevo conocimiento respecto al comportamiento tribológico de recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados por proyección térmica. Sin embargo, dichos resultados, aunque son muy prometedores, no han puesto de manifiesto el adecuado comportamiento autolubricante que se pretendía y, además, como ocurre en cualquier trabajo de investigación, durante el desarrollo del mismo siempre aparecen nuevas dudas por resolver. Se proponen nuevas líneas de trabajo futuro que complementen los resultados obtenidos y que puedan encaminar hacia la obtención de un recubrimiento que mejore su comportamiento autolubricante. ABSTRACT Solid lubricant coatings are required to reduce friction and prevent wear in components that operate at high temperatures or under vacuum (space vehicles, chemical industry, diesel engines, power generation turbines and aeronautical turbines, for instance). In these cases neither greases nor liquid lubricants can be employed and the only practicable approach to lubrication in such conditions is by means of solids. These are increasingly applied in the form of coatings which should exhibit low shear strength, whilst maintaining their chemical stability at extremes temperatures and in the space environment. In the space field, these coatings would be employed in re-usable space plane applications, such as elevon hinges, where temperatures of 700 ºC are reached during re-entry into the Earth’s atmosphere. These coatings should also be capable of providing effective lubrication at lower temperatures since “cold start” operation may be necessary, even in the space environment. The diverse and sometimes conflictive requirements in high temperature and space-related tribological coatings make the concept of composite coatings highly suitable for these applications. Thermal-sprayed composites containing solid lubricants in a hard matrix perform well tribologically. NASA‘s Lewis Research Centre had developed self-lubricating composite coatings for terrestrial use, comprising hard materials like chromium carbide as well as solid lubricant additives such as silver and BaF2-CaF2 eutectic on a Ni-Cr matrix. These coatings series, named PS100, PS200, PS300 and PS400, are applied by thermal spray and significantly reduce friction coefficients, improving wear resistance over a wide temperature range. Quasicrystalline alloys (QC) constitute a new family of materials with promising tribological behaviour. Some QC materials exhibit a combination of adequate antifriction properties: low friction coefficient, high hardness and high yield strength under compression, and can be easily produced as coatings on top of metallic and non-metallic materials. Among these QC alloys, AlCoFeCr has high hardness (700 HV0.1), a thermal expansion coefficient close to that of metals, high thermal stability, low thermal conductivity and good oxidation and hot corrosion resistance. However most QC materials have the disadvantage of being very brittle. In order to take advantage of the excellent tribological properties of QCs, thick composite lubricant coatings were prepared containing them as the hard phase for wear resistance, Ag and BaF2-CaF2 eutectic as lubricating materials and NiCr as the tough component. These coatings were deposited in different composition mixtures (named TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) by different thermal spray processes: air plasma spray (PS), low pressure plasma spray (LPPS) and high velocity oxy-fuel (HVOF), on X-750 substrates. X-750 is an age-hardenable nickel-base superalloy with very good strength and a good resistance to oxidising combustion gas environments at temperatures up to about 870 ºC and it is widely used in aerospace and industrial applications. Coatings have been characterized microstructurally, at INTA (National Institute for Aerospace Technology), by means of SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy- Energy Dispersive Spectroscopy) and XRD (X-Ray Diffraction), and tribologically by microhardness measurements and pin-on-disc testing to determine friction coefficients as well as wear resistance. The coatings were tested tribologically at high temperature at INTA and under vacuum at AMTT-ARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), in Seibersdorf (Austria). Different loads, linear speeds and pin materials were studied. TH100 and TH103 QC alloy matrix composite coatings were deposited by HVOF with excellent microstructural quality (low porosity, uniform phase distribution) and showed to be excellent wear resistant coatings. However these QC alloy matrix composite coatings are poor as a self-lubricant at room temperature but much better at high temperature or in vacuum. The results from the work performed within the scope of this thesis have provided new knowledge concerning the tribological behavior of self-lubricating quasicrystalline composite coatings deposited by thermal spraying. Although these results are very promising, they have not shown an adequate self-lubricating behavior as was intended, and also, as in any research, the results have in addition raised new questions. Future work is suggested to complement the results of this thesis in order to improve the selflubricating behaviour of the coatings.

Modelado de fractura dúctil sobre aceros modificados superficialmente 545-A

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

Diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión

La fusión nuclear es, hoy en día, una alternativa energética a la que la comunidad internacional dedica mucho esfuerzo. El objetivo es el de generar entre diez y cincuenta veces más energía que la que consume mediante reacciones de fusión que se producirán en una mezcla de deuterio (D) y tritio (T) en forma de plasma a doscientos millones de grados centígrados. En los futuros reactores nucleares de fusión será necesario producir el tritio utilizado como combustible en el propio reactor termonuclear. Este hecho supone dar un paso más que las actuales máquinas experimentales dedicadas fundamentalmente al estudio de la física del plasma. Así pues, el tritio, en un reactor de fusión, se produce en sus envolturas regeneradoras cuya misión fundamental es la de blindaje neutrónico, producir y recuperar tritio (fuel para la reacción DT del plasma) y por último convertir la energía de los neutrones en calor. Existen diferentes conceptos de envolturas que pueden ser sólidas o líquidas. Las primeras se basan en cerámicas de litio (Li2O, Li4SiO4, Li2TiO3, Li2ZrO3) y multiplicadores neutrónicos de Be, necesarios para conseguir la cantidad adecuada de tritio. Los segundos se basan en el uso de metales líquidos o sales fundidas (Li, LiPb, FLIBE, FLINABE) con multiplicadores neutrónicos de Be o el propio Pb en el caso de LiPb. Los materiales estructurales pasan por aceros ferrítico-martensíticos de baja activación, aleaciones de vanadio o incluso SiCf/SiC. Cada uno de los diferentes conceptos de envoltura tendrá una problemática asociada que se estudiará en el reactor experimental ITER (del inglés, “International Thermonuclear Experimental Reactor”). Sin embargo, ITER no puede responder las cuestiones asociadas al daño de materiales y el efecto de la radiación neutrónica en las diferentes funciones de las envolturas regeneradoras. Como referencia, la primera pared de un reactor de fusión de 4000MW recibiría 30 dpa/año (valores para Fe-56) mientras que en ITER se conseguirían <10 dpa en toda su vida útil. Esta tesis se encuadra en el acuerdo bilateral entre Europa y Japón denominado “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) en el cual España juega un papel destacable. Estos proyectos, complementarios con ITER, son el acelerador para pruebas de materiales IFMIF (del inglés, “International Fusion Materials Irradiation Facility”) y el dispositivo de fusión JT-60SA. Así, los efectos de la irradiación de materiales en materiales candidatos para reactores de fusión se estudiarán en IFMIF. El objetivo de esta tesis es el diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión. El módulo se llamará LBVM (del inglés, “Liquid Breeder Validation Module”). La propuesta surge de la necesidad de irradiar materiales funcionales para envolturas regeneradoras líquidas para reactores de fusión debido a que el diseño conceptual de IFMIF no contaba con esta utilidad. Con objeto de analizar la viabilidad de la presente propuesta, se han realizado cálculos neutrónicos para evaluar la idoneidad de llevar a cabo experimentos relacionados con envolturas líquidas en IFMIF. Así, se han considerado diferentes candidatos a materiales funcionales de envolturas regeneradoras: Fe (base de los materiales estructurales), SiC (material candidato para los FCI´s (del inglés, “Flow Channel Inserts”) en una envoltura regeneradora líquida, SiO2 (candidato para recubrimientos antipermeación), CaO (candidato para recubrimientos aislantes), Al2O3 (candidato para recubrimientos antipermeación y aislantes) y AlN (material candidato para recubrimientos aislantes). En cada uno de estos materiales se han calculado los parámetros de irradiación más significativos (dpa, H/dpa y He/dpa) en diferentes posiciones de IFMIF. Estos valores se han comparado con los esperados en la primera pared y en la zona regeneradora de tritio de un reactor de fusión. Para ello se ha elegido un reactor tipo HCLL (del inglés, “Helium Cooled Lithium Lead”) por tratarse de uno de los más prometedores. Además, los valores también se han comparado con los que se obtendrían en un reactor rápido de fisión puesto que la mayoría de las irradiaciones actuales se hacen en reactores de este tipo. Como conclusión al análisis de viabilidad, se puede decir que los materiales funcionales para mantos regeneradores líquidos podrían probarse en la zona de medio flujo de IFMIF donde se obtendrían ratios de H/dpa y He/dpa muy parecidos a los esperados en las zonas más irradiadas de un reactor de fusión. Además, con el objetivo de ajustar todavía más los valores, se propone el uso de un moderador de W (a considerar en algunas campañas de irradiación solamente debido a que su uso hace que los valores de dpa totales disminuyan). Los valores obtenidos para un reactor de fisión refuerzan la idea de la necesidad del LBVM, ya que los valores obtenidos de H/dpa y He/dpa son muy inferiores a los esperados en fusión y, por lo tanto, no representativos. Una vez demostrada la idoneidad de IFMIF para irradiar envolturas regeneradoras líquidas, y del estudio de la problemática asociada a las envolturas líquidas, también incluida en esta tesis, se proponen tres tipos de experimentos diferentes como base de diseño del LBVM. Éstos se orientan en las necesidades de un reactor tipo HCLL aunque a lo largo de la tesis se discute la aplicabilidad para otros reactores e incluso se proponen experimentos adicionales. Así, la capacidad experimental del módulo estaría centrada en el estudio del comportamiento de litio plomo, permeación de tritio, corrosión y compatibilidad de materiales. Para cada uno de los experimentos se propone un esquema experimental, se definen las condiciones necesarias en el módulo y la instrumentación requerida para controlar y diagnosticar las cápsulas experimentales. Para llevar a cabo los experimentos propuestos se propone el LBVM, ubicado en la zona de medio flujo de IFMIF, en su celda caliente, y con capacidad para 16 cápsulas experimentales. Cada cápsula (24-22 mm de diámetro y 80 mm de altura) contendrá la aleación eutéctica LiPb (hasta 50 mm de la altura de la cápsula) en contacto con diferentes muestras de materiales. Ésta irá soportada en el interior de tubos de acero por los que circulará un gas de purga (He), necesario para arrastrar el tritio generado en el eutéctico y permeado a través de las paredes de las cápsulas (continuamente, durante irradiación). Estos tubos, a su vez, se instalarán en una carcasa también de acero que proporcionará soporte y refrigeración tanto a los tubos como a sus cápsulas experimentales interiores. El módulo, en su conjunto, permitirá la extracción de las señales experimentales y el gas de purga. Así, a través de la estación de medida de tritio y el sistema de control, se obtendrán los datos experimentales para su análisis y extracción de conclusiones experimentales. Además del análisis de datos experimentales, algunas de estas señales tendrán una función de seguridad y por tanto jugarán un papel primordial en la operación del módulo. Para el correcto funcionamiento de las cápsulas y poder controlar su temperatura, cada cápsula se equipará con un calentador eléctrico y por tanto el módulo requerirá también ser conectado a la alimentación eléctrica. El diseño del módulo y su lógica de operación se describe en detalle en esta tesis. La justificación técnica de cada una de las partes que componen el módulo se ha realizado con soporte de cálculos de transporte de tritio, termohidráulicos y mecánicos. Una de las principales conclusiones de los cálculos de transporte de tritio es que es perfectamente viable medir el tritio permeado en las cápsulas mediante cámaras de ionización y contadores proporcionales comerciales, con sensibilidades en el orden de 10-9 Bq/m3. Los resultados son aplicables a todos los experimentos, incluso si son cápsulas a bajas temperaturas o si llevan recubrimientos antipermeación. Desde un punto de vista de seguridad, el conocimiento de la cantidad de tritio que está siendo transportada con el gas de purga puede ser usado para detectar de ciertos problemas que puedan estar sucediendo en el módulo como por ejemplo, la rotura de una cápsula. Además, es necesario conocer el balance de tritio de la instalación. Las pérdidas esperadas el refrigerante y la celda caliente de IFMIF se pueden considerar despreciables para condiciones normales de funcionamiento. Los cálculos termohidráulicos se han realizado con el objetivo de optimizar el diseño de las cápsulas experimentales y el LBVM de manera que se pueda cumplir el principal requisito del módulo que es llevar a cabo los experimentos a temperaturas comprendidas entre 300-550ºC. Para ello, se ha dimensionado la refrigeración necesaria del módulo y evaluado la geometría de las cápsulas, tubos experimentales y la zona experimental del contenedor. Como consecuencia de los análisis realizados, se han elegido cápsulas y tubos cilíndricos instalados en compartimentos cilíndricos debido a su buen comportamiento mecánico (las tensiones debidas a la presión de los fluidos se ven reducidas significativamente con una geometría cilíndrica en lugar de prismática) y térmico (uniformidad de temperatura en las paredes de los tubos y cápsulas). Se han obtenido campos de presión, temperatura y velocidad en diferentes zonas críticas del módulo concluyendo que la presente propuesta es factible. Cabe destacar que el uso de códigos fluidodinámicos (e.g. ANSYS-CFX, utilizado en esta tesis) para el diseño de cápsulas experimentales de IFMIF no es directo. La razón de ello es que los modelos de turbulencia tienden a subestimar la temperatura de pared en mini canales de helio sometidos a altos flujos de calor debido al cambio de las propiedades del fluido cerca de la pared. Los diferentes modelos de turbulencia presentes en dicho código han tenido que ser estudiados con detalle y validados con resultados experimentales. El modelo SST (del inglés, “Shear Stress Transport Model”) para turbulencia en transición ha sido identificado como adecuado para simular el comportamiento del helio de refrigeración y la temperatura en las paredes de las cápsulas experimentales. Con la geometría propuesta y los valores principales de refrigeración y purga definidos, se ha analizado el comportamiento mecánico de cada uno de los tubos experimentales que contendrá el módulo. Los resultados de tensiones obtenidos, han sido comparados con los valores máximos recomendados en códigos de diseño estructural como el SDC-IC (del inglés, “Structural Design Criteria for ITER Components”) para así evaluar el grado de protección contra el colapso plástico. La conclusión del estudio muestra que la propuesta es mecánicamente robusta. El LBVM implica el uso de metales líquidos y la generación de tritio además del riesgo asociado a la activación neutrónica. Por ello, se han estudiado los riesgos asociados al uso de metales líquidos y el tritio. Además, se ha incluido una evaluación preliminar de los riesgos radiológicos asociados a la activación de materiales y el calor residual en el módulo después de la irradiación así como un escenario de pérdida de refrigerante. Los riesgos asociados al módulo de naturaleza convencional están asociados al manejo de metales líquidos cuyas reacciones con aire o agua se asocian con emisión de aerosoles y probabilidad de fuego. De entre los riesgos nucleares destacan la generación de gases radiactivos como el tritio u otros radioisótopos volátiles como el Po-210. No se espera que el módulo suponga un impacto medioambiental asociado a posibles escapes. Sin embargo, es necesario un manejo adecuado tanto de las cápsulas experimentales como del módulo contenedor así como de las líneas de purga durante operación. Después de un día de después de la parada, tras un año de irradiación, tendremos una dosis de contacto de 7000 Sv/h en la zona experimental del contenedor, 2300 Sv/h en la cápsula y 25 Sv/h en el LiPb. El uso por lo tanto de manipulación remota está previsto para el manejo del módulo irradiado. Por último, en esta tesis se ha estudiado también las posibilidades existentes para la fabricación del módulo. De entre las técnicas propuestas, destacan la electroerosión, soldaduras por haz de electrones o por soldadura láser. Las bases para el diseño final del LBVM han sido pues establecidas en el marco de este trabajo y han sido incluidas en el diseño intermedio de IFMIF, que será desarrollado en el futuro, como parte del diseño final de la instalación IFMIF. ABSTRACT Nuclear fusion is, today, an alternative energy source to which the international community devotes a great effort. The goal is to generate 10 to 50 times more energy than the input power by means of fusion reactions that occur in deuterium (D) and tritium (T) plasma at two hundred million degrees Celsius. In the future commercial reactors it will be necessary to breed the tritium used as fuel in situ, by the reactor itself. This constitutes a step further from current experimental machines dedicated mainly to the study of the plasma physics. Therefore, tritium, in fusion reactors, will be produced in the so-called breeder blankets whose primary mission is to provide neutron shielding, produce and recover tritium and convert the neutron energy into heat. There are different concepts of breeding blankets that can be separated into two main categories: solids or liquids. The former are based on ceramics containing lithium as Li2O , Li4SiO4 , Li2TiO3 , Li2ZrO3 and Be, used as a neutron multiplier, required to achieve the required amount of tritium. The liquid concepts are based on molten salts or liquid metals as pure Li, LiPb, FLIBE or FLINABE. These blankets use, as neutron multipliers, Be or Pb (in the case of the concepts based on LiPb). Proposed structural materials comprise various options, always with low activation characteristics, as low activation ferritic-martensitic steels, vanadium alloys or even SiCf/SiC. Each concept of breeding blanket has specific challenges that will be studied in the experimental reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). However, ITER cannot answer questions associated to material damage and the effect of neutron radiation in the different breeding blankets functions and performance. As a reference, the first wall of a fusion reactor of 4000 MW will receive about 30 dpa / year (values for Fe-56) , while values expected in ITER would be <10 dpa in its entire lifetime. Consequently, the irradiation effects on candidate materials for fusion reactors will be studied in IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility). This thesis fits in the framework of the bilateral agreement among Europe and Japan which is called “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) where Spain plays a key role. These projects, complementary to ITER, are mainly IFMIF and the fusion facility JT-60SA. The purpose of this thesis is the design of an irradiation module to test candidate materials for breeding blankets in IFMIF, the so-called Liquid Breeder Validation Module (LBVM). This proposal is born from the fact that this option was not considered in the conceptual design of the facility. As a first step, in order to study the feasibility of this proposal, neutronic calculations have been performed to estimate irradiation parameters in different materials foreseen for liquid breeding blankets. Various functional materials were considered: Fe (base of structural materials), SiC (candidate material for flow channel inserts, SiO2 (candidate for antipermeation coatings), CaO (candidate for insulating coatings), Al2O3 (candidate for antipermeation and insulating coatings) and AlN (candidate for insulation coating material). For each material, the most significant irradiation parameters have been calculated (dpa, H/dpa and He/dpa) in different positions of IFMIF. These values were compared to those expected in the first wall and breeding zone of a fusion reactor. For this exercise, a HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) type was selected as it is one of the most promising options. In addition, estimated values were also compared with those obtained in a fast fission reactor since most of existing irradiations have been made in these installations. The main conclusion of this study is that the medium flux area of IFMIF offers a good irradiation environment to irradiate functional materials for liquid breeding blankets. The obtained ratios of H/dpa and He/dpa are very similar to those expected in the most irradiated areas of a fusion reactor. Moreover, with the aim of bringing the values further close, the use of a W moderator is proposed to be used only in some experimental campaigns (as obviously, the total amount of dpa decreases). The values of ratios obtained for a fission reactor, much lower than in a fusion reactor, reinforce the need of LBVM for IFMIF. Having demonstrated the suitability of IFMIF to irradiate functional materials for liquid breeding blankets, and an analysis of the main problems associated to each type of liquid breeding blanket, also presented in this thesis, three different experiments are proposed as basis for the design of the LBVM. These experiments are dedicated to the needs of a blanket HCLL type although the applicability of the module for other blankets is also discussed. Therefore, the experimental capability of the module is focused on the study of the behavior of the eutectic alloy LiPb, tritium permeation, corrosion and material compatibility. For each of the experiments proposed an experimental scheme is given explaining the different module conditions and defining the required instrumentation to control and monitor the experimental capsules. In order to carry out the proposed experiments, the LBVM is proposed, located in the medium flux area of the IFMIF hot cell, with capability of up to 16 experimental capsules. Each capsule (24-22 mm of diameter, 80 mm high) will contain the eutectic allow LiPb (up to 50 mm of capsule high) in contact with different material specimens. They will be supported inside rigs or steel pipes. Helium will be used as purge gas, to sweep the tritium generated in the eutectic and permeated through the capsule walls (continuously, during irradiation). These tubes, will be installed in a steel container providing support and cooling for the tubes and hence the inner experimental capsules. The experimental data will consist of on line monitoring signals and the analysis of purge gas by the tritium measurement station. In addition to the experimental signals, the module will produce signals having a safety function and therefore playing a major role in the operation of the module. For an adequate operation of the capsules and to control its temperature, each capsule will be equipped with an electrical heater so the module will to be connected to an electrical power supply. The technical justification behind the dimensioning of each of these parts forming the module is presented supported by tritium transport calculations, thermalhydraulic and structural analysis. One of the main conclusions of the tritium transport calculations is that the measure of the permeated tritium is perfectly achievable by commercial ionization chambers and proportional counters with sensitivity of 10-9 Bq/m3. The results are applicable to all experiments, even to low temperature capsules or to the ones using antipermeation coatings. From a safety point of view, the knowledge of the amount of tritium being swept by the purge gas is a clear indicator of certain problems that may be occurring in the module such a capsule rupture. In addition, the tritium balance in the installation should be known. Losses of purge gas permeated into the refrigerant and the hot cell itself through the container have been assessed concluding that they are negligible for normal operation. Thermal hydraulic calculations were performed in order to optimize the design of experimental capsules and LBVM to fulfill one of the main requirements of the module: to perform experiments at uniform temperatures between 300-550ºC. The necessary cooling of the module and the geometry of the capsules, rigs and testing area of the container were dimensioned. As a result of the analyses, cylindrical capsules and rigs in cylindrical compartments were selected because of their good mechanical behavior (stresses due to fluid pressure are reduced significantly with a cylindrical shape rather than prismatic) and thermal (temperature uniformity in the walls of the tubes and capsules). Fields of pressure, temperature and velocity in different critical areas of the module were obtained concluding that the proposal is feasible. It is important to mention that the use of fluid dynamic codes as ANSYS-CFX (used in this thesis) for designing experimental capsules for IFMIF is not direct. The reason for this is that, under strongly heated helium mini channels, turbulence models tend to underestimate the wall temperature because of the change of helium properties near the wall. Therefore, the different code turbulence models had to be studied in detail and validated against experimental results. ANSYS-CFX SST (Shear Stress Transport Model) for transitional turbulence model has been identified among many others as the suitable one for modeling the cooling helium and the temperature on the walls of experimental capsules. Once the geometry and the main purge and cooling parameters have been defined, the mechanical behavior of each experimental tube or rig including capsules is analyzed. Resulting stresses are compared with the maximum values recommended by applicable structural design codes such as the SDC- IC (Structural Design Criteria for ITER Components) in order to assess the degree of protection against plastic collapse. The conclusion shows that the proposal is mechanically robust. The LBVM involves the use of liquid metals, tritium and the risk associated with neutron activation. The risks related with the handling of liquid metals and tritium are studied in this thesis. In addition, the radiological risks associated with the activation of materials in the module and the residual heat after irradiation are evaluated, including a scenario of loss of coolant. Among the identified conventional risks associated with the module highlights the handling of liquid metals which reactions with water or air are accompanied by the emission of aerosols and fire probability. Regarding the nuclear risks, the generation of radioactive gases such as tritium or volatile radioisotopes such as Po-210 is the main hazard to be considered. An environmental impact associated to possible releases is not expected. Nevertheless, an appropriate handling of capsules, experimental tubes, and container including purge lines is required. After one day after shutdown and one year of irradiation, the experimental area of the module will present a contact dose rate of about 7000 Sv/h, 2300 Sv/h in the experimental capsules and 25 Sv/h in the LiPb. Therefore, the use of remote handling is envisaged for the irradiated module. Finally, the different possibilities for the module manufacturing have been studied. Among the proposed techniques highlights the electro discharge machining, brazing, electron beam welding or laser welding. The bases for the final design of the LBVM have been included in the framework of the this work and included in the intermediate design report of IFMIF which will be developed in future, as part of the IFMIF facility final design.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Trans arquitectura : imaginación, invención e individuación del objeto técnico arquitectónico : transferencia tecnológica desde la industria del transporte al proyecto arquitectónico (1900-1973)

Se presenta la tesis doctoral, titulada ‘TRANS Arquitectura. Imaginación, Invención e individuación del objeto tecnico arquitectónico. Transferencia tecnológica desde la Industria del Transporte al Proyecto de Arquitectura [1900-1973]'’, que aborda la relación entre la Arquitectura y el Objeto Técnico durante la Modernidad.1 La temática de la tesis gravita en torno a la cultura técnica, la cultura material y la historia de la Tecnología del siglo XX. Hipótesis Se sostiene aquí la existencia de unas arquitecturas que se definen como Objetos Técnicos. Para demostrarlo se estudia si éstas comparten las mismas propiedades ontológicas de los objetos técnicos. Industria y Arquitectura La historia de la Arquitectura Moderna es la historia de la Industria Moderna y sus instalaciones industriales, sus productos y artefactos o sus procedimientos y procesos productivos. Fábricas, talleres, acerías, astilleros, minas, refinerías, laboratorios, automóviles, veleros, aviones, dirigibles, transbordadores, estaciones espaciales, electrodomésticos, ordenadores personales, teléfonos móviles, motores, baterías, turbinas, aparejos, cascos, chassis, carrocerías, fuselajes, composites, materiales sintéticos, la cadena de montaje, la fabricación modular, la cadena de suministros, la ingeniería de procesos, la obsolescencia programada… Todos estos objetos técnicos evolucionan constantemente gracias al inconformismo de la imaginación humana, y como intermediarios que son, cambian nuestra manera de relacionarnos con el mundo. La Arquitectura, al igual que otros objetos técnicos, media entre el hombre y el mundo. Con el objetivo de reducir el ámbito tan vasto de la investigación, éste se ha filtrado a partir de varios parámetros y cualidades de la Industria, estableciendo un marco temporal, vinculado con un determinado modo de hacer, basado en la ciencia. El inicio del desarrollo industrial basado en el conocimiento científico se da desde la Segunda Revolución Industrial, por consenso en el último tercio del siglo XIX. Este marco centra el foco de la tesis en el proceso de industrialización experimentado por la Arquitectura desde entonces, y durante aproximadamente un siglo, recorriendo la Modernidad durante los 75 primeros años del siglo XX. Durante este tiempo, los arquitectos han realizado transferencias de imágenes, técnicas, procesos y materiales desde la Industria, que ha servido como fuente de conocimiento para la Arquitectura, y ha evolucionado como disciplina. Para poder abordar más razonablemente un periodo tan amplio, se ha elegido el sector industrial del transporte, que históricamente ha sido, no sólo fuente de inspiración para los Arquitectos, sino también fuente de transferencia tecnológica para la Arquitectura. Conjuntos técnicos como los astilleros, fábricas de automóviles o hangares de aviones, individuos técnicos como barcos, coches o aviones, y elementos técnicos como las estructuras que les dan forma y soporte, son todos ellos objetos técnicos que comparten propiedades con las arquitecturas que aquí se presentan. La puesta en marcha de la cadena móvil de montaje en 1913, se toma instrumentalmente como primer foco temporal desde el que relatar la evolución de numerosos objetos técnicos en la Primera Era de la Máquina; un segundo foco se sitúa en 19582, año de la creación de la Agencia Espacial norteamericana (NASA), que sirve de referencia para situar la Segunda Era de la Máquina. La mayoría de los objetos técnicos arquitectónicos utilizados para probar la hipótesis planteada, gravitan en torno a estas fechas, con un rango de más menos 25 años, con una clara intención de sincronizar el tiempo de la acción y el tiempo del pensamiento. Arquitectura y objeto técnico Los objetos técnicos han estado siempre relacionados con la Arquitectura. En el pasado, el mismo técnico que proyectaba y supervisaba una estructura, se ocupaba de inventar los ingenios y máquinas para llevarlas a cabo. Los maestros de obra, eran verdaderos ‘agentes de transferencia tecnológica’ de la Industria y su conocimiento relacionaba técnicas de fabricación de diferentes objetos técnicos. Brunelleschi inventó varia grúas para construir la cúpula de Santa Maria dei Fiori (ca.1461), seguramente inspirado por la reedición del tratado de Vitruvio, De Architectura (15 A.C.), cuyo último capítulo estaba dedicado a las máquinas de la arquitectura clásica romana, y citaba a inventores como Archimedes. El arquitecto florentino fue el primero en patentar un invento en 1421: una embarcación anfibia que serviría para transportar mármol de Carrara por el río Arno, para su obra en Florencia. J. Paxton. Crystal Palace. London 1851. Viga-columna. Robert McCormick. Cosechadora 1831. 2ª patente, 1845. La Segunda Revolución Industrial nos dejó un primitivo ejemplo moderno de la relación entre la Arquitectura y el objeto técnico. El mayor edificio industrializado hasta la fecha, el Crystal Palace de Londres, obra de Joseph Paxton, fue montado en Londres con motivo de la Gran Exposición sobre la Industria Mundial de 1851, y siempre estará asociado a la cosechadora McCormick, merecedora del Gran Premio del Jurado. De ambos objetos técnicos, podrían destacarse características similares, como su origen industrial, y ser el complejo resultado de un ensamblaje simple de elementos técnicos. Desde la entonces, el desarrollo tecnológico ha experimentado una aceleración continuada, dando lugar a una creciente especialización y separación del conocimiento sobre las técnicas antes naturalmente unidas. Este proceso se ha dado a expensas del conocimiento integrador y en detrimento de la promiscuidad entre la Industria y la Arquitectura. Este es, sin lugar a dudas, un signo consustancial a nuestro tiempo, que provoca un natural interés de los arquitectos y otros tecnólogos, por las transferencias, trans e inter-disciplinareidades que tratan de re-establecer los canales de relación entre los diferentes campos del conocimiento. La emergencia de objetos técnicos como los vehículos modernos a principios del siglo XX (el automóvil, el trasatlántico, el dirigible o el aeroplano) está relacionada directamente con la Arquitectura de la Primera Era de la Máquina. La fascinación de los arquitectos modernos por aquellas nuevas estructuras habitables, se ha mantenido durante más de un siglo, con diferente intensidad y prestando atención a unos objetos técnicos u otros, oscilando entre el dominio del valor simbólico de los vehículos como objetosimágenes, durante el periodo heroico de la Primera Era de la Máquina, y la mirada más inquisitiva durante la Segunda, que perseguía un conocimiento más profundo de la organización de los mismos y del sistema técnico en el que estaban incluidos. La relación homóloga que existe entre arquitecturas y vehículos, por su condición de estructuras habitables, es algo de sobra conocido desde que Le Corbusier utilizara aquellas imágenes de barcos, coches y aviones para ilustrar su manifiesto Vers une architecture, de 1923. Los vehículos modernos han sido los medios con los que transmitir los conceptos que ansiaban transformar las propiedades tradicionales de la Arquitectura, relativas a su factura, su habitabilidad, su duración, su funcionalidad o su estética. Destaca particularmente el caso del automóvil en las décadas de los años 30 y 50, y los vehículos del programa espacial en las décadas de los 60 y 70. El conocimiento y la documentación previa de estos hechos, fueron un buen indicio para identificar y confirmar que el sector industrial del transporte, era un especialmente trascendente y fértil proveedor de casos de transferencia tecnológica para la Arquitectura. La tradición Moderna inaugurada por Le Corbusier en los años 20, ha sido mantenida y defendida por una multitud de arquitectos modernos como Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames o Craig Ellwood, cuyo trabajo, animado por el legado de anteriores tecnólogos como Bucky Fuller o Jean Prouvé, fue fundamental y referencia obligada para la siguiente generación de arquitectos como Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean Kaplicky o Richard Horden, entre otros. Todos ellos han contribuido a engrosar el imaginario del objeto técnico, aportando sus obras arquitectónicas. Estos arquitectos que aparecen repetidamente en el discurrir de la tesis, pertenecen a un mismo linaje, y son agrupados según una estructura ‘genealógica’, que se ha denominado ‘Estirpe Técnica’. Unidos por intereses comunes y similares enfoques o actitudes ante el proyecto de arquitectura, entendida como objeto Técnico, han operado mediante la práctica de la transferencia tecnológica, sin limitarse a las técnicas compositivas propias de la disciplina arquitectónica. Durante la investigación, se ha recopilado una selección de menciones explícitas -hechas por arquitectos- sobre otros objetos técnicos para referirse a la Arquitectura, mostrando las constantes y las variaciones de sus intereses a lo largo del siglo, lo que nos ha llevado a conclusiones como por ejemplo, que los conjuntos técnicos (fábricas de zepelines, aviones, automóviles o trasatlánticos) eran tomados por los arquitectos de la primera Modernidad, como un modelo imaginario, formal y compositivo, mientras que los de la Segunda Era de la Máquina los tomaban como modelo espacial y organizativo para la arquitectura. La mencionada estirpe de tecnólogos incluye líneas de descendencia conocidas, como: EiffelSuchovBehrens GropiusMiesLeCorbusierLodsProuve, en la Europa continental, o una rama británica como: LoudonPaxtonWilliamsStirlingGowan SmithsonsPriceArchigramFosterRogersPiano KaplickyHorden. También podemos encontrar conexiones intercontinentales como Fuller EamesRudolphFosterRogers, o ramificaciones menos previsibles como: LeRicolaisKahn PianoKaplicky, o LeCorbusierFreyLacaton Vassal… Seguramente muchos más merecerían incluirse en esta lista, y de hecho, la tesis asume la imposibilidad de incluirlo todo (por motivos prácticos) aunque contempla la posibilidad de ser ampliada en un futuro. Con lo aquí incluido, se pretende mostrar la continuidad en los enfoques, planteamientos y técnicas de proyectos aplicadas, de los que podemos deducir algunas conclusiones, como por ejemplo, que en los periodos inmediatamente posteriores a las dos Guerras Mundiales, aumentó la intensidad de aportaciones de nuevas imágenes de vehículos, al imaginario del objeto técnico utilizado por los arquitectos, a través de publicaciones y exposiciones. Hoy, cien años después de que Ford pusiera en marcha la cadena móvil de montaje, aún encontramos viva esta tradición en las palabras de un arquitecto, Richard Horden, cuyo trabajo porta consigo –como la información embebida en los elementos técnicos- toda una cultura técnica de una tradición moderna. Horden representa uno de los exponentes de la que he denominado estirpe de tecnólogos. Es por ello que he querido concluir la tesis con una entrevista, realizada en Mayo de 2015, en su estudio de Berkeley Square en Londres (ver Apéndices). Guías Para el desarrollo de la presente tesis, se ha tomado, como principal obra de referencia, otra tesis, titulada El modo de existencia de los objetos técnicos, leída y publicada en 1958 por el filósofo francés Gilbert Simondon [1924-89], dedicada a la ontología del objeto técnico. Esta obra enmarca el enfoque intelectual de la tesis, que entronca con la fenomenología, para movilizar una visión particular de la Arquitectura, a la que sirve como modelo de análisis ontológico para estudiar sus procesos de génesis, invención e individuación. Para el desarrollo de éstos, se ha utilizado como complemento bibliográfico, otra obra del mismo autor, titulada Imaginación e invención 1965-66. En cuanto a las fuentes historiográficas disciplinares, se ha elegido utilizar a Reyner P. Banham [1922-1988] y a Martin E. Pawley [1938-2008] como guías a través de la arquitectura del siglo XX. Sus crónicas sobre la Primera y Segunda Era de la Máquina3 y su obra crítica, han servido como índices desde los que reconstruir el imaginario del objeto técnico moderno, y del que aprovisionarse de proyectos y obras de Arquitectura como casos de estudio para la tesis. Estas obras han servido además como índices de otra bibliografía, que ha sido complementaria a la de éstos. Objetivos de la Tesis El principal objetivo de la tesis es demostrar la hipótesis: si una obra de arquitectura puede ser considerada un objeto técnico y bajo qué condiciones, construyendo un criterio que permita reconocer cuándo una obra de Arquitectura responde a la definición de objeto técnico. Otro objetivo es demostrar la importancia y potencia de la Transferencia tecnológica en el proceso evolutivo de la Arquitectura, y para ello se presentan ejemplos de una metodología de proyecto por ensamblaje, que Martin Pawley denominaba ‘Design by Assembly’. También es un objetivo el de reconstruir un Atlas del Imaginario del objeto técnico moderno, con el fin de conocer mejor las causas, razones y finalidades que llevaron a los arquitectos modernos a perseguir una arquitectura como objeto técnico. Este Atlas permite relacionar panópticamente los distintos objetos técnicos entre sí, revelando la verdadera importancia y trascendencia de aquéllos y las arquitecturas con las que se relacionan. En él, las arquitecturas vuelven a situarse en el contexto más extenso y complejo de la industria y la historia de la tecnología, al que siempre pertenecieron. De este modo, éstas son capaces de desvelar todo el conocimiento -en forma de información- que portan en su propio código ‘genético’, desplegando capítulos completos de cultura tecnológica, tan antigua como la Humanidad y en constante y creciente evolución. Estructura de la tesis Tras una Introducción en la que se presentan algunos de los conceptos principales que se instrumentalizan en la tesis sobre la ontología Simondoniana del objeto técnico y sobre la transferencia tecnológica aplicada al proyecto de Arquitectura, el texto principal de la tesis consta de tres partes: La primera se dedica a la Imaginación, una segunda parte a la Invención y una tercera a Individuación o evolución del objeto técnico. Se termina con una Discusión de la tesis y un apartado de Conclusiones. En la Introducción al objeto técnico, éste se define ontológicamente y se distinguen sus diferentes categorías (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Se explica el proceso de génesis del objeto técnico y sus fases de imaginación, invención e individuación. También se presentan los conceptos de transducción, tecnicidad y sistema técnico, fundamentales para entender el concepto de transferencia tecnológica que se desarrollará después. La concretización, explica el modo particular de individuación y evolución de los objetos técnicos, un proceso por el que las diferentes partes de un objeto técnico, se integran y tienden hacia la propia convergencia. Aquí se comprueba la efectividad del concepto simondoniano de Transducción, como señal o información transmitida y transformada, y se relaciona con la Transferencia Tecnológica - un proceso sinergético, por el que un sector industrial se beneficia del desarrollo de otro sector- a la que se han referido explícitamente arquitectos e historiadores para explicar sus obras, durante la Segunda Era de la Máquina, y que es determinante para el desarrollo de la Industria. La transferencia tecnológica sería la transmisión del conjunto de conocimientos sobre la técnica, que incluyen su esfera fáctica, pero también la esfera sensible de la experiencia. En su aplicación a la arquitectura, las transferencias se han clasificado según tres tipos: Eidéticas, Tectónicas, Orgánicas. En la primera parte dedicada a la Imaginación del objeto técnico arquitectónico se realiza una reconstrucción ‘arqueológica’ –y parcial- del imaginario del objeto técnico moderno, con la intención de conocer mejor su génesis y la relación con otros objetos técnicos. Las fuentes de ese imaginario se buscan en las instalaciones de la Industria de principios de siglo XX, en particular en las fábricas de vehículos, con la finalidad de comprobar hasta qué punto, esos objetos técnicos fueron importantes para imaginar la Arquitectura moderna. La reconstrucción se continúa hasta la Segunda Era de la Máquina, cuando una nueva mirada más inquisitiva y precisa, se dirige a otras fábricas, vehículos y componentes, interesándose por sus cualidades materiales y organizativas. Transferencias Eidéticas, que operan desde un conocimiento intuitivo y son útiles para transmitir información sobre la esencia de un objeto técnico que sirve de fuente. Conceptos abstractos se transmiten por medio de las imágenes—objeto, para producir una transformación en su equivalente arquitectónico. Fruto de la investigación, se han detectado un grupo de conceptos que han sido objeto de transferencias tecnológicas de naturaleza eidética, provenientes del imaginario del objeto técnico moderno: FABRICADO, HABITABLE, FUNCIONAL, EFICIENTE, OBSOLESCENTE y BELLO. En la segunda parte dedicada a la Invención del objeto técnico arquitectónico, las transferencias también pueden ser Tectónicas, cuando lo que se transmite es una técnica constructiva o estructural aplicada mediante MATERIALES artificiales (como los metales, los composites como el ferrocemento, y el plywood, o las aleaciones como el aluminio) o mediante el ensamblaje de ESTRUCTURAS o partes componentes de otro objeto técnico, (como cascos, fuselajes, carrocerías o aparejos) y tiene como resultado la invención de un nuevo objeto técnico arquitectónico. En la tercera parte dedicada a la individuación, se abordan las transferencias ORGÁNICAS, lo que se transfiere es una técnica organizativa, aplicada a través de PROCEDIMIENTOS que definen la actividad del arquitecto como tecnólogo e inventor de objetos técnicos. Estos procedimientos tienen un efecto transformador en tres instituciones tradicionales para la Arquitectura: la Escuela, el Estudio y la Obra, y sus resultados se resumen en nuevos modelos de organización de la Educación de la Arquitectura, con la aparición de los Talleres de proyectos; nuevos modelos de organización del ejercicio de arquitecto: la Oficina técnica; nuevos modelos de organización del espacio, basados en la organización espacial de la Industria, que da lugar a patrones o Matrices espaciales; un nuevo modelo de organización del proyecto, que utiliza las herramientas gráficas de la industria y el ensamblaje como metodología; y un nuevo modelo de producción arquitectónica, basado en la Industrialización. Tras explicar los conceptos y la génesis del ensamblaje y el montaje, se presenta el proyecto por ensamblaje (Design by assembly) como un método que promueve la invención arquitectónica. Se demuestra utilizando algunos casos analizados en la tesis, en los que se ha realizado alguna transferencia conceptual, constructiva u organizativa. Tras analizar las arquitecturas estudiadas en la tesis, se ha utilizado el método genético propuesto por Simondon para comprender cada evolución particular, reconstruyendo las líneas genealógicas hasta sus ancestros, e identificando una serie de linajes genéticos, que corresponderían con los conjuntos técnicos estudiados en la tesis: el astillero, la fábrica de coches, y la fábrica de aeronaves: los Ancestros de la Modernidad. Los sistemas de organización espacial de estos conjuntos técnicos, están directamente relacionados con el objeto técnico que se produce en él. A partir de ellos se definen una serie de matrices operativas (MILL, SHOP, SHED), que sirven para hacer una taxonomía del objeto técnico arquitectónico. Esto se ejemplifica con algunos proyectos de Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean Kaplicky y Richard Horden. Tesis: Comprobación de la hipótesis Simondon definía ontológicamente el Objeto técnico como aquello de lo que existe génesis y que desarrolla una tendencia hacia la solidaridad y unidad. Para que una Arquitectura pueda ser reconocida como un Objeto técnico, se deben dar una serie de condiciones, en las sucesivas fases que intervienen en su modo de existencia: Imaginación. Estas arquitecturas remiten a un imaginario protagonizado por imágenes-objeto de otros objetos técnicos (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Esas imágenes-objeto vehiculizan una transferencia eidética de los objetos técnicos que simbolizan. Invención. Estas arquitecturas son el resultado de transferencias tectónicas, que se producen durante el proceso de proyecto, mediante el ensamblaje de materiales, componentes o procedimientos, utilizados en la industria para la producción de otros objetos técnicos. Individuación. Estas arquitecturas evolucionan y se individualizan por concretización, un proceso por el que los objetos técnicos se organizan para seguir su tendencia hacia la integración de sus partes, con el fin de alcanzar la convergencia de funciones en una única estructura. Esta integración tiende hacia la naturalización del objeto técnico, mediante la inclusión simbiótica de sus medios naturales asociados. En este caso, veremos cómo se ha producido transferencias orgánicas, o lo que es lo mismo, cómo los objetos técnicos –en el nivel de los conjuntos técnicos- se han tomado como modelo de organización por la arquitectura. Tras comprobar que de ellas existe una génesis, que evoluciona por las fases de imaginación e invención y concretización, se analiza su imaginario, su materialidad, sus estructuras y su organización, con el fin de detectar patrones y principios organizativos comunes a otros objetos técnicos. Interés de la tesis Desde el comienzo del nuevo siglo, diversos autores han demostrado un renovado interés por definir qué es el proyecto, qué lo constituye para qué sirve. Las aproximaciones al tema provienen de la filosofía analítica (Galle, 2008) o de la filosofía de la tecnología (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) y a menudo versan sobre la relación entre diseño y la cultura material (Dorschel 2003, Boradkar 2010 o Preston 2012). Es importante indicar el reciente y también creciente interés suscitado por la obra del filósofo francés, Gilbert Simondon [1924-1989], reconocida por su importante contribución a la filosofía de la técnica y la fenomenología, y por la influencia en el pensamiento de filósofos como Gilles Deleuze, autor presente en multitud de tesis doctorales e investigaciones teóricas llevadas a cabo en las principales escuelas de Arquitectura de todo el mundo desde los años 90 hasta el presente. La reedición y traducción de la obra de Simondon (ing. 1980, esp. 2008) ha recibido la atención de filósofos actuales como Paolo Virno, Bruno Latour o Bernard Stiegler, que siguen recurriendo a su estudio y análisis para avanzar en su pensamiento, estando por tanto presente en el debate contemporáneo sobre la técnica. Tras su reciente traducción al español, el pensamiento de Simondon ha despertado un gran interés en América Latina, como demuestra la organización de varios congresos y simposios, así como la proliferación de publicaciones en torno a su obra y pensamiento. Las futuras traducciones del resto de sus principales obras, asegurarán una introducción cada vez mayor en la comunidad académica. Se ha procurado presentar una mirada alternativa de la Historia de la Arquitectura Moderna, utilizando como guía a un cronista como Reyner Banham. La Era de la Máquina se ha cruzado con la Mecanología y el “vitalismo técnico” de Simondon, obteniendo como resultado una interpretación fresca, renovada y optimista de algunas de las más importantes obras de Arquitectura del siglo XX, que seguro contribuirán al desarrollo de la del siglo XXI, inmerso ya en el cambio de paradigma hacia la sostenibilidad y la ecología. ABSTRACT 'TRANS architecture. Imagination, invention and technical individuation of the architectural technical object. Technology transfer from the Transport Industry to Architectural Design [1900- 1973]' is a thesis dealing with the relationship between Architecture and the Technical Object during Modernity5. The theme of the thesis revolves around the technical culture, material culture and the history of twentieth-century technology. Hypothesis Held here is the existence of some architectures defined as technical objects. A study has been developed to prove if those architectures share the ontological properties of a technical object. Industry and Architecture The history of Modern Architecture is also the history of modern industry and its facilities, its products and devices, its procedures and production processes. Factories, workshops, steel mills, shipyards, mines, refineries, laboratories, cars, yachts, airplanes, airships, shuttles, space stations, home appliances, personal computers, mobile phones, motors, batteries, turbines, rigs, hulls, chassis, bodies, fuselages , composites and synthetic materials, the assembly line, modular manufacturing, the supply chain, process engineering, the planned obsolescence ... All these technical objects are constantly evolving thanks to the inconsistency of the human imagination and, as our intermediates, keep changing our way of relating and being in the world. Architecture, alike other technical objects, mediates between man and the World. In order to frame the vast field of the research, it has been filtered according to various parameters and qualities of Industry, establishing also a time frame which is related to a particular science-based way of making. The start of an industrial development, based on scientific knowledge is given from the Second Industrial Revolution -by consensus on the last third of the nineteenth century. This frame puts the focus of the thesis in the process of industrialization experienced by the Architecture of at least one century, and tours through Modernity during the first 75 years of the twenieth century. During this time, architects have made transfers of images, techniques, processes and materials from Industry, serving as a source of knowledge and thus allowing Architecture to evolve as a discipline. To reasonably address the enormous scope of the thesis, the industrial sector of transportation has ben chosen. It is not only a historical source of inspiration for architects, but also a traditional source of technology transfer for Modern Architecture. Technical sets such as shipyards, automobile factories or aircraft hangars, technical individuals as boats, cars or planes, and technical elements like the structures shaping and supporting them, are all technical objects which share properties with the architectures here presented. The launch of the moving assembly line in 1913, is instrumentally taken as a first time focus, from which to describe the evolution of many technical objects in the First Machine Age; a second focus could be found in 19586, year of the creation of the North American Space Agency (NASA), serving as a reference to the Second Machine Age. Most architectural technical objects used to test the hypothesis, gravitate around this second focus, in a range of plus or minus 25 years, with a clear intention to synchronize the time for action and time of thought. Architecture and Technical Object Technical objects have always been related to Architecture. In the past, the same technician who planned and oversaw a building structure, invented the devices and machines to carry them out. The foremen were the true 'technology transfer agents' from Industry. Their knowledge naturally related different manufacturing techniques to make diverse technical objects. Brunelleschi invented various cranes to build the dome of Santa Maria dei Fiori in Florence (ca.1461). Probably inspired by the reedition of Vitruvius’ treaty De Architectura (15 BC), whose last chapter was dedicated to the machines of classical Roman architecture and quoted inventors as Archimedes, the florentine architect was the first to patent an invention in 1421: an amphibious craft serving as a means of transportation for Carrara marble along the Arno river. At the daw of the Second Industrial Revolution, whose development was based on the scientific knowledge, we find a primitive modern example of the relationship between Architecture and a Technical Object: The Crystal Palace, built in London for the Great Exhibition of 1851 World Industry and designed by Joseph Paxton, was the largest to date industrialized building, and it will be always associated with the McCormick Reaper, worthy of the Grand Jury’s Prize. Similar characteristics could be emphasized of both technical objects, such as their industrial origin and for being be the complex result of a simple assembly of technical elements. Since then, technological development has experienced a continued acceleration, resulting in an increasing specialization and separation of knowledge about techniques which were naturally attached in the past. This process has happened at the expense of an integrative knowledge and against promiscuity between Industry and Architecture. This is, undoubtedly, an inherent sign of our time, which causes the natural and interest of architects and other technicians about transfers, trans-disciplinarity and inter-disciplinarity, as a reaction to reestablish channels of relationships between these different fields of knowledge. The emergence of technical objects as modern vehicles in the early twentieth century (the car, the Ocean liner, the airship or the airplane) is directly related to the Architecture of the First Machine Age. Modern architects’ fascination for those new ‘inhabitable’ structures has been maintained for over a century, with different intensity and paying attention to one and other technical objets, ranging from the domain of the symbolic value of the vehicles as objectsimages, during heroic period of the First Machine Age, to the more inquisitive glance characterizing the Second Machine Age, which sought a deeper understanding of the organization of such objects and the technical system to which they belonged. The periods immediately following both World Wars, showed a concentrated effort to bring new images of vehicles to the imaginary of architects, by means of publications and exhibitions. The homologous relationship between architectures and vehicles, in their capacity as living structures, is something well known since Le Corbusier used the images of cars, boats and airplanes to illustrate his manifesto, Towards an architecture in 1923. Modern vehicles have been the means by which to convey the concepts eager to transform the traditional attributes of Architecture: those relating to its manufacture, habitability, duration, functionality or aesthetics. The automobile stands out during the 30s and 50s, and the new vehicles of the Space Program satnd in the 60s and 70s. The prior knowledge and documentation of these events were a good indication to identify the industrial sector of Transportation as one of especial importance and as a fertile provider of technology transfer cases for Architecture. The Modern tradition, inaugurated by Le Corbusier in the 20s, has been maintained and defended by a host of modern architects like Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames and Craig Ellwood, whose work - inspired by the legacy of previous technologists as Bucky Fuller or Jean Prouvé- was fundamental and a mandatory reference for the next generation of architects like Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean and Richard Horden Kaplicky, among others. They have all contributed to increase the imaginary of the technical object, adding to it their architectural works. In the passage of the thesis, we repeatedly find a number of architects, who have been grouped according to a 'genealogical' structure, which has been called 'Technical Lineage'. Gathered by common interests and similar views or attitudes to the architectural design, understood as a technical object, they have operated through the practice of technology transfer, without limiting itself to specific compositional techniques of the architectural discipline. During the investigation, a selection of explicit references made by those architects, about other technical objects referring to their Architecture, has been compiled, showing constants and variations in their interests throughout the century, which has led to conclusions such as, having technicians sets (zeppelins factories, airships factories, car factories and shipyards) been taken by the architects of the first Modernity, as their main formal, compositional and imaginary models, while the Second Machine Age had taken them as a spatial and organizational model for their architecture. The above mentioned lineage of technologists includes weel-known ‘seed lines’ as: Eiffel- Suchov-Behrens, Gropius-Mies-LeCorbusier- Lods-Prouve, in continental Europe; British branches as Loudon-Paxton-Williams-Stirling- Gowan-Smithsons-Price-Archigram-Foster- Rogers-Piano-Kaplicky-Horden. And we could also find intercontinental connections as Fuller- Eames-Rudolph-Foster-Rogers, or other less predictable ramifications as LeRicolais-Kahn Piano-Kaplicky, or LeCorbusier-Frey-Lacaton & Vassal... Many more would surely deserve to be included in this list, and indeed, the thesis assumes the impossibility of including them all (for practical reasons) and even contemplates possible future extensions. The material included herein is to demonstrate the continuity in the approaches, statements and in the applied architectural design techniques, from which we can draw some conclusions. Today, one hundred years after Ford put up the moving assembly line, we still find this tradition alive in the words of the architect Richard Horden, whose work carries with it –as with the information embedded in every technical element- the whole techncial culture of a modern tradition. Horden is represented here as one of the exponents of what I have called the lineage of technologists. That is why I wanted to conclude the thesis with an interview to Richard Horden, held in May 2015 in his studio in London's Berkeley Square (see Appendices). Guides For the development of this thesis, another thesis, entitled: The mode of existence of technical objects, is taken as the main reference work. Read and published in 1958 by the French philosopher Gilbert Simondon [1924- 1989], it was dedicated to the ontology of the technical object. This work frames the intellectual approach of the thesis, which connects with phenomenology to mobilize a particular vision of Architecture. It is used as a model of ontological analysis to study its genesis, invention and evolutionary processes. To develop these, another work by the same author, titled Imagination and Invention (1965- 1966) has been used as a bibliographical complement. As for the disciplinary historical sources, Reyner P. Banham [1922-1988] and Martin E. Pawley [1938-2008] have been chosen as guides through the modern Architecture of the twentieth century. Their cronical reports on the First and Second Machine Age and their critical works have served as an index from which to reconstruct the imaginary of the modern technical object in the Machine Age7, and to stock up on projects and works of architecture, used as case studies for the thesis. These works have also been used as triggers for other literatures, which has been complementary to the former. Objectives of the Thesis The main objective of the thesis is to prove its hypothesis: if a work of architecture can be considered a technical object and under what conditions, building then a criterion for recognizing when a work of architecture meets the definition of a technical object. Another aim is to demonstrate the importance and power of Technology Transfer in the evolutionary process of Architecture, and to do it, some examples of a methodology for architectural design that Martin Pawley called 'Design by Assembly' are presented. It is also an objective to reconstruct an Atlas of the imaginary of the modern technical object, in order to better understand the causes, reasons and purposes that led modern architects to pursue architecture as a technical object. This Atlas allows to panoptically relate the various technical objects, revealing the true importance and significance of those and the architecture with whom they interact. Architectures are again at the largest and most complex industrial context and the history of technology, which always belonged. Thus, they are able to reveal all the knowledge-in the shape of information-carried in their own 'genetic' code, displaying full chapters of technological culture as old as mankind and constantly growing and evolving. Thesis: Proving the Hypothesis Simondon ontologically defined the technical object as ‘that of which genesis exists’ and that develops ‘a tendency towards solidarity and unity’. For an architecture to be recognized as a technical object, a number of conditions should be given, in the successive phases involved in their mode of existence: Imagination. These architectures refer to an imaginary featuring images-object other technical objects (technical sets, technical individuals and technical elements). These images are the means to an eidetic transfer of the technical objects which they symbolize. Invention. These architectures are the result of tectonic transfers, which occur during the architectural design process, by assembling materials, components or procedures used in industry for the production of other technical objects. Individuation. These architectures evolve and are individualized by ‘concretization’, a process leading to the full integration of its parts and aiming the full convergence of its functions into a single structure. This integration tends towards the naturalization of the technical object, by means of a symbiotic incorporation of their associated milieus. After checking if there is a genesis of them, which evolves through the phases of imagination and invention and concretization, their imaginary, materiality, structure and organization are analyzed in order to detect patterns and common organizational principles to other technical objects counterparts. Structure The main text of the thesis consists of three parts. Before there is an Introduction to the main concepts that are exploited in the thesis on ontology Simondonian technical object, and technology transfer applied to Architecture. Then a first part covers the Imaginary of the modern technical object, a second part is dedicated to the Invention and a third part to the individuation process The thesis ends with a section for the Discussion and the Conclusions. The Introduction to the technical object, this is ontologically defined and its different categories are distinguished. The process of genesis of the technical object and the phases of imagination, invention and indivuation are explained. Concepts as Transduction, Technicality and Technical system are presented for being fundamental to understand the concept of Technology Transfer that will take place later. The concretization is explained as the particular mode of individuation and evolution of technical objects, a process by which the different parts of a technical object, are integrated and begin a tendency towards a convergence in itself. The first part, dedicated to the Imagination of the architectural technical object presents a parcial "archaeological" reconstruction the imaginary of the modern technical object, intended to better understand its genesis and the relationship with other technical objects. The imaginary sources are searched in the premises of the Industry of the early twentieth century, and particularly in the factories of modern vehicles, in order to see, to what extent these technical objects were important to imagine modern architecture. The reconstruction is continued until the Second Machine Age, when a new, more inquisitive and precise gaze turns to other factories, other vehicles and other components and materials, inquiring now about their organizational qualities. The second part is devoted to the Invention of the architectural technical object. The effectiveness of the simondonian concept of Transduction is checked: a transmitted and transformed sign or information, which relates to Technology Transfer, a synergetic process by which an industrial sector benefits from the development of another sector, to which some architects and historians have explicitly referred to explain their works during Machine Age, and which is crucial for the development of the industry. Technology transfer would be the transmission of a set of information or knowledge about technique, including the factual sphere of technique, but also the sensitive sphere of experience. In their application to Architecture, these transfers have been classified according to three types: Eidetic, Tectonic and Organic. Eidetic Transfers operate from an intuitive knowledge and are useful for transmitting information about the essence of the technical object serving as a source. Abstract concepts are transmitted through the object-images to produce an equivalent transformation in Architecture. A group of concepts that have been the subject of technology transfers of eidetic nature, and have been originated in the imaginary of the modern technical object, have been detected as a result of the research: FABRICATED, INHABITABLE, FUNCTIONAL, EFFICIENT, OBSOLESCENT, and BEAUTIFUL. The transfers can also be Tectonic when, that which is transferred is a constructive or structural technique, applied through artificial MATERIALS such as metals, composites as the ferrocement, or plywood, or alloys such as aluminum; or by means of the assembly of STRUCTURES or parts of other technical objects such as hulls, fuselages, car bodies or rigs, resulting in the invention of a new architectural technical object. In the case of ORGANIC transfers, what is transferred is an organizational technique, applied by means of a set of PROCEDURES defining the activity of the architect as a technologist and inventor of technical objects. These procedures have a transformative effect on three traditional institutions for Architecture: the School, the Atelier and the Work, and the results are summarized in new models of organization of the Education of Architecture, with the onset of the Architectural Design Studios or workshops; new models of organization of the practice of architect: the technical office; and new models of space organization, based on the spatial organization of the industry, resulting in spatial patterns or spatial matrices; a new model of organization of the project, which uses graphical tools and industrail protocols as the assembly as a methodology; a new model of architectural production based on the industrialization. After explaining the concepts and the genesis of assembly and montage, Design by assembly is presented as a method that promotes architectural invention, and is shown using some case studies analyzed in the thesis, in which there has been made some conceptual, constructive or organizational transfer. After analyzing the architectures studied in the thesis, genetic method proposed by Simondon was used to understand every particular evolution, reconstructing their genealogical lines up to their ancestors, identifying a series of genetic lineages, which correspond to the technical sets studied in the thesis : the shipyard, the car factory, and aircraft factory. The real ancestors of Modernity. The spatial organization systems of these technical sets are directly related to the technical object that is fabricated within them. From that point, a number of operational matrices are defined (MILL, SHOP, SHED) and used to make a taxonomy of the architectural technical object. This is exemplified by some projects by architects as Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean and Richard Horden Kaplicky. Interest of the thesis Since the beginning of the new century, several authors have shown a renewed interest in defining what a project is, how it is constituted and what it is for. The approaches to the subject are brought from analytic philosophy (Galle, 2008) or from the philosophy of technology (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) and they often speak about the relationship between design and material culture (Dorschel 2003, 2010 or Preston Boradkar 2012). It is also important to note the recent and growing interest in the work of French philosopher Gilbert Simondon [1924-1989], mainly known for its important contribution to the philosophy of technology and phenomenology of the technical object, and the influence on the thinking of contemporary philosophers as Paolo Virno, Bruno Latour or Gilles Deleuze, being the latter a author present in many doctoral theses and theoretical research conducted at major architecture schools around the world since the 90s to the present. The republication and translation of the work of Simondon (eng. 1980, spn. 2008) has received the attention from current philosophers such as Bernard Stiegler who continues to use its study and analysis to advance his thinking, thus being present in the contemporary debate about the technique. After its recent translation into Spanish, the thought of Simondon has aroused great interest in Latin America, as evidenced by the organization of various conferences and symposia, as well as the proliferation of publications about his work and thought8. Future translations of the rest of his major works, will ensure increased introduction in the academic community. Efforts have been made to present an alternative view of the History of Modern Architecture, using a reporter as Reyner P.Banham as a guide. The Machine Age intersects Simondon’s mechanology and his "technical vitalism", resulting in a fresh, renewed and optimistic interpretation of some of the most important works of Architecture of the twentieth century, which will surely contribute to the development of this century’s Architecture, already immersed in the paradigm shift towards sustainability and ecology.

Análisis computacional del comportamiento termo-mecánico de materiales con aplicación a la industria automotriz

Para la supervivencia de cualquier industria en un mercado cada vez más competitivo resulta esencial mejorar la calidad del producto y reducir costos. Como parte de esa tendencia, el proceso de diseño, tanto de bienes como de procesos de manufactura, debe ser confiable e insumir el menor tiempo posible para permitir agilidad y eficacia en los cambios y las innovaciones que requiere el mercado. Es necesario abandonar los procesos de desarrollo basados en largas y costosas secuencias de prueba y error y reemplazarlos por procedimientos más cortos y eficientes. Las herramientas informáticas y los modelos computacionales han contribuido en gran medida a lograr dicho objetivo. Estos métodos son cada vez más utilizados en industrias tan importantes como la automotriz o la de maquinaria y equipamiento agrícola, ambas de relevante importancia en la actividad económica de nuestra provincia. En las mencionadas industrias, con la intención de mejorar las prestaciones del producto, de reducir costos de mantenimiento para igual prestación y, sobre todo, con el objetivo de disminuir el peso total del vehículo, factor importante en relación con el ahorro de combustible, es habitual la sustitución de algunos materiales tradicionalmente utilizados por otros con mejor relación prestación/costo y prestación/peso. Dentro de este grupo de nuevos materiales que se emplean en la industria automotriz se encuentran los compuestos, las aleaciones ligeras y la fundición dúctil, los cuales han estado substituyendo al acero o a la fundición gris en algunas piezas. La meta de esta investigación es generar modelos computacionales multiescala de: a) el proceso de tratamiento térmico de austemperizado de la fundición dúctil, b) el comportamiento mecánico de elementos de fundición dúctil y c) el comportamiento mecánico de material compuesto de matriz epoxi y fibra de vidrio con daño higrotérmico. Se usarán simulaciones acopladas de meso y macromecánica. El principal postulado es que la representación de la mesomecánica del material acoplada a la macromecánica conduce a resultados que mejoran las predicciones con respecto a modelos planteados sólo a nivel macroscópico. El dominio macroscópico se representará con elementos finitos y en ese nivel se resolverán problemas térmicos y mecánicos. En la mesoescala se emplearán leyes fenomenológicas para el aspecto metalúrgico del austemperizado y elementos finitos para el análisis del comportamiento micromecánico de la fundición dúctil y del material compuesto. Los productos resultantes de la investigación serán software y metodologías que puedan ser utilizadas en la mejora del diseño de piezas de fundición dúctil y de materiales compuestos y en el ajuste del tratamiento de austemperizado de la fundición dúctil que permita obtener la microestructura requerida. Desde un punto de vista académico y en relación con la temática planteada en el proyecto, tres integrantes llevarán a cabo sus estudios doctorales y se publicarán resultados en revistas internacionales

Verdigrís, pigmento histórico de cobre: estudio de su composición y color a partir de reproducciones de antiguas recetas

Bajo la denominación del verdigrís se incluye una amplia variedad de pigmento de origen sintético cuyo color puede ser verde, verde-azulado o incluso azul. Su proceso de obtención se basa en la corrosión del cobre o sus aleaciones provocada por la acción del ácido acético contenido en el vinagre o por la acción de cloruros (cloruro sódico o cloruro amónico). Ha sido uno de los pigmentos más importantes de la historia y ha sido profusamente utilizado por artistas de todas las épocas y escuelas pictóricas. Sus procesos de obtención se conocen desde la antigüedad clásica, y aparecen recogidos en textos de aquella época y en muchos otros de la época medieval y de los siglos XVI al XIX. Incluso existen patentes de invención de los siglos XIX y XX relacionadas con su obtención y con la propuesta de sistemas para mejorar su producción. Una peculiaridad de este pigmento es su solubilidad en agua, por lo que también ha sido utilizado enla elaboración de tintas que han sido profusamente utilizadas para la elaboración de planos y mapas; en este tipo de usos eran utilizadas para representar las zonas de vegetación o de agua (ríos, lagos, zonas de costa) Son numerosas las investigaciones que se han realizado en torno a este pigmento. Muchas de ellas han estado dirigidas a esclarecer su composición química y aunque son de indudable interés, estas aportaciones no resultan suficientes. La principal razón es que se trata de un pigmento que puede obedecer a una amplia variedad de composiciones; a este respecto han sido identificadas diferentes hidroxiacetatos de cobre(II) hidratados, hidroxicloruros de cobre(II) y acetato de cobre(II) hidratado, entre otros compuestos...

Evaluación de tenacidad a la fractura e integridad estructural de tubos de generadores de vapor nucleares.

Dado el impacto negativo asociado a la ocurrencia de fallas en tubos de generadores de vapor (TGVs) en centrales nucleares, el estudio de la integridad estructural de éstos ha comenzado a recibir mayor atención recientemente. Diversas metodologías basadas en análisis de carga límite han sido propuestas para asegurar la integridad estructural de los tubos, según los requerimientos establecidos por las autoridades regulatorias. Éstas han conducido, sin embargo, a la definición de criterios de reparación o taponado de TGVs excesivamente conservativos. Por lo tanto, con el objetivo de reducir la cantidad de tubos innecesariamente removidos de servicio, nuevos criterios de evaluación de integridad han sido propuestos recientemente en la literatura. En este contexto, la mecánica de fractura elastoplástica se presenta como una alternativa para la evaluación de la integridad de TGVs, requiriéndose dos elementos para su aplicación: la estimación de la fuerza impulsora en términos del parámetro elastoplástico (por ejemplo, la integral J) y la medición experimental de la tenacidad a la fractura del material de los tubos (por ejemplo, a través de la curva de resistencia J-R). Este trabajo presenta el desarrollo de técnicas experimentales no normalizadas para la determinación de curvas J-R para TGVs con fisuras pasantes circunferenciales y longitudinales. Debido a las dimensiones reducidas de los TGVs, diferentes probetas no normalizadas fueron propuestas. Además, en los ensayos se utilizaron condiciones de carga de tracción y flexión con el objetivo de modelar más adecuadamente los estados tensionales y las condiciones de constraint reales en TGVs. Los valores de la integral J fueron estimados utilizando el método del factor η. La aptitud del método fue evaluada a partir de simulaciones numéricas de los ensayos propuestos mediante análisis elastoplásticos con la técnica de elementos finitos. Se encontró que condiciones de mayor constraint asociadas con fisuras profundas y cargas de flexión favorecen la validez del método del factor η, mientras que configuraciones de menor constraint dan como resultado factores η que exhiben una mayor dependencia con el nivel de carga aplicada. También se observó que los factores η basados en la apertura de la boca de la fisura (Crack Mouth Opening Displacement o CMOD) presentan una dependencia mucho menor con el nivel de carga respecto a los factores η definidos a partir del desplazamiento del punto de aplicación de la carga (Load Line Displacement o LLD). Se presentan los valores del factor η para las probetas estudiadas con fisuras profundas (a/W ≥ 0,40). Se realizaron ensayos de fractura a temperatura ambiente y 300 °C con probetas obtenidas de TGVs nucleares fabricados a partir de las aleaciones 690 (Ni: 61; Cr: 29; Fe: 8,95, % en peso) y 800 (Ni: 33; Cr: 21,6; Fe: 42,2, % en peso). Durante los ensayos de fractura a temperatura ambiente, la extensión estable de fisura fue medida mediante una técnica óptica utilizando un microscopio digital. Para estos ensayos también se aplicó el método de normalización que propone la norma ASTM E1820-15 en el Anexo 15, encontrándose una buena coincidencia entre las longitudes estimadas por éste y las medidas ópticamente. De esta manera, el método de normalización fue utilizado para los ensayos a alta temperatura. Los resultados experimentales mostraron que ambos materiales tienen elevadas tenacidades a la fractura, siendo la aleación 800 la que presentó curvas J-R más elevadas que la aleación 690 tanto para fisuras circunferenciales como longitudinales. Las curvas J-R para ambas aleaciones mostraron un efecto marcado con la orientación de la fisura, es decir que existe una importante anisotropía en las propiedades de fractura: las fisuras circunferenciales presentaron curvas J-R más elevadas que las fisuras longitudinales. El nivel de constraint desarrollado en los ensayos, dado por las condiciones de carga de tracción y flexión, evidenció poco efecto sobre las curvas J-R para probetas con fisuras profundas (a/W ~ 0,50). A su vez, la temperatura de ensayo (temperatura ambiente y 300 °C) presentó un efecto prácticamente nulo para ambas aleaciones. Usando las propiedades de fractura obtenidas en este trabajo, la metodología FAD (Failure Assessment Diagram) fue propuesta y utilizada para la predicción de las condiciones de falla de TGVs fisurados para diferentes geometrías de fisura y condiciones de carga. La comparación entre análisis teóricos y datos experimentales muestra la potencialidad del FAD como una metodología capaz de predecir adecuadamente las fallas de estos componentes.

Desarrollo de un dispositivo de liberación para la industria aeroespacial basado en una aleación con memoria de forma de NiTi.

Los dispositivos liberadores son utilizados en los satélites para desplegar los paneles solares, antenas y otros apéndices en las etapas iniciales de su puesta en órbita. En la actualidad, muchos de estos dispositivos tienen actuadores activados con cargas pirotécnicas. Esto trae algunas desventajas: niveles de shock elevados sobre los componentes cercanos, no son reutilizables y no son seguros de manipular. Por ello, es que desde hace unos años se están realizando importantes esfuerzos para desarrollar dispositivos no-pirotécnicos. En este trabajo se realiza el desarrollo de un dispositivo liberador que utiliza como actuador un cilindro tubular de una Aleación de Memoria de Forma (SMA, del inglés Shape Memory Alloys) de NiTi. Las SMAs tienen la posibilidad de deformarse por debajo de determinada temperatura y luego al calentarse, recuperar su forma original. Al restringir mecánicamente la trayectoria de recuperación, la aleación genera un esfuerzo mecánico. En el presente trabajo se caracteriza esta aleación, recurriendo a diversos tratamientos térmicos para obtener las propiedades deseadas. La liberación del conjunto se produce cuando el elemento de unión entre las piezas, el cual consiste en un bulón con una entalla circunferencial, se fractura debido al estiramiento de un actuador de NiTi previamente comprimido. Dada la importancia del bulón, se estudiaron diversos materiales para el mismo. Además se analizó el efecto de la geometría de la entalla y la profundidad de la misma. Finalmente, se realizaron pruebas de integración entre el actuador de SMA, el bulón y otros elementos auxiliares. Se pudo probar el funcionamiento del conjunto con éxito.

Efectos de la adición del tantalio sobre la biocompatibilidad de los implantes de titanio

Programa de doctorado: Tecnología Industrial (Bienio 2006-2008). La fecha de publicación es la fecha de lectura

Evaluación de tenacidad a la fractura e integridad estructural de tubos de generadores de vapor nucleares.

Dado el impacto negativo asociado a la ocurrencia de fallas en tubos de generadores de vapor (TGVs) en centrales nucleares, el estudio de la integridad estructural de éstos ha comenzado a recibir mayor atención recientemente. Diversas metodologías basadas en análisis de carga límite han sido propuestas para asegurar la integridad estructural de los tubos, según los requerimientos establecidos por las autoridades regulatorias. Éstas han conducido, sin embargo, a la definición de criterios de reparación o taponado de TGVs excesivamente conservativos. Por lo tanto, con el objetivo de reducir la cantidad de tubos innecesariamente removidos de servicio, nuevos criterios de evaluación de integridad han sido propuestos recientemente en la literatura. En este contexto, la mecánica de fractura elastoplástica se presenta como una alternativa para la evaluación de la integridad de TGVs, requiriéndose dos elementos para su aplicación: la estimación de la fuerza impulsora en términos del parámetro elastoplástico (por ejemplo, la integral J) y la medición experimental de la tenacidad a la fractura del material de los tubos (por ejemplo, a través de la curva de resistencia J-R). Este trabajo presenta el desarrollo de técnicas experimentales no normalizadas para la determinación de curvas J-R para TGVs con fisuras pasantes circunferenciales y longitudinales. Debido a las dimensiones reducidas de los TGVs, diferentes probetas no normalizadas fueron propuestas. Además, en los ensayos se utilizaron condiciones de carga de tracción y flexión con el objetivo de modelar más adecuadamente los estados tensionales y las condiciones de constraint reales en TGVs. Los valores de la integral J fueron estimados utilizando el método del factor η. La aptitud del método fue evaluada a partir de simulaciones numéricas de los ensayos propuestos mediante análisis elastoplásticos con la técnica de elementos finitos. Se encontró que condiciones de mayor constraint asociadas con fisuras profundas y cargas de flexión favorecen la validez del método del factor η, mientras que configuraciones de menor constraint dan como resultado factores η que exhiben una mayor dependencia con el nivel de carga aplicada. También se observó que los factores η basados en la apertura de la boca de la fisura (Crack Mouth Opening Displacement o CMOD) presentan una dependencia mucho menor con el nivel de carga respecto a los factores η definidos a partir del desplazamiento del punto de aplicación de la carga (Load Line Displacement o LLD). Se presentan los valores del factor η para las probetas estudiadas con fisuras profundas (a/W ≥ 0,40). Se realizaron ensayos de fractura a temperatura ambiente y 300 °C con probetas obtenidas de TGVs nucleares fabricados a partir de las aleaciones 690 (Ni: 61; Cr: 29; Fe: 8,95, % en peso) y 800 (Ni: 33; Cr: 21,6; Fe: 42,2, % en peso). Durante los ensayos de fractura a temperatura ambiente, la extensión estable de fisura fue medida mediante una técnica óptica utilizando un microscopio digital. Para estos ensayos también se aplicó el método de normalización que propone la norma ASTM E1820-15 en el Anexo 15, encontrándose una buena coincidencia entre las longitudes estimadas por éste y las medidas ópticamente. De esta manera, el método de normalización fue utilizado para los ensayos a alta temperatura. Los resultados experimentales mostraron que ambos materiales tienen elevadas tenacidades a la fractura, siendo la aleación 800 la que presentó curvas J-R más elevadas que la aleación 690 tanto para fisuras circunferenciales como longitudinales. Las curvas J-R para ambas aleaciones mostraron un efecto marcado con la orientación de la fisura, es decir que existe una importante anisotropía en las propiedades de fractura: las fisuras circunferenciales presentaron curvas J-R más elevadas que las fisuras longitudinales. El nivel de constraint desarrollado en los ensayos, dado por las condiciones de carga de tracción y flexión, evidenció poco efecto sobre las curvas J-R para probetas con fisuras profundas (a/W ~ 0,50). A su vez, la temperatura de ensayo (temperatura ambiente y 300 °C) presentó un efecto prácticamente nulo para ambas aleaciones. Usando las propiedades de fractura obtenidas en este trabajo, la metodología FAD (Failure Assessment Diagram) fue propuesta y utilizada para la predicción de las condiciones de falla de TGVs fisurados para diferentes geometrías de fisura y condiciones de carga. La comparación entre análisis teóricos y datos experimentales muestra la potencialidad del FAD como una metodología capaz de predecir adecuadamente las fallas de estos componentes.