Resolidification behaviour of laser surface-melted metals and alloys

The solidification behaviour is described of two pure metals (Bi and Ni) and two eutectic alloys (A1-Ge and AI-Cu) under nonequilibrium conditions, in particular the microsecond pulsed laser surface melting. The resolidification behaviour of bismuth shows that epitaxial regrowth is the dominant mechanism. For mixed grain size, regrowth of larger grains dominates the microstructure and can result in the development of texture. In the case of nickel, epitaxial growth has been noted. For lower energy pulse-melted pool, grain refinement takes place, indicating nucleation of fresh nickel grains. The A1-Ge eutectic alloy indicates the nucleation and columnar growth of a metastable monoclinic phase from the melt-substrate interface at a high power density laser irradiation. An equiaxed microstructure containing the same monoclinic phase is obtained at a lower power density laser irradiation. It is shown that the requirement of solution partition acts as a barrier to eutectic regrowth from the substrate. The laser-melted pool of A1-Cu eutectic alloy includes columnar growth of c~-A1 and 0-A12Cu phase followed by the dendritic growth of A12Cu phase with ct-Al forming at the interdendritic space. In addition, a banded microstructure was observed in the resolidified laser-melted pool.

Adsorption of carbon monoxide on the surfaces of polycrystalline transition metals and alloys: electron energy loss and ultraviolet photoelectron spectral studies1

Adsorption of CO has been investigated on the surfaces of polycrystalline transition metals as well as alloys by employing electron energy loss spectroscopy (eels) and ultraviolet photoelectron spectroscopy (ups). CO adsorbs on polycrystalline transition metal surfaces with a multiplicity of sites, each being associated with a characteristic CO stretching frequency; the relative intensities vary with temperature as well as coverage. Whilst at low temperatures (80- 120 K), low coordination sites are stabilized, the higher coordination sites are stabilized at higher temperatures (270-300 K). Adsorption on surfaces of polycrystalline alloys gives characteristic stretching frequencies due to the constituent metal sites. Alloying, however, causes a shift in the stretching frequencies, indicating the effect of the band structure on the nature of adsorption. The up spectra provide confirmatory evidence for the existence of separate metal sites in the alloys as well as for the high-temperature and low-temperature phases of adsorbed CO.

Vapor pressure of liquid metals and alloys

The Gibbs-Bogoliubov formalism in conjunction with the pseudopotential theory is applied to the calculation of the vapour pressure of eight liquid metals from Groups I to IV of the periodic table and of alloys (Na-K). The calculated vapour pressure of the elements and their temperature dependencies, the partial pressures, activities and boiling points of the alloys are all found to be in reasonable agreement with measured data.

Plastic deformation of metals and alloys

This chapter focuses on relationships between plastic deformation structures and mechanical properties in metals and alloys deforming by dislocation glide. We start by summarizing plastic deformation processes, then look at the fundamental mechanisms of plastic deformation and explore how deformation structures evolve. We then turn to experimental techniques for characterization which have allowed deformation microstructures to be quantified in terms of common structural parameters. The microstructural evolution has been described over many length scales and analyzed theoretically based on general principles. The deformation microstructures are related to work hardening stages. Finally we identify correlations between a wide range of microstructural features and mechanical properties, particularly flow stress, and use experimental observations to illustrate their inter-relationships.

Influence of strain and polycrystalline ordering on magnetic properties of high moment rare earth metals and alloys

Despite being the most suitable candidates for solenoid pole pieces in state-of-the-art superconductor- based electromagnets, the intrinsic magnetic properties of heavy rare earth metals and their alloys have gained comparatively little attention. With the potential of integration in micro- and nanoscale devices, thin films of Gd, Dy, Tb, DyGd and DyTb were plasma-sputtered and investigated for their in-plane magnetic properties, with an emphasis on magnetisation vs. temperature profiles. Based on crystal structure analysis of the polycrystalline rare earth films, which consist of a low magnetic moment FCC layer at the seed interface topped with a higher moment HCP layer, an experimental protocol is introduced which allows the direct magnetic analysis of the individual layers. In line with the general trend of heavy lanthanides, the saturation magnetisation was found to drop with increasing unit cell size. In-situ annealed rare earth films exceeded the saturation magnetisation of a high-moment Fe65Co35 reference film in the cryogenic temperature regime, proving their potential for pole piece applications; however as-deposited rare earth films were found completely unsuitable. In agreement with theoretical predictions, sufficiently strained crystal phases of Tb and Dy did not exhibit an incommensurate magnetic order, unlike their single-crystal counterparts which have a helical phase. DyGd and DyTb alloys followed the trends of the elemental rare earth metals in terms of crystal structure and magnetic properties. Inter-rare-earth alloys hence present a desirable blend of saturation magnetisation and operating temperature.

The Electrical Resistance of Metals and Alloys in Their Hard and Soft States

It is known that the electrical resistance of annealed metals is usually smaller than that of metals in their cold worked state. The curve showing the relation between electrical resistance and annealing temperature reaches a minimum; continued annealing at higher temperature produces an increase in the electrical resistance. In the case of alloys it has been noted that a second decrease occurs at higher annealing temperature. The following work corroborates the observance of previous investigations. The electrical resistance of cold worked copper, gold, nickel, and iron decreased with annealing and then increased, the minimum being around 300° C. or 400° C. Monel metal showed a minimum resistance followed by an increase which in turn was followed by a second decrease.

Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

Practical metallurgy; applied physical metallurgy and the industrial processing of ferrous and nonferrous metals and alloys,

Bibliographical footnotes.

ASTM standards on light metals and alloys; aluminum and aluminum alloys, cast and wrought magnesium and magnesium alloys, cast and wrought methods of testing light metals.

Mode of access: Internet.

Sources of information on the properties of metals and alloys.

"April 15, 1943."