Multiscale experimental characterization and modelling validation of microstructure and mechanical properties of engineering alloys

Bellón Lara, Bárbara (2020). Multiscale experimental characterization and modelling validation of microstructure and mechanical properties of engineering alloys. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.64478.

Description

Title: Multiscale experimental characterization and modelling validation of microstructure and mechanical properties of engineering alloys
Author/s:
  • Bellón Lara, Bárbara
Contributor/s:
  • Sabirov, Ilchat
  • Llorca Martínez, Francisco Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

A pesar de que las aleaciones Al-Cu fueron descubiertas hace más de un siglo y han sido utilizadas desde entonces en aplicaciones estructurales, todavía hay mucha incertidumbre con respecto a la comprensión cuantitativa de la relación entre procesado, microestructura y propiedades mecánicas, tanto para este sistema como para muchas otras aleaciones usadas en ingeniería. Recientemente se ha desarrollado diversas herramientas de simulación (simulaciones ab initio, mecánica atómica y molecular, modelos de campo de fase, dinámica de dislocaciones, plasticidad cristalina) así como estrategias de simulación multiescala (teoría de estados de transición, homogenización) que están tratando de cerrar esta brecha y proporcionar estrategias de abajo-arriba capaces de predecir las propiedades mecánicas de aleaciones a partir de su composición y de la ruta de fabricación. Sin embargo, una limitación importante para el desarrollo de estrategias de simulación multiescala -que puedan predecir la microestructura generada durante la fabricación y las propiedades mecánicas asociadas a esta microestructura- es la falta de resultados experimentales fiables y controlados. Esta información es necesaria para establecer de manera rigurosa la relación entre procesado, microestructura y propiedades mecánicas y de este modo validar o refutar los resultados de los modelos multiescala. En esta tesis se ha utilizado un enfoque de caracterización microestructural multiescala para estudiar la evolución microestructural durante la solidificación así como la que resulta de diferentes tratamientos térmicos en aleaciones de Al-Cu. El sistema Al-Cu ha sido seleccionado para esta tesis por su importancia desde el punto de vista industrial, así como por la riqueza de su microestructura, que incluye distintos precipitados metaestables. Las condiciones de procesado han sido controladas con la mayor precisión posible para obtener resultados cuantitativos de la microestructura (espaciado de las dendritas primarias y tamaño, forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los precipitados) para cada condición. Además, la información obtenida ha sido usada para racionalizar las predicciones de la evolución microestructural durante solidificación direccional y de la nucleación y crecimiento de precipitados proporcionadas por las técnicas más novedosas de modelos de campo de fase. Los experimentos de solidificación direccional de dos aleaciones de Al-Cu, se han realizado en un molde fabricado y modificado internamente para llevar a cabo los diferentes ensayos con un enfoque más industrial. La temperatura fue controlada con 7 termopares situados a lo largo del molde y la extracción de calor del fundido fue realizada únicamente por uno de los extremos del molde, mientras el resto del molde permanecía aislado térmicamente. Las condiciones de solidificación se han extraído de las lecturas de los termopares y el espaciado dendrítico primario fue medido en secciones transversales a lo largo del lingote. Los resultados obtenidos con este dispositivo experimental estuvieron de acuerdo con los resultados de la literatura, validando así este método para estudiar la solidificación direccional. El rango de espaciados dendríticos primarios estables se calculó mediante un modelo de simulación de campo de fase. Este resultado se utilizó para calibrar un modelo de redes de dendritas en aguja, que se usó posteriormente para predecir el rango de espaciados primarios estables en una aleación Al-Cu con mayor concentración de Cu. El efecto de los tratamientos térmicos se ha analizado mediante el estudio del efecto de los precipitados en la relación entre la microestructura y las propiedades mecánicas en aleaciones de Al-Cu. Para ello, se ha realizado un análisis microestructural de las muestras sometidas a diferentes tratamientos térmicos. La secuencia de precipitación, así como el tamaño, la forma, la fracción volumétrica y la distribución espacial de los precipitados han sido obtenidas mediante combinación de diversas técnicas: dureza Vickers, microscopia electrónica de transmisión y calorimetría diferencial de barrido. Esta información microestructural ha sido además usada para validar un modelo de campo de fase de nucleación y crecimiento de precipitados. A partir de esta información microestructural, muestras que contenían solo un tipo de precipitadas fueron seleccionadas para estudiar el comportamiento mecánico asociado con cada tipo de precipitados. Las propiedades mecánicas de monocristales se han determinado a partir de ensayos de compresión de micropilares en cristales con diferentes orientaciones. Los resultados de estos ensayos mecánicos, junto con una detallada caracterización microscópica de las muestras deformadas, se han usado para determinar la contribución al endurecimiento de la aleación de cada precipitado. Así mismo, esta información se ha empleado para validar modelos de endurecimiento por precipitación basados en simulaciones atomísticas o de dinámica de dislocaciones. Por último, las curvas experimentales de tensión-deformación obtenidas mediante la compresión de micropilares se han usado para calibrar un modelo de plasticidad cristalina que tiene como fin predecir las propiedades mecánicas de policristales, mostrando así el potencial de las técnicas de ensayos nanomecánicos en combinación con modelos de plasticidad cristalina para diseñar nuevas aleaciones. ----------ABSTRACT---------- Although Al-Cu alloys were discovered more than one century ago and have been widely used since then in structural applications, there are still a lot of uncertainties in the quantitative understanding of the processing-microstructuremechanical properties link for this system as well as for many other engineering alloys. Current developments in simulation tools (first principles calculations, molecular mechanics, phase-field modeling, dislocation dynamics, crystal plasticity) as well as in multiscale modeling strategies (transition state theory, homogenization) are trying to bridge this gap and provide bottom-up strategies that are able to predict the mechanical performance of alloys based on the composition and processing steps. Nevertheless, one important limitation of the current efforts for the development of multiscale models to predict the microstructure induced by processing and the mechanical properties associated with the microstructure is the lack of controlled experimental data sets. They are necessary to establish rigorously the processingmicrostructure- mechanical properties link and to validate or disprove the results of multiscale models. A multiscale experimental characterization approach and subsequent model validation is used in this thesis to study the microstructural development during solidification as well as a result of thermal treatments after casting in Al-Cu alloys. The Al-Cu system was selected for the thesis because its importance for the industrial viewpoint and also because of the richness of its microstructure, which includes a variety of metastable precipitates. The processing conditions have been controlled as accurately as possible to provide quantitative results of the microstructure (primary dendrite arm spacing, precipitate size, shape, volume fraction and spatial distribution) for each condition. Moreover, the information of this data set was used to rationalize the predictions of the microstructural development during directional solidification and of the nucleation and growth of precipitates provided by state-of-the art phase field models. Directional solidification experiments in two Al-Cu alloys have been carried out in an in house built mold in order to perform a more "industrial like" solidification process. The temperature was monitored with 7 thermocouples placed along the mold and the heat extraction was performed on one end of the mold, while the rest was thermally isolated. The solidification conditions were extracted from the thermocouple readings and the primary dendrite arm spacing was measured from cross sections along the ingot. The results obtained with this set-up were in agreement with those in literature, validating this approach to study directional solidification. Moreover, the primary dendrite stable range was calculated through a phase field model. These results were used to validate a dendrite needle network model that was used to predict the dendritic stable range for the alloy with higher Cu content. The effect of the thermal treatments have been addressed by studying the microstructure-properties link regarding the effect of precipitates on the mechanical properties of Al-Cu alloys. To that end, microstructural analysis of samples with different heat treatments have been performed. Vickers hardness, transmission electron microscopy and differential scanning calorimetry have been used to extract the precipitate sequence as well as the size, shape, volume fraction and spatial distribution of the precipitates. The microstructural information was also used to validate a phase field model of nucleation of growth of precipitates. With this microstructural information, samples with only one type of precipitates were selected to perform study the mechanical properties in order to assess the effect of individual precipitates on the strengthening. Mechanical properties of single crystals were determined by means of micropillar compression test in crystals with different orientations. The results of the mechanical tests, together with detailed microscopic analysis of the deformed samples, were used to determine the individual contribution of the different precipitates to the strength of the alloy. Moreover, this information was used to validate the current models of precipitation strengthening based in either atomistic or dislocation dynamics simulations. Finally, the experimental stressstrain curves from micropillar compression tests have been used to calibrate a crystal plasticity model to predict the mechanical performance of polycrystals, showing the potential of nanomechanical testing techniques in combination with crystal plasticity model to design new alloys.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainFPU15/00403UnspecifiedUnspecifiedUnspecified
Horizon 2020669141VIRMETALFUNDACION IMDEA MATERIALESVirtual Design, Virtual Processing and Virtual Testing of Metallic Materials

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Item ID: 64478
DC Identifier: http://oa.upm.es/64478/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:64478
DOI: 10.20868/UPM.thesis.64478
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 Oct 2020 06:30
Last Modified: 08 Oct 2020 06:30
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