Design of precipitation hardenable magnesium alloys


Global sustainability demands the development of light, strong, and tough metals that can contribute to drastically reduce emissions while facilitating mobility and that can be produced in an economically viable manner. Magnesium, with a density that is two thirds that of aluminum, one fourth that of steel and only slightly higher than that of many polymers, has long been regarded as the ideal substitute for heavier metals, but its comparatively poorer mechanical behavior has limited its application.

The potential of precipitation hardening, through alloying and heat treatment, to improve the strength of Mg alloys and to reduce their mechanical asymmetry has been explored in a relatively high number of recent studies. The results have been somewhat disappointing and it is generally agreed that the strength level that can be achieved via precipitation in most alloys is still considerably lower than that obtained in counterpart aluminium alloys.

IMDEA Materials researchers have recently found out that the reason for such poor precipitation hardening behavior lies in the ability of basal dislocations, the dominant strain carriers in most Mg alloys under a wide range of temperatures and strain rates, to shear or even fracture precipitates, which ultimately constitute very inefficient obstacles to their movement. 

This study, which has recently been accepted for publication in the journal Acta Materialia (Cepeda-Jiménez et al. Acta Materialia, 2018, in press), and which was partially funded by the DIMMAT project, provides the following key insights for the design of stronger Mg alloys. First, precipitation of nonshearable particles containing incoherent interfaces is needed, in order to trigger Orowan looping of basal dislocations. The appropriate approach to introduce strong incoherent precipitates into the magnesium matrix is still to be defined. Second, alloying additions that contribute to hinder slip localization are also beneficial, as the interaction of coarse slip bands with precipitates promotes catastrophic fracture of the latter. Finally, alloying additions that can promote the formation of nucleants and, in turn, increase the fraction of precipitates, would also be beneficial.

Figure. Precipitate sharing (above) and fracture (below) by basal dislocations in a Magnesium alloy. Micrograph obtained by transmission electron microscopy (Cepeda-Jiménez et al. Acta Materialia, 2018, in press).

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Escuela de Verano & Jornada Industrial: impresión 3D de metales


Los días 23 y 24 de julio, el Instituto IMDEA Materiales organiza una escuela de verano y una jornada industrial sobre impresión 3D de metales donde empresas destacadas del sector (Siemens, ITP, Renishaw, HP, LPW Technologies, Mizar Additive) discutirán los principales avances y retos a los que se enfrentan.

Este evento está abierto a graduados en ciencias e ingeniería, investigadores y profesionales interesados en conocer mejor tanto los fundamentos básicos de la impresión 3D de metales como el estado de la tecnología y el presente y el futuro del panorama industrial de un sector en auge.

El programa de la escuela y la jornada industrial se encuentran detallados en el siguiente enlace:

https://drive.google.com/file/d/1k2LviUe8kkiqz84roPQ20Iq6PJGFtnT4/view

 

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Seminar Eric Jägle: Alloys for Additive Manufacturing, Alloys by Additive Manufacturing


 

Dr. Eric Jägle (Max Planck Institute of Metal Research in Düsseldorf, Germany)

 

As Additive Manufacturing technologies are being adopted in more and more industries, the focus of research and development is shifting to the materials in use. On the one hand, limited processability of high-performance materials restrict the robustness of the process in some cases, while in other cases the best materials for a given application cannot be processed at all. There is a strong need to modify or to develop materials specifically for the AM processes that are robustly processable and that at least match conventionally obtained properties. On the other hand, an increasing number of researchers realise the potential of Additive Manufacturing to produce materials that were heretofore inaccesible by conventional manufacturing techniques or not economically feasible. The unique features of AM processes such as strongly non-linear time-temperature profiles, localized metallurgy and rapid alloy development capabilities enable the design of alloys by additive manufacturing. In this talk, examples of alloys for and by AM were given. They included Fe-, Ni- and AI-base alloys.

 

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Seminar Jorge Alcalá: Multi-scale mechanistic interpretations to indentation experiments across the material length scales: from continuum to atomistics


Prof. Jorge Alcalá (Universitat Politècnica de Catalunya)

We provide a fundamental contact mechanics background to the interpretation of spherical indentation experiments performed in polycrystalline aggregates, single crystalline units, thin films, and minute material scales comprising an atomistic ensemble. A central issue under examination is the extraction of mechanical properties from hardness measurements as well as from instrumented indentation applied load-penetration depth curves performed in all such material lengths. Our analyses shed light into the role of the plasticity mechanisms (dislocation slip vs twining) upon the onset of size effects in metal plasticity. Emphasis is given to the analysis of noticeable differences between nanocontact plasticity in face-centered cubic (FCC) and body-centered cubic (BCC) crystals leading to characteristic surface topographies (material pileup and surface rosettes) upon indenter tip removal. The investigation comprises systematic continuum polycrystalline and crystal plasticity finite element simulations, molecular dynamics simulations and macro/micro/nano-indentation experiments.

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Nuevo acero ferritico martensitico endurecido por nanoprecipitacion


Carlos Capdevila (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas CENIM-CSIC)

Los aceros ferríticos/martensíticos son candidatos como materiales estructurales para aplicaciones a alta temperatura en los futuros reactores de fusión y fisión. La principal ventaja de estos aceros con respecto a otras aleaciones usadas a elevada temperatura como los aceros austeníticos y superaleaciones  es su buena conductividad térmica. La principal limitación que ofrecen es su  baja resistencia a alta temperatura la cuál limita su temperatura de servicio.

El acero ferrítico/martensitico más usado actualmente  es el 9Cr-Mo modificado, el cuál posee una temperatura máxima de operación de 593 0C. La microestructura de este acero consiste en una matriz martensítica, en la cual un grano austenitico previo se divide en diferentes paquetes  que a su vez son divididos en bloques y estos en lajas con un  tamaño de entre 0.25-0.5µm  y una alta densidad de dislocaciones en su interior. En esta matriz se encuentran dispersos dos tipos de precipitados, los M23C6 ricos en Cr con un tamaño de entre 100 y 200 nm localizados en los límites de lajas y granos austeníticos previos y los MX ricos en Nb y V con un tamaño de entre 20 y 50 nm situados en medio de las lajas (figura 1).

Este proyecto pretende aumentar la temperatura de trabajo de este acero modificando su procesado. Los tratamientos térmicos comerciales de estos aceros consisten en una austenización a 1040 ºC y un revenido a 740 ºC. La alternativa que se plantea en este proyecto es aplicar en vez de un tratamiento térmico comercial un tratamiento termomecánico. El tratamiento termomecánico tiene como objetivo producir una dispersión de nanoprecipitados capaces de pinzar las dislocaciones a alta temperatura y aumentar así la resistencia del acero a elevada temperatura. Para aplicar el tratamiento térmomecánico que permita obtener los mejores resultados es necesario considerar que los precipitados MX (Nb‐MX y V‐MX) tienen la mayor estabilidad térmica y por tanto un acero con una  alta densidad en número de finos MX debería mostrar superior temperatura de trabajo en comparación con el acero obtenido mediante el tratamiento comercial.

El tratamiento termomécanico es dividido en diferentes pasos, dónde cada uno tiene un objetivo claro (Figura 2):

 

  •  Austenización: Disolver todos los precipitados MX para controlar su reprecipitación tras el ausforming y el revenido y evitar la formación de ferrita delta debido a sus malas propiedades a elevada temperatura.
  • Ausforming: El acero es deformado en austenita con la finalidad de aumentar la densidad de dislocaciones. La austenita transformará a martensita, la cual heredará las dislocaciones generadas en la austenita que actuarán como lugares de nucleación para los precipitados promoviendo una precipitación más fina.
  • Revenido: Obtener el tamaño óptimo de precipitado y aumentar la tenacidad del acero.

Los resultados de caracterización microestructural llevados a cabo en las muestras tratadas termomecánicamente han mostrado una reducción del tamaño de los MX de hasta 4 veces y un aumento de su densidad en número de dos órdenes de magnitud con respecto al material tratado comercialmente. Con esta distribución de  nanoprecipitados MX el acero debería aumentar su temperatura de operación de  600 a 650 ºC.

El trabajo futuro se centrará en estudiar el comportamiento a fluencia de estas prometedoras microestructuras.

 

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Muesli: software libre para la simulación de materiales


Ignacio Romero. Grupo de Mecánica Computacional de Sólidos de IMDEA Materiales

En el mundo de la simulación mecánica, muchos programas comerciales emplean modelos complejos de materiales. Éstos últimos se traducen en subrutinas que implementan las ecuaciones, más o menos complicadas, de materiales elásticos, elastoplásticos, viscoplásticos, etc, de lo que se conoce como modelos constitutivos. Además, en los centros de investigación y las universidades también se emplean estos mismos modelos y se desarrollan otros, creando nuevas subrutinas que se utilizan en los códigos de simulación que cada una de estas instituciones desarrollan.

Imagen 1

 

Temperatura y deformación plástica en una chapa metálica durante un proceso de soldadura. El comportamiento elastoplástico y térmico del material se obtiene con MUESLI.

A pesar de formar parte de todos los códigos de mecánica computacional, comerciales y de investigación, las rutinas de modelos constitutivos de materiales no se comparten, limitando su comparación y, sobre todo, ralentizando el desarrollo de nuevos códigos y modelos. Cada empresa o institución desarrolla su código propio, en parte para implementar los modelos estándar de materiales y en parte para implementar modelos más sofisticados y de aplicación más específica.

En el Instituto IMDEA Materiales se ha abordado esta situación y su resultado ha sido MUESLI, una biblioteca de software para el modelado de materiales, ofrecida como software libre desde mayo de 2016. MUESLI, acrónimo de Material UnivErSal LIbrary, implementa una colección de modelos continuos de material, proporciona una estructura lógica para la extensión a más modelos y para su conexión a software ya existente, tanto comercial como de investigación. Esta biblioteca puede ser utilizada por centros de investigación para modelar materiales complejos, y por empresas, para adaptar sus propios modelos de material y estudiar su comportamiento en procesos mecánicos complejos.

Imagen 3MUESLI ofrece, desde su primera versión, los modelos de material más comúnmente usados para la simulación de sólidos. Estos incluyen los modelos constitutivos elásticos, viscoelásticos, elastoplásticos y visco-elastoplásticos para pequeñas y grandes deformaciones. Además, se proporcionan las rutinas para el modelado del comportamiento térmico de materiales, las simulaciones de fluidos newtonianos y algunos problemas acoplados.

Como la mayoría de códigos empleados en simulación tiene su origen en los años 70 y 80, muchos de ellos están escritos en el lenguaje de programación que entonces estaba más extendido, el Fortran 77.  Una de las mayores ventajas de MUESLI es que está desarrollado en un lenguaje orientado a objetos (C++) con una sintaxis de alto nivel y que permite implementar modelos de materiales con una enorme facilidad, si se compara con lo que se necesita cuando se usa Fortran. Esta sintaxis con operadores matemáticos desarrollados también en MUESLI, posibilita implementar las fórmulas de los modelos materiales con código muy compacto que refleja los conceptos que se emplean en los libros y artículos que los describen.

Los modelos de material desarrollados en MUESLI se pueden emplear en códigos de simulación abiertos, permitiendo a cualquier investigador o ingenieros de materiales utilizar la biblioteca con sus programas. Pero además, MUESLI proporciona interfaces con programas comerciales de manera que, exactamente los mismos materiales se pueden usar con códigos propios u otros ya existentes, y ampliamente utilizados en la industria. De esta manera, los investigadores y desarrolladores de modelos de materiales pueden aprovecharse de la flexibilidad de MUESLI y utilizar el código resultante, sin ninguna modificación, en varios códigos. Esto acelerará el desarrollo de nuevos modelos y favorecerá su uso compartido.

MUESLI tiene algunas características muy útiles desde el punto de vista de desarrollo de software. Además de una estructura de materiales basada en clases, y operadores de alto nivel, el código incorpora comprobaciones automáticas para cada modelo de material añadido. Estas pruebas determinan si cada modelo satisface algunas propiedades que son comunes a su familia. Además de proporcionar la seguridad de que la implementación es correcta, estas comprobaciones proporcionan una manera sistemática de encontrar errores que, una vez más, agiliza el desarrollo de nuevos modelos.

Por último, MUESLI se ha creado con el objetivo de que investigadores y empresas desarrolladoras de software puedan compartir modelos. MUESLI se distribuye para este fin con una licencia de software libre (GPL 3.0), e incluye, además de todas las rutinas, documentación sobre los materiales implementados. Como proyecto de software libre, MUESLI acepta contribuciones de cualquier desarrollador que desee compartir su código, aspirando con ello a convertirse en un estándar para este sector.

 

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Seminar Marta Serrano: Structural materials for Gen IV reactors


Marta Serrano García (CIEMAT)

The next evolution for commercial nuclear reactors include the design of fast nuclear reactors as a sustainable nuclear energy production system. The operating conditions for this Gen IV reactors are much more aggressive than the ones for operating light water reactors, in terms of neutron dose, temperature and coolants, that rise the need to explore new structural materials able to sustain this conditions. In this talk, a review of the potential degradation mechanisms and related design rules for the candidate materials for fuel cladding and structures for Gen IV reactors are reviewed.

PDF Presentation

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Rendimiento mejorado de componentes de automoción con nuevos recubrimientos de tipo Diamond-Like Carbon


J.A. Santiago (IMDEA Materiales/ IFN Universidad Politécnica de Madrid)

Uno de los mayores retos de la industria automovilística es mejorar la eficiencia de los motores actuales con nuevas tendencias como el down-sizing, sistemas start-stop, tecnologías de sobrealimentación y el uso de nuevos aceites de baja viscosidad. Los avances desarrollados en estos campos generan altas temperaturas y densidades de carga que los recubrimientos actualmente aplicados no pueden soportar. Es por ello que la introducción de nuevos recubrimientos con propiedades tribomecánicas mejoradas despierta un gran interés dentro del sector.

Componentes de un piston de automóvil de competición recubiertos con DLC

Los recubrimientos carbono tipo diamante, generalmente conocidos como DLC (Diamond-Like Carbon) son hasta la fecha la mejor solución para mejorar la eficiencia de los motores. Este tipo de recubrimientos presentan altos valores de dureza (por su naturaleza similar al diamante), alta resistencia al desgaste y muy bajos coeficientes de fricción (tan bajos como CoF= 0.05). Sin embargo, los problemas de adhesión que estos recubrimientos presentan son un aspecto crítico a mejorar para la correcta operación de los componentes en servicio.

Desde el proyecto DIMMAT se trabaja en solucionar los problemas de adhesión de los recubrimientos de DLC aplicando la novedosa tecnología HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering). La generación de altos flujos de iones metálicos que se pueden obtener con la tecnología HiPIMS se utilizará para eliminar los óxidos superficiales que presentan las superficies de los componentes mecánicos. La eliminación de estos óxidos resulta fundamental para el subsiguiente crecimiento del recubrimiento DLC ya que la capa de óxido evita el contacto directo metal-recubrimiento y, de esta forma, se dificulta la adhesión entre las superficies.

Imágenes del test de adhesión Daimler-Benz test. A la izquierda se observa el resultado para un recubrimiento sobre un acero HSS que no se ha tratado con la tecnología HiPIMS (Nivel de adhesión HF6). A la derecha se observa la excelente adhesión  del recubrimiento al sustrato para una muestra tratada con HiPIMS (Nivel de adhesión HF1)

El alto bombardeo iónico no sólo es efectivo para la eliminación de indeseables componentes orgánicos que empeoran la adhesión sino que también permite la implantación iónica de los metales en las zonas subsuperficiales del sustrato. Bajo condiciones de implantación sería posible generar una interfase más limpia y gradual entre el recubrimiento y el sustrato, lo que mejoraría considerablemente la adhesión.

Para observar el efecto de la implantación, diferentes pretratamientos con HiPIMS se han llevado a cabo, utilizando iones metálicos de titanio y de cromo. Los resultados observados muestran que es posible introducir los iones metálicos en el sustrato hasta una distancia de 10 nm.

Micrografía obtenida mediante HRTEM en sección eficaz de la intercara entre sustrato y recubrimiento dónde se puede observar el espacio donde los iones metálicos han sido implantados. Patrones de difracción que muestran el crecimiento epitaxial en las primeras capas de recubrimiento (tanto en el acero (1) como en las primeras capas de recubrimiento (2) se observa el mismo patrón)

Además, el tratamiento tiene implicaciones en el modo de crecimiento de los recubrimientos. En las primeras capas de recubrimiento se ha observado un crecimiento de tipo epitaxial que es sintomático del alto grado de alineamiento existente entre recubrimiento y sustrato. Este tipo de crecimiento ha sido previamente reportado como garantía de óptima adhesión.

Los resultados de este trabajo de investigación tienen un alto valor tecnológico para la mejora de componentes de automóvil así como para los sectores de fabricación avanzada, máquina-herramienta e incluso para la industria médica.

Componentes de automóvil recubiertos con DLC por la empresa Nano4Energy dentro del proyecto DIMMAT

 

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Seeking new materials for structural components in fuel cells


Raúl Gago Fernández (Surface Engineering and Advanced Coatings Group, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Científicas)

There is no need to stress the actual urgency for the development of new power sources. Among the different approaches, fuel cells are already known from the 19th century but they are becoming more and more attractive. Basically, fuel cells are devices that generate electricity by a chemical reaction between protons (positively charged hydrogen ions) and oxygen or another oxidizing agent. The reactants need to be supplied continuously to sustain the reaction but, interestingly, in this way fuel cells can produce electricity steadily. There are many different types of fuel cells but they all comprise an electrolyte to allow the proton current and the electrodes (cathode and anode) for charge collection and added catalytic functionality. Hence, fuel cells are mainly catalogued according to their material components and, obviously, this factor together with the corresponding chemical reaction defines the operation temperature (ranging from tens up to hundreds of ºC).

Proton exchange membrane (also referred as polymer electrolyte membrane) fuel cells (PEMFCs) are very attractive due to their mild operation conditions (50-100ºC) (for example, in contrast to solid-oxide types with operating temperatures around 800ºC). Therefore, they are good candidates for both stationary and portable applications. Obviously, the rapid development of electric cars is one of the mayor workhorses for their growing market. Bipolar plates are key components of PEMFCs, which comprise a significant amount of cost, volume, and weight in the typical fuel cell stacks. Different materials have been investigated as bipolar plates (typically, graphite) but stainless steel (SS) is gaining attention due to its relatively high strength and machinability, good conductivity and low corrosion rate. However, insufficient corrosion resistance and surface conductivity are two main issues that plague large-scale application of SS bipolar plates in PEMFC.

The Surface Engineering and Advanced Coatings Group at the Insitute of Materials Science of Madrid (ICMM) belonging to the Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) has been exploring the application of tantalum (Ta) based coatings for the improvement of the corrosion resistance of SS as bipolar plates for PEMFCs. The choice of Ta is straightforward since its corrosion resistance is higher than any other metallic material used as component of chemical plant equipment and can be compared to that of glass, graphite and fluoropolymers (such as teflon). However, there are many technological issues to be addressed such as the coating adhesion, compactness or architecture for final practical usage. In this study, both metal (Ta) and nitride (TaN) coatings produced by magnetron sputtering have been examined in the form of monolithic or alternating (multilayer coatings) layers. An example of the complex structure of such multilayer coatings is shown in figure (a). Here, the relevance of surface engineering has been clearly evidenced since plasma pre-cleaning of the substrate or the use of buffer (TaN) layers has been reported as critical issues for optimum coating adhesion and posterior growth of the desired crystallographic Ta phases. In general, all the coated SS substrates have shown a drastic increase of the corrosion resistance with respect of bare SS together with a remarkable decrease in the interfacial contact resistance (ICR) as shown in figure (b). Moreover, the best performance has been found for the production of certain TaN phases due to their compactness in thin film form. Finally, multilayer coatings are very promising architectures since they exploit the synergy given by the coexisting properties of both Ta and TaN layers.

Figure: (a) Cross-section image showing the alternating materials in a complex multilayer (ML) structure. (b) Reduction of ICR in coated SS with respect to bare substrates before and after exposure to potentiostatic (PS) polarization.

This study has been carried out within the project “Diseño Multiescala de Materiales Avanzados, DIMMAT” financed by Comunidad Autónoma de Madrid (CAM) in collaboration with the Department of Mining and Metallurgical Engineering at Amirkabir University of Technology in Tehran (Iran). The obtained results have been the core of the PhD thesis of Dr. Mostafa Alishahi. For the electrochemical tests, the participation of Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) from CSIC has also been crucial. The results have been recently published in Journal of Power Sources (http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.04.133) and RSC Advances (http://dx.doi.org/10.1039/c6ra17869c) where the interested reader can find more detailed information.

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Seminario Oscar Ruano: Aspectos fundamentales de la fluencia de materiales


Dr. Oscar Ruano: Profesor de Investigación, Departamento de Metalurgia Física, CENIM-CSIC

El seminario que tuvo lugar el pasado día 15 de diciembre en IMDEA Materiales abordó la fluencia de los materiales de una manera simple, resaltando los aspectos fundamentales y haciendo hincapié en los equipos y las curvas que determinan su comportamiento.  También en los parámetros mecánicos que se obtienen a partir de los datos experimentales. También se mostraron las pautas para una asociación de dichos parámetros con los mecanismos que controlan la deformación a alta temperatura resaltando el papel de la microestructura,  especialmente la textura y el tamaño de grano y de subgrano.

PDF de la presentación

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