Escuela de Ingeniería (TECNUN) - Tesis Doctorales y Tesinas - 2011-2015
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- Nueva ruta pulvimetalúrgica de producción de aceros inoxidables ferríticos de baja activación endurecidos por dispersión de óxidos (ODS-RAF) para sus aplicación en futuros reactores de fusión nuclear.(Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra, 2015-12) Gil-Murillo, E. (Emma); Ordas-Mur, N. (Nerea); Iturriza-Zubillaga, I. (Iñigo)Los aceros inoxidables ferríticos endurecidos por dispersión de óxidos (Oxide Dispersion Strengthened, ODS) son excelentes candidatos como materiales estructurales en las futuras generaciones de reactores nucleares, tanto en fusión como en los reactores de fisión de generación IV, así como en los reactores para centrales eléctricas a carbón Ultra Súper Críticas (USC). Estos materiales han demostrado ser estables a altas temperaturas y poseer una elevada resistencia a creep, así como al hinchamiento y enfragilización bajo irradiación de neutrones. Pequeñas concentraciones de itrio dan lugar a la formación de la fase dispersa de óxido estable a altas temperaturas, mientras que la adición del titanio tiene como objetivo la disminución del tamaño de los óxidos dispersos. Además, se añade wolframio como endurecedor por solución sólida de la matriz hierro-cromo. Las extraordinarias propiedades mecánicas que presentan estos aceros son el resultado directo de la estabilización que ejercen en el movimiento de dislocaciones tanto la microestructura fina, que se puede obtener tras una serie de tratamientos termomecánicos, como la presencia de precipitados de óxidos nanométricos finamente dispersos en la matriz. Por lo tanto, la funcionalidad de los aceros ODS se basa en el desarrollo de una microestructura que contenga una distribución de precipitados nanométricos muy estables a alta temperatura y poco espaciados entre sí. La ruta de procesamiento convencional de los aceros ferríticos ODS consiste en el aleado mecánico, de los polvos elementales o de polvo prealeado atomizado por gas, donde la itria (Y2O3) o el Y elemental o aleado con otros elementos, se introduce como precursor para generar la fase dispersa, seguida de la encapsulación, la consolidación mediante compactación isostática en caliente (HIP) o extrusión en caliente y diferentes tratamientos termomecánicos. El objetivo final es la formación de una estructura de granos fina y de la dispersión de nanoclusters Y-Ti-O. Sin embargo, la etapa del aleado mecánico conlleva muchos inconvenientes tales como la contaminación proveniente de los tarros y de la atmósfera de molienda, con el consiguiente aumento del contenido de elementos intersticiales (O, N, C) asociados a tiempos de molienda largos y a la atmósfera de molienda, y la variabilidad en la composición entre distintos lotes. Con el objetivo de eliminar este paso, se ha desarrollado el denominado método GARS (Gas Atomization Reaction Synthesis) por el laboratorio AMES (EEUU). Este proceso es una manera simplificada de obtener polvos de acero que generarán la dispersión de óxidos en subsiguientes etapas del proceso de fabricación. En esta tesis se ha mostrado la viabilidad de una ruta nueva de procesamiento de aceros ferríticos ODS inspirada en el método GARS. Se han obtenido, mediante atomización por gas, polvos de acero inoxidable ferrítico que contienen los formadores de la fase dispersa (Fe-14Cr-2W-(0.3-0.56)Ti-(0.18-0.37)Y)). De esta manera, se ha evitado la etapa del aleado mecánico. Se ha estudiado en profundidad el proceso de atomización y la influencia de sus parámetros en las características de los polvos. Para determinar con precisión la composición de los polvos, especialmente el contenido de itrio y titanio, se ha utilizado el ICP-OES (Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spectrometry). La retención de estos elementos ha resultado ser altamente dependiente del nivel de vacío alcanzado en el atomizador. Se ha llevado a cabo la oxidación a bajas temperaturas del polvo atomizado (100-375 °C) para ajustar el contenido de oxígeno a valores equivalentes a la adición de Y2O3 y se han seleccionado los parámetros óptimos para alcanzar este objetivo. Se ha comprobado que la oxidación bajo estas condiciones sigue una cinética logarítimica, lo que permite que el ajuste del oxígeno se realice de forma robusta. En esta etapa tiene lugar un crecimiento de una capa ultrafina de óxido metaestable, rica sobre todo en hierro, que actúa como fuente de oxígeno para la formación de los nanoclusters Y-Ti-O durante los posteriores pasos del procesamiento. La técnica XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) ha permitido el estudio de la evolución de los óxidos superficiales durante la oxidación así como la identificación de cada fase. Además, se ha observado mediante FEG-SEM (Fied-Emission Gun Scanning Electron Microscopy) y TEM (Transmission Electron Microscopy) la microestructura superficial e interna tanto del polvo atomizado como del oxidado para identificar las diferencias entre ellos. Tras la oxidación, se han realizado ensayos de HIP a diferentes temperaturas para seleccionar la temperatura óptima de disociación de los óxidos localizados en las PPBs (Prior Particle Boundaries). Se ha comprobado que si se llevan a cabo ensayos de HIP a altas temperaturas, se forman los nanoclusters Y-Ti-O por la disociación de la capa de óxido. El oxígeno proveniente de esta capa se queda libre y difunde desde las PPBs a la matriz interna de la partícula previa (PP), donde reacciona con el itrio y el titanio. Además, se han llevado a cabo tratamientos térmicos del material tras HIP para estudiar la evolución de los precipitados tanto en las PPBs como en el interior de las PP. Se han utilizado el FEG-SEM y el TEM para evaluar las características microestructurales tras la consolidación mediante HIP y tras los tratamientos térmicos post-HIP. Asimismo, se ha empleado la técnica EBSD (Electron Backscatter Diffraction) para estudiar los cambios en el tamaño de grano de ferrita a medida que aumenta la temperatura. Además, se ha estudiado la evolución del itrio y el titanio desde la atomización hasta los tratamientos térmicos post-HIP mediante espectroscopía de absorción de rayos X en la Universidad de Latvia. Finalmente, se ha sometido el material a laminación en caliente, en el KIT (Karlsruhe Institute of Technology), para afinar el tamaño de grano y conseguir una mayor dispersión de las nanopartículas que mejore las propiedades mecánicas obtenidas en la etapa anterior de procesamiento. Se han llevado a cabo ensayos de tracción a temperaturas comprendidas entre 20-700 °C, sobre muestras mecanizadas a partir del material laminado en caliente, para estudiar la resistencia y ductilidad del material final. Estas propiedades proporcionan una valiosa perspectiva sobre la viabilidad de la aplicación de este material en diferentes tipos de reactores. Se ha demostrado la viabilidad de la obtención de aceros ferríticos ODS mediante la nueva ruta de producción propuesta, que evita el aleado mecánico.
- Aerobic digestion processes of sewage sludge: advanced tools to optimize sizing and operation(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Morras-Tercero, M. (Mikel); Garcia-de-las-Heras, J.L. (Jaime Luis); Aymerich-Soler, E. (Enrique)In the past years, WWTP designers and operators have sought for cost-effective and sustainable solutions for the treatment and disposal of sewage sludge minimizing the impact of its management on the overall performance of the mainstream water line. Following this main concern, the present work focuses on studying two different solutions based on aerobic-type digestion systems, namely single stage Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion and Post-Aeration process, in order to optimize their design, obtaining clear guidelines for their operation and sizing at full-scale. With that purpose, these processes have been experimentally tested at pilot scale. The experimental results obtained were evaluated by means of stationary mass and heat balances, and later used as basis for the calibration of a dynamic mathematical model. In order to guarantee an accurate prediction of the experimental data, the dynamic model required of a protocol for the characterization of inlet sludge together with a reliable estimation of the composition of non-biodegradable organic matter in the feed sludge. . Thus, some additional ATAD and biodegradability tests were carried out at lab scale in order to quantify the heat potential of different samples of raw sewage sludge and gain more information regarding the fraction and composition of non-biodegradable organic matter, which severely affected the characterization of sewage sludge. Based on the results, a complete characterization protocol for the non-biodegradable and biodegradable fractions of sludge has been developed. Dynamic model calibration enabled the analysis of multiple scenarios for these processes considering a wide range of operating conditions. The results from this analysis provided with relevant clues for optimizing the design and operation of these processes, and even resulted in the development of simple tools for full-scale design of the Post-aeration process. Moreover, a new procedure for simplifying complex dynamic models has also been devised based on the stationary models used for the analysis of experimental data. The simplified models were demonstrated to provide an accurate description of the processes with very low data requirements. In summary, the results from this work proved the potential of using stationary and dynamic models as advanced tools to optimize the design and operation of aerobic digestion processes.
- Microstructural characterization and transformation kintetiks of austempered bearing steels.=Austenperizatutako errodamendutarako altzairuen mikroegituraren karakterizazioa eta eraldaketa zinetikak(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Aramburu-Iztueta, A.(Ane); Moreno, J.M. (José Manuel); Sánchez-Moreno, J.M. (José Manuel)Tesi honek, errodamenduetan gehien erabiltzen diren 100Cr6, 100CrMnSi6-4 eta 100CrMo7-3 altzairuetan, austenpering tratamendu ezberdinen eragina aztertzen du. Erreferentziatzat 100Cr6 altzairua hartu da eta beste biak, duten tenplagarritasun hobeagatik aukeratu dira, uztailen pareta 30mm baino lodiago den kasuetarako erabilgarriagoak direlako. Nahiz eta tenplaketa eta iraoketa izan altzairu hauetan ohiko gogortze prozedura, distortsioak direla eta, mekanizagarritasun kosteak handitzen direnerako, austenpering tratamenduak egokiagoak dira. Austenizazioa, bereizmen altuko dilatometria bidez ikertu da, altzairu hauen transformazio zinetikak ulertzeko. Hozte jarraiko tratamenduak ere burutu dira, Ms tenperatura egokiro determinatzeko, bereziki 100CrMnSi6-4 eta 100CrMo7-3 altzairuetan. Fase desberdinen frakzio bolumetrikoen eboluzioa, modelo ezberdinak erabiliz kalkulatu da bai austenizazioko berotze arrapalan eta baita austenizazio tenperaturako mantentzean. Lortutako emaitzek, bat egiten dute neurketa metalografikoekin. 100Cr6 altzairuaren transformazio bainitikoak azkar egiten du aurrera, 230ºC-tako tratamendu isotermikoko lehenengo orduan. Hala ere, prozesua nabarmen moteltzen da puntu hortatik aurrera. Behaketa honen harira, bi pausutako tratamenduak diseinatu dira, non temperatura 20ºC igo den azken 5 minutuetarako. Prozedura honekin lortutako bainita kantitateak 230ºC-tan 6 orduz lortutakoen oso antzekoak dira. Aleazio altuagoko altzairuetan (adib. 100CrMnSi6-4 eta 100CrMo7-3) 2 pausutako austenpering tratamenduak ez dira hain eraginkorrak. Transformatu gabeko hondar austenita kantitate esanguratsu bat gelditzen da laginetan tenplaketaren ondoren, eta honek, dimentsio kontrola eta gogortasuna mugatzen ditu. EBSD analisiek, altzairu hipereutektoide hauen mikroegitura, 1 mikra inguruko ferrita aleek osatzen dutela ikusi da; hauek paraleloki 5 mikrako pakete morfologikoak osatzen dituztelarik. Ondoz-ondoko aleen arteko desorientazioa 55ºC-koa da eta txandakako aleen artekoa < 15º. Aldaera hauen hautaketa, transformazio energiaren gutxitzearekin dago zihurrenik erlazionatuta. Martensita orratzen kasuarekiko guztiz bestelakoak dira, kasu honetan aleen arteko desorientazioa nagusiki 60º izanik. Globulizazio ondorengo zementita partikulen tamaina kritikoa da 100Cr6 altzairuan transformazio bainitikoa azkartzeko, perlita hondarrak edo globulizatutako karburo oso finak dituzten materialetan, ez bait da transformazio bainitikoa guztiz gauzatzen. Hau, austenizazioan zehar karburo hauen disolbagarritasun altua dela eta, austenitak duen karbono kantitatea handitzen delako gertatzen da. 100CrMnSi6-4 altzairuan, bainitaren nukleazioa, motelago gertatzen da. Kasu honetan, austenizazioaren ondoren, zementita gutxien duten laginetan, bainita gehiago aurkitu da. Beraz, bainitaren hazkuntzan eragin handiagoa du hazten ari diren bainitaren eta zementita partikulen arteko elkarrekintzak, austenitaren egonkortzeak baino. Errodamendutarako osagaien diseinurako, eskala ezberdinetarako fidagarriak diren emaitzak behar dira. Uztailen eta elementu gurpildunen arteko kontaktuan, mikratako tamaina aldaketekin sortutako aldaketak nabarmenak dira errodamenduen jardunean. Gainera, ukipen errodadura nekearen bidez eragindako kalteak aztertuz, hauek tentsio kontzentrazio altuak dituzten inklusioen inguruan, oso material bolumen txikian gertatzen direla esan daiteke. Horregatik, tesi honen amaieran, mikrozutabeetan flexio esperimentuak burutu dira austenperizatutako laginetan topatutako talderik txkienak (adib. ferrita aleak) deformazio gradientepean entsegatuz eta hauen, propietate mekanikoak neurtuz. Horretarako, enpotratutako zutabe oso txikiak (1,5x1,5x5 mikra) mekanizatu dira fokalizatutako ioi emisio bidez (FIB) ehotuz. Metodo honen bidez neurtutako isurpen tentsioen balioak eskala makroskopikoko trakzio entseguetan lortutakoen bikoitzak dira. Hau, zutabearen enpotramenduan eragindako deformazio gradiente handiekin azaldu daiteke, zeinak estatistikoki, pakete morfologikoan dauden dislokazio iturri kantitatea murrizten duten.
- La sustitución del cobre en pastillas de freno orgánicas mediante polvos metálicos y el estudio de su reacción con los lubricantes sólidos.(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Martinez-Aguirre, A.M. (Ane Maite); Etxeberria-Uranga, J.J. (Jon Joseba)Environmental requirements for new pad and disc materials are becoming increasingly important due to the growing contribution of non-exhaust emissions to vehicle traffic pollution. Copper usage in brake pad formulations has recently become the subject of considerable debate, primarily due to the potentially toxic effects of copper and other heavy metals (including antimony) on human health and environment, specially in water quality. USA legislation requires the use of copper to be reduced to <5% by 2021 and to 0.5% by 2025. Although currently no specific regulation within the European Union imposes limitations on the use of copper, the main brake-producing companies are already manufacturing copper-free brake pads in response to the aforementioned USA legislation being the goal to achieve the same brake performance as the one provided by copper. This PhD work was conducted in collaboration with Pometon S.p.A., a metal powder manufacturer, and GAMA S.p.A., organic brake pad manufacturer. In light of copper being eliminated from the brake pads, this project intends to study the possibility of its replacement in low-steel brake pads using different metal powders produced by Pometon. Therefore, in a first approach copper was replaced by Sn powder, sponge Fe powder and Zn powder. Afterwards, Brakealloy powders were design and produced by a mixture of sponge Fe with a low fusion point metals, such as Sn, Zn or Bi. By means of diffusion bonding, the liquid metal enters the sponge Fe creating the Brakealloy powders. Finally, in a last step, the substitution of a 4% of metal powder by Carbon Fibers (CF) and the addition of high thermal conductivity graphite was carried out. In the present work the study of the influence of copper substitution on the tribo-performance of the friction material is presented, as well as its effect on the formation of the transfer layer formed on the friction surfaces. This transfer layer will be the responsible for the good friction performance and less wear of the pads. Besides, the friction material has to be designed in a way that a constant friction coefficient and good wear resistance could be maintained over a wide range of stressing conditions (pressure, speed, temperature). In order to evaluate the tribological properties of the brake pads they were all tested on the single-ended inertia full-scale brake dynamometer using the SAE J2522 procedure. This way, the performance properties, such as friction, wear and sensitivity of friction towards load, speed and temperature were studied as per industrial practice. Wear of pads and discs was determined by a thickness change of the material during the friction test. In parallel, the pads manufactured at CEIT were tested in a new tribo-tester, Pin-On-Disk type, which was designed and built as part of this project. On the other hand, the microstructure and the composition of the transfer layer formed during friction were characterized by preparing different cross-sections using Focused Ion Beam (FIB) technique and using EDS analyses afterwards. For one of the samples, the transfer layer was studied by transmission electron microscopy (TEM) so that, its nanostructure morphology could be determined. The Glancing Incidence X-ray Diffraction technique (GIXRD) and SEM-EDS were also used to characterize the surfaces of the worn pads and disc. The first friction test results showed that the formulation with Zn powder had a good friction behavior, with a stable friction coefficient and less wear of the material, which was related to the presence of zinc oxide and zinc sulfide in the transfer layer acting like lubricants at high temperature. Concurrently, the presence of metal sulfides and intermetallic metal-Sb compounds indicate the high effect that the chemical reactions between constituents have in the formation of the transfer layer, especially Sb2S3 and metal powders. Those reaction products were also found in the section of the brake pads. In latter tests, the replacement of Cu by Brakealloy powders was observed to provide a higher friction coefficient and less fade resistance than copper base formulation, except for Brakealloy ZC, with Zn and Cu. Moreover, these formulations showed a higher wear of friction material and disk. This behavior was related to a low reactivity of these Brakealloys to react with Sb2S3 due to the intermetallic phases formed in the fabrication of the Brakealloy powders. This, at the same time, is the responsible for a lower metal oxides concentration in the transfer layer coming from the oxidation of the Brakealloy. The replacement of Sb2S3 by a lubricant based on SnS was also carried out in the selected formulations with Zn and Brakealloy Z, creating a more eco-friendly brake pad. Friction materials with SnS showed a better friction behavior at high temperatures, with a higher fade resistance in formulation with Brakealloy Z. No intermetallic compounds were determined when SnS lubricant was used, being this lubricant less reactive with metal powders than Sb2S3. In the last tests, the replacement of Cu powder with alternatives metal powders such as Zn or Brakealloy Z, and addition of Carbon Fibers was successfully achieved. The formulation M5Lub2FC showed similar friction behaviour to the copper content reference material M1*. Moreover, the replacement of Sb2S3 by a solid lubricant based on tin sulfide was successfully carried out overcoming a new legislation concerning Sb compounds. For further study of the chemical reactions between solid lubricants (Sb2S3 and SnS) and metal powders (Cu, Sn, Fe, Zn and Brakealloys) binary mixtures containing same weight ratio of these metal powders and solid lubricants that pads contained, were prepared. This study was carried out by thermal analysis techniques, DSC-TGA. Additionally the binary mixtures were also conducted to different thermal treatments (in air and argon), and characterized by XRD technique afterwards. In general the same reaction products were determined in the brake pads and in the binary mixtures. Finally, one of the formulations designed in this PhD was validated by GAMA for a commercial use, showing good friction behavior and good results in the noise test.
- Estudio de la precipitación inducida por deformación y su interacción con los procesos de ablandamiento en aceros mecroaleados con alto contenido en Mn.(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Llanos-Méndez, L. (Laura); López-Soria, B. (Beatriz); Pereda-Centeno, B. (Beatriz)Actualmente, debido a la demanda de la industria automovilística y a la competencia con materiales más ligeros, están en desarrollo nuevos grados de acero, destacando entre ellos los aceros con alto contenido en Mn (15-30%) también conocidos como aceros TWIP (TWinning Induced Plasticity). Estos aceros presentan una excelente combinación resistencia-ductilidad, posibilitando una reducción significativa del espesor de algunos de los componentes del automóvil. Por ello suscitan un interés especial como componentes estructurales del automóvil. Además, en situación de impacto facilitan que se preserve la integridad estructural del automóvil. Sin embargo, uno de los mayores inconvenientes es su bajo límite elástico, por lo que existe un especial interés en buscar estrategias para aumentar esta propiedad. La adición de microaleantes (Nb, V y/o Ti) surge como un mecanismo ideal para incrementar el límite elástico de estos aceros. Estos elementos pueden precipitar en forma de carburos y/o nitruros durante las diferentes etapas del proceso de producción del acero. Dependiendo de la fracción volumétrica, coherencia y tamaño de los precipitados, éstos pueden dar lugar a un significativo endurecimiento del material. Aunque diversos trabajos han mostrado resultados positivos en cuanto al potencial endurecedor de estos microaleantes en aceros TWIP, se ha prestado menos atención al efecto que la microaleación puede tener en otras etapas de su conformado o al efecto que los altos niveles de Mn pueden tener sobre los tiempos para el inicio de la precipitación inducida por deformación. Por otra parte, los microaleantes en solución sólida o en forma de precipitados pueden resultar en un incremento significativo en las cargas de laminación, lo que dificultaría aún más las ya complicadas condiciones de procesado de estos aceros. Además, si se da precipitación inducida por deformación durante la laminación en caliente, se pierde parte del microaleante disponible para precipitar en etapas posteriores, lo que puede resultar en una pérdida de eficiencia de la microaleación. Teniendo esto en cuenta, esta tesis se ha centrado en la caracterización de las cinéticas de ablandamiento y de precipitación inducida por deformación durante la deformación en caliente de varios aceros con niveles altos de Mn (20 y 30%) microaleados con Nb o V. Para ello, las probetas se han deformado en el banco de torsión mediante dos tipos de ensayos; ensayos de doble pasada de deformación, que permiten la determinación de las cinéticas de ablandamiento, y ensayos de temple, para analizar la microestructura y el estado de precipitación de las probetas en las condiciones de temperatura y tiempo de mantenimiento deseadas. La presencia de precipitados inducidos por deformación se ha caracterizado mediante el análisis de réplicas de extracción en el TEM, y se han relacionado los resultados obtenidos con las cinéticas de ablandamiento. Además, se han examinado láminas delgadas de varios de los aceros microaleados con Nb para llevar a cabo un análisis más exhaustivo de la precipitación. Asimismo, en algunos casos se ha cuantificado la fracción volumétrica de precipitado a partir de la técnica EFTEM. También se ha determinado la fracción recristalizada mediante EBSD para varias muestras y se han comparado con la fracción ablandada obtenida a partir de los ensayos mecánicos. Por último, se ha obtenido una ecuación semi-empírica para predecir las cinéticas de recristalización de estos aceros en aquellos casos donde no se da precipitación inducida por deformación. Además, se ha estudiado la aplicabilidad de un modelo físico de evolución microestructural que tiene en cuenta la interacción entre restauración, recristalización y precipitación inducida por deformación. Los resultados experimentales se han utilizado para determinar los parámetros físicos desconocidos y validar las predicciones de fracción volumétrica de precipitado predichas por el modelo.
- Development of methodology for the characterisation and modelling of soft tissues for real-time simulation. Application to the modelling of the viscoelastic mechanical response of brain tissue.(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Mendizabal-Dones, A. (Ainhitze); Sanchez-Tapia, E.J. (Emilio José); Aguinaga-Hoyos, I. (Iker)The characterisation of the mechanical properties of biological soft tissues is of great interest for many applications in the bioengineering field: such as for the detection of tumours and diseases, for the development of medical assistive and surgical technologies. These technologies include surgery simulation, which based on computational methods, reproduces surgical procedures in order to develop the skills of the surgeon, to plan operations or to provide technical support to surgeon during the operation. However, modelling the physical behaviour of human organs and tissues remains a challenge. This is due to the difficulty in characterising the physical properties of biological soft tissues. Besides, the challenge lies on the computation time requirements for real-time simulations. Surgical real-time simulation should employ a sufficiently precise and simple model in order to provide a realistic tactile and visual feedback. To address these difficulties, this thesis presents a methodology for the characterisation and modelling of the mechanical properties of soft tissues, for its integration into real-time surgical simulators. The characterisation is performed in the laboratory using a parallel plate rheometer. The methodology has been applied to synthetic materials such as agar gel, as well as to biological tissues such as porcine brain tissue. By performing this characterisation, different mathematical models have been analysed and developed for the modelling of the selected tissues. These models have been studied in order to select the most appropriate one, depending on the specific requirements of the simulator.
- Transformaciones de fase en aceros de bajo contenido en C microaleados con Nb y V(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) García-Riesco, P.M. (Pedro Manuel); Uranga-Zuaznabar, P. (Peio); López-Soria, B. (Beatriz)The phase transformations occurring during continuous cooling in Nb-V microalloyed steels have been analyzed in depth on this thesis. In particular, three compositions of niobium microalloyed steels and three steels microalloyed with vanadium have been characterized. The work is divided into six chapters and begins with a brief introduction which aims to value the importance of the steel in the modern world. Then, on the second chapter, the most important metallurgical concepts related especially to low carbon steels in the literature have been reviewed and summarized. Chemical compositions and experimental techniques carried out are detailed on the third chapter. Experimental techniques have consisted mainly in two types of tests (dilatometry and multipass torsion tests). The data obtained from the continuous cooling tests have been used to develop two mathematical models. These models aim to summarize the behavior of the analyzed steels according to three leading variables: the austenite grain size, accumulated deformation and cooling rate. At the fourth chapter, the results obtained and the principles governing the two developed models have been described. This chapter is divided into four blocks, the first one consists on a summary of the microstructural characterization performed and continuous cooling diagrams (CCT diagrams) obtained by dilatometry tests. These tests were carried out with the three Nb microalloyed steels and C-Mn-V1. In the second block of results, a predictive model of the austenite transformation kinetics is developed. The microstructures obtained are composed of one or more phases (ferrite, pearlite and bainite) upon cooling from different austenite microstructures (recrystallized and deformed). On the third block the study has been focused on the austenite-ferrite transformation (low cooling rates). Besides the improvement in predicting the mean ferrite size, a model that takes into account the heterogeneity of the austenite grain size distributions before the phase transformation has been developed. The effect of heterogeneity in the austenite-ferrite transformation has been studied in terms of different variables (Effective Austenite grain size and cooling rate). The objective of the model is to predict the grain size distribution of transformed ferrite from different austenite conditions. Finally, a study of the hot rolling process on different industrial profiles is described with two steels similar to C-Mn-V1 composition. The effect of varying temperatures and strain distribution has been studied by hot torsion multi-pass testing. Then, after quantifying the microstructural changes associated to these changes in the rolling process, the austenite-ferrite transformation model has been validated again. These microstructures correspond to a similar range of cooling rates compared to the microstructures obtained by dilatometry trials, which have been adjusted the model parameters. In the fifth chapter of this work the conclusions and future lines of work have been presented. Finally, the three publications developed during the course of this thesis have been attached. Specifically, an international journal publication (ISIJ International, Vol 55, n.9, 2015), an international conference proceeding contribution (British Columbia, Canada, June 2015) and a contribution to the XIII National Materials Congress (Barcelona, June 2014).
- Modelación de la refrigeración por convección natural de centros de transformación subterráneos.(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Beiza-Silva, M.P.(Maximiliano Patricio); Ramos-González, J. (Juan Carlos)La presente tesis se basa en el desarrollo de modelos matemáticos que permitan simular el fenómeno de refrigeración que tiene lugar dentro de los centros de transformación subterráneos. Para este objetivo se han utilizado modelos térmicos de distinto orden de complejidad en busca de reducir los problemas que impliquen una pérdida de eficiencia en el proceso. En una primera etapa se ha trabajado con modelos diferenciales detallados analizando las características térmicas y de flujo principales y obteniendo información relevante del proceso. En una segunda etapa se ha desarrollado y ajustado un modelo zonal simplificado basándose en la información obtenida en la primera etapa. El modelo simplificado caracteriza correctamente los aspectos críticos del modelo detallado, ofreciendo resultados útiles en un lapso de tiempo aceptable. Los resultados térmicos ofrecidos por sendos modelos han sido numéricamente verificados, experimentalmente validados y completamente analizados. El modelo simplificado se implementó en un software complementándose con un modelo previamente desarrollado para el diseño de transformadores de distribución. Este modelo final facilita el diseño de centros de transformación desde un punto de vista estrictamente térmico. Esta herramienta permite realizar el análisis de distintos tipos de configuración geométrica y condiciones de funcionamiento con una gran versatilidad. Finalmente permite obtener cuál es la respuesta térmica estacionaria del diseño planteado. Como parte de su desarrollo se realizó un estudio paramétrico específico que permite valorar la importancia relativa de distintos aspectos de diseño en la respuesta térmica obtenida. La información obtenida del estudio y la herramienta desarrollada son una contribución de gran utilidad para el diseñador de centros de transformación subterráneos.
- Evaluación de una Técnica de Nebulización para la Administración de Surfactante en la Población Neonatal. Establecimiento de las Pautas para el Diseño de un Nuevo Dispositivo.(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Goikoetxea-Miranda, E. (Estibalitz); Murgia-Esteve, X.(Xabier); Rivas-Nieto, A. (Alejandro); Antón-Remírez, R. (Raúl)The current treatment to cure neonatal Respiratory Distress Syndrome (RDS) entails several risks for the preterm infant. This treatment requires the intubation of the patient and the administration of an intratracheal bolus of surfactant. The current trend in neonatology is towards the development of a more gradual and less invasive treatment. In this regard, administering aerosolized surfactant in conjunction with a non-invasive respiratory support is a promising technique. This thesis has been developed in the experimental and numerical fields. Firstly, an experimental or in vitro study of an existing nebulizer was carried out to determine the feasibility of generating surfactant aerosols above the vocal chords in preterm infants. In addition, a mathematical model that predicts the behavior of the aerosol within the neonatal physical model of the trachea was constructed. Finally, some guidelines have been proposed in order to improve the design of this nebulizer. The experimental evaluation of the nebulizer, that is an inhalation catheter, has been made by means of a high speed camera, a pneumotach, an aerodynamic particle sizer, a precision balance and a hot-wire anemometer. Moreover, two physical models of the neonatal upper airways have been manufactured by rapid prototyping; one of them represents the neonatal trachea whereas the other one represents the respiratory system from the trachea to the third generation. An experimental deposition study has been carried out within these physical models, placing the aerosol generation tip at the beginning of the trachea. Experimental results show that surfactant aerosolization seems to be feasible to treat neonatal RDS using an inhalation catheter. Regarding the modeling, a mathematical model that predicts the behavior of the aerosol produced by the inhalation catheter within the neonatal model of the trachea has been constructed. This mathematical model has been validated making a comparison between numerical and experimental results. This model has allowed for the making of a numerical study on the influence of the aerosol characteristics, such as the particle diameter or the surfactant mass flow rate, in the deposition of the particles. After analyzing the numerical and experimental results, some guidelines have been recommended to improve the design of this inhalation catheter and, consequently, the surfactant administration efficiency in neonates.
- Development and Improvement of Optical Tracking Methods towards Registering the Deformations of 3D Non- Rigid Bodies in Real Time for Augmented Reality Applications(Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra, 2015) Leizea-Alonso, I. (Ibai); Álvarez-Ponga, H. (Hugo); Borro-Yagüez, D. (Diego)Augmented Reality (AR) is a technology that aims to embed virtual objects in the real world, showing to the user the set of objects (virtual and real) as a single world. For that purpose, it is necessary to offer a perfect alignment between virtual and real objects, which increases the effectiveness of AR. The solution to this problem is known as tracking. The object tracking consists in determining at any time the position and orientation of the camera relative to the scene. Optical sensors are most commonly used to overcome the tracking problem due to their low cost implementation. However, it is often difficult to provide robustness, accuracy and low computational cost at the same time. This thesis tackles the improvement and development of the main optical tracking techniques, primarily focused on detecting the deformations of the bodies. First, it has been achieved the tracking of rigid and non-rigid planar surfaces through a monocular camera, and then, the object deformation estimation with a more complex device as a RGB-D camera has been developed. Surface tracking systems such as those based on markers have the problem of not being able to handle occlusions. Thus, this thesis raises a new marker design that offers robustness against occlusions. Furthermore, in order to handle the deformations of surfaces, a solution that recovers the camera pose and the non-rigid surface simultaneously is proposed. Continuing with the deformation handling, it has also developed a robust tracking system for reconstructing the 3D shape of deformable objects using two different physical formulations. One offers a correct physical behaviour with a low computational cost, whereas the other achieves higher levels of accuracy at the expense of higher processing time. In addition, all the presented solutions have the common factor that all are executed in real time, which is a key property for a fluently visual feedback of an AR application.