Ingeniería en Materiales - Tesis de Doctoradohttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/2062024-03-28T09:28:41Z2024-03-28T09:28:41ZLaminado en frio con rodillos rugosos: un nuevo proceso para la obtencion de micro o nano granos superficiales en grandes areas.Maril Millán, Yasmin Alejandrahttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/117832024-01-19T06:03:12Z2024-01-01T00:00:00ZLaminado en frio con rodillos rugosos: un nuevo proceso para la obtencion de micro o nano granos superficiales en grandes areas.
Maril Millán, Yasmin Alejandra
Los procesos de deformación plástica severa en cercanías de la superficie, seguidos de recocidos a bajas temperaturas, han demostrado ser altamente efectivos para generar micro/nano granos en la capa superficial de los materiales. En este contexto, en esta tesis se ha desarrollado y estudiado una técnica innovadora que simula y reemplaza uno de los procesos de deformación plástica superficial existentes, el arenado. El objetivo es lograr una red uniforme de zonas de alta deformación en la superficie del material, actuante como centros de nucleación durante el recocido posterior. El método propuesto consiste en una laminación en frío utilizando rodillos rugosos, seguido de una recristalización a bajas temperaturas y, a diferencia del arenado convencional, ofrece la ventaja de ser un procesamiento continuo con una alta productividad. Para el estudio de este proceso, se llevaron a cabo laminaciones en frío de placas de acero inoxidable austenítico utilizando rodillos rugosos, y posteriormente se realizaron recocidos a temperaturas comprendidas entre 200°C y 400°C durante una hora. Los análisis microestructurales mediante microscopía óptica y electrónica revelaron la presencia de nuevos granos superficiales pequeños, algunos de 200-300 nm, distribuidos de forma heterogénea, lo que aumenta la resistencia al desgaste del material. Dado que la rugosidad impuesta por los rodillos desempeña un rol clave en la determinación de las propiedades finales, específicamente en la deformación plástica y microestructura superficial, se realizó un estudio numérico del proceso propuesto mediante elementos finitos para comprender esa influencia y predecir su efecto en los nuevos granos superficiales obtenidos, y luego correlacionarlo con la evidencia experimental. Esta simulación numérica reveló la presencia de una deformación plástica severa distribuida de forma heterogénea en toda la superficie, un resultado que se alinea con los resultados de los análisis microestructurales, donde se observó que la formación de nuevos granos también fue localizada de manera no homogénea. A pesar de esta heterogeneidad en la distribución de la microestructura, la presencia de granos más pequeños en la superficie condujo a mejoras significativas en las propiedades mecánicas. Se registró un aumento del 20% en la nano dureza superficial en comparación con el centro de la pieza y reducciones del 26% y 45 % en la profundidad del desgaste y la pérdida de masa respectivamente. En resumen, este método innovador ofrece una alternativa prometedora para producir microestructuras y nanoestructuras que resultan en propiedades mecánicas superficiales mejoradas.; Severe surface plastic deformation processes followed by low-temperature annealing have demonstrated remarkable effectiveness in generating micro/nano grains within the surface layer of materials. In this context, an innovative technique attempts to recreate the superficial deformation occurring in the sandblasting process to create a uniform network of highstrain zones on the material's surface. These high-strain zones act as nucleation centers during subsequent annealing. However, the proposed method has a significant advantage over sandblasting: it is a continuous process with high productivity. It begins with cold rolling using rough rolls and is followed by recrystallization at low temperatures. An austenitic stainless-steel sheet, previously normalized, was used as the raw material. The samples were cold rolled using rough rolls, and annealed at temperatures between 200°C and 400 °C for one hour. An optical and electronic microstructure analysis showed the presence of small, heterogeneously distributed surface grains of 200–300 nm in diameter. At the same time, the surface grain refinement resulting from the proposed process enhances the material's wear resistance. Since the roughness imposed by the rolls plays a main role in determining the final properties, particularly plastic deformation and surface microstructure, a numerical study of the proposed process was undertaken using finite elements to comprehend this influence and predict its impact on the newly formed surface grains. This prediction was then correlated with experimental evidence. Finite element analysis revealed significant, inhomogeneous deformation and likely responsible for the uneven distribution of the recrystallized grains; this result is consistent with the microstructural analysis results, which demonstrated localized formation of new grains. Despite the heterogeneity in microstructure distribution, the presence of smaller grains on the surface led to significant improvements in mechanical properties. Surface nano hardness results showed a 20% increase with respect to the central zone of the material and wear tests of the treated samples showed 26% and 45% lower wear deep and mass loss, respectively. In summary, this innovative method presents a promising alternative for producing microstructures and nanostructures that result in enhanced surface mechanical properties.
Tesis presentada para optar al grado de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales.
2024-01-01T00:00:00ZDesarrollo de electrodos para la valorización de lixiviado de vertedero mediante electrocoagulación.Núñez Gutiérrez, Javier Jahirhttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/117772024-01-19T06:03:17Z2024-01-01T00:00:00ZDesarrollo de electrodos para la valorización de lixiviado de vertedero mediante electrocoagulación.
Núñez Gutiérrez, Javier Jahir
Chile enfrenta una creciente crisis hídrica, catalogada de "estrés hídrico alto" según el informe de 2019 del World Resources Institute del Pacto Mundial de las Naciones Unidas. Esta situación se caracteriza por la demanda de agua que supera la disponibilidad de fuentes de agua dulce en el país. El sector agrícola es el principal consumidor, utilizando cerca del 73% del recurso hídrico disponible. La reutilización de aguas residuales emerge como una solución clave para atenuar esta escasez hídrica. Entre las fuentes de agua susceptibles de reutilización se encuentran los lixiviados de vertedero, los cuales comúnmente son sometidos a tratamientos biológicos y químicos en secuencias que pueden extenderse por más de 60 días. El principal desafío para esta reutilización es contar con un tratamiento que permita alcanzar los estándares requeridos por la normativa correspondiente; en particular, el sodio porcentual definido como Na/(Na+Mg+Ca+K). Para abordar el tratamiento de estas aguas, la electrocoagulación se destaca como una alternativa ecológica, versátil y eficiente. Dentro de sus ventajas destaca que no requiere agentes tóxicos para su operación y la baja generación de lodos posterior al tratamiento. Mediante el uso de los ánodos convencionales de aluminio o hierro, es posible remover muchos de los contaminantes de los lixiviados de vertedero, sin embargo, no se logra disminuir el sodio porcentual. Así, el objetivo de esta tesis doctoral es diseñar, producir y testear materiales que sirvan como ánodos para ser utilizados en el tratamiento de lixiviados de vertederos mediante electrocoagulación, de manera que el agua tratada cumpla con las condiciones de calidad para ser utilizadas como agua de riego en agricultura. El trabajo realizado constó de tres etapas; la primera se focalizó en el desarrollo de un modelo predictivo que introduce un nuevo factor denominado J. Este factor, que relaciona la masa de coagulantes generados durante la electrocoagulación con la cantidad de contaminantes a remover, permitió obtener modelos que predicen la remoción de la demanda química de oxígeno. Los coeficientes de determinación, R2, para dichos modelos fueron de 0,96 y 0,94 utilizando ánodos de aluminio y hierro, respectivamente. De acuerdo con los resultados obtenidos en los modelos, se diseñaron, produjeron y probaron materiales anódicos de aluminio-magnesio, con composiciones de magnesio entre el 6% y el 12%. Los resultados revelaron que la aleación de 88Al-12Mg logró una remoción del 52,9% para la DQO, 98,1% en turbidez, 97,9% en color, dejando el agua tratada con un porcentaje de sodio porcentual por debajo del 35% establecido como máximo permitido por la norma, y una concentración de aluminio de 0,008 mg/L. Estos resultados se alcanzaron con un tiempo de tratamiento de solo 15 min y un consumo energético considerablemente menor a los reportados en la literatura. Finalmente, se abordó el reusó sostenible evaluando la calidad del agua tratada mediante la comparación con normativas nacionales e internacionales. Se llevaron a cabo bioensayos para evaluar la toxicidad del agua tratada, demostrándose que con ella se alcanzó un índice de germinación de semillas de Lactuca sativa del 83,2%, y que el crecimiento de estas plántulas se observó levemente afectado, presumiblemente debido a la alta conductividad eléctrica del lixiviado tratado. El enfoque integral de esta tesis de doctorado ha permitido no solo la obtención de un material que permite un tratamiento altamente eficaz de los lixiviados de vertedero, sino también una evaluación exhaustiva de la idoneidad del agua tratada para su reutilización.
Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales.
2024-01-01T00:00:00ZEstudio de la modificación superficial en fibras de carbono recicladas y su influencia en la interfaz fibra-matriz sobre las propiedades mecánicas de materiales de altas prestaciones.Salas Salgado, Alexis Fidelhttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/113522023-11-11T00:13:30Z2023-01-01T00:00:00ZEstudio de la modificación superficial en fibras de carbono recicladas y su influencia en la interfaz fibra-matriz sobre las propiedades mecánicas de materiales de altas prestaciones.
Salas Salgado, Alexis Fidel
Con el paso de los años, el uso de fibra de carbono en las industrias automovilística, aeroespacial y de energía ha generado un incremento en la demanda global de estos materiales, con una demanda esperada de 194 kt para el año 2022 y un valor de marcado global de $48.7 billones de USD. Sin embargo, existen problemas con el manejo de los residuos de estos materiales, ya que su manufactura produce un 30% de residuos y a esto se debe sumar todos los componentes dados de baja luego de cumplir su vida útil. Por este motivo es importante abordar una estrategia de reciclaje que permita reincorporar estos desechos a las diferentes industrias. El principal problema de las fibras recicladas es la disminución de sus propiedades mecánicas, específicamente su resistencia a la tracción, restringiendo el uso de estos materiales en aplicaciones de alta exigencia mecánica. Uno de los factores que influye en esta disminución de propiedades corresponde a la eliminación del sizing que recubre estas fibras, mecanismo de unión entre la fibra y la matriz. Otro factor corresponde a la estructura química y morfológica de la superficie de las fibras, las cuales se pueden degradar debido al uso de estos materiales (provocando microgrietas, por ejemplo). Considerando lo anterior, este proyecto tiene como objetivo estudiar la estructura y morfología de fibras de carbono recicladas por pirólisis que permita seleccionar un tratamiento superficial sencillo, mejorando las propiedades de adhesión fibra-matriz incorporando nanopartículas en un material compuesto reforzado con fibra de carbono reciclada. Se realiza un estudio de la estructura química y morfológica de las fibras de carbono recicladas, de tal forma de minimizar los daños en la superficie. Luego se investigan métodos para mejorar la interfaz fibra matriz, considerando el nivel de daño de la superficie de la fibra y las propiedades micromecánicas del material compuesto, de esta forma se pretende reparar y modificar la estructura superficial obteniendo una mejora en las propiedades de la interfaz y por consiguiente del comportamiento mecánico macroscópico de los materiales compuestos reciclados. Los métodos de reciclaje por pirólisis en dos pasos y pirólisis microondas permiten recuperar fibras de carbono en forma de tejidos a partir de materiales compuestos, el primero mantiene la integridad estructural y el segundo presenta mayor cantidad de grupos funcionales en la superficie de las fibras. Una vez nanoreforzados se observa que las nanopartículas de SiO2 favorecen las propiedades de adhesión fibra-matriz y los nanorods de ZnO mejoran las propiedades en tracción, sin embargo sólo es posible recuperar cerca del 70% de las propiedades originales de la fibra de carbono.; Over the years, the use of carbon fiber in the automotive, aerospace, and energy industries has generated an increase in global demand for these materials, with an expected demand of 194 kt by 2022 and a market value of USD 48.7 billion. However, there are problems with the management of waste from these materials since their manufacturing produces 30% waste, and due to this, all the components are discarded after reaching their useful life. For this reason, it is crucial to address a recycling strategy that allows these wastes to be reincorporated into different industries. The main problem with recycled fibers is the decrease in their mechanical properties, precisely their tensile strength, restricting the use of these materials in applications with high mechanical demands. One factor that influences this decrease in properties corresponds to the elimination of the sizing that covers these fibers, a binding mechanism between the fiber and the matrix. Another factor corresponds to the chemical and morphological structure of the surface of the fibers, which can degrade due to the use of these materials (causing microcracks, for example). Considering the above, this project aims to study the structure and morphology of carbon fibers recycled by pyrolysis. This allows for selecting a simple surface treatment, improving the fiber-matrix adhesion properties by incorporating nanoparticles in a composite material reinforced with recycled carbon fiber. A study of the recycled carbon fibers’ chemical and morphological structure is carried out to minimize surface damage. Methods are then investigated to improve the fiber-matrix interface, considering the level of damage to the fiber surface and the micromechanical properties of the composite material. In this way, it is intended to repair and modify the surface structure, improving the interface’s properties. Furthermore, consequently, the macroscopic mechanical behavior of the recycled composite materials. Recycling methods by two-step pyrolysis and microwave pyrolysis allow the recovery of carbon fibers in the form of fabrics from composite materials, the first maintaining structural integrity and the second presenting a more significant number of functional groups on the surface of the fibers. Once nanoreinforced, it is observed that the SiO2 nanoparticles favor the fiber-matrix adhesion properties, and the ZnO nanorods improve the tensile properties; however, it is only possible to recover about 70% of the original properties of the carbon fiber.
Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales.
2023-01-01T00:00:00ZAleaciones súper austeníticas estabilizadas con (Nb, V o Ti) expuestas en sales fundidas aplicadas en plantas térmicas concentradoras solares y salinas.Ramírez Briceño, Jesus Alfredohttp://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/111802023-11-10T23:16:11Z2023-01-01T00:00:00ZAleaciones súper austeníticas estabilizadas con (Nb, V o Ti) expuestas en sales fundidas aplicadas en plantas térmicas concentradoras solares y salinas.
Ramírez Briceño, Jesus Alfredo
La siguiente investigación lleva por título “Aleaciones Súper Austeníticas estabilizadas con (Nb, V o Ti) expuestas en sales fundidas aplicadas en Plantas térmicas Concentradoras Solares". El desarrollo de esta investigación parte del estudio de un acero SASS-Nb modificado a partir del acero comercial 254SMO. En esta investigación se determinó el efecto del Nb como agente estabilizador y las temperaturas de tratamiento térmico optimas de recocido de precipitación sobre las propiedades de resistencia a la corrosión general y localizada. De acuerdo con esta investigación existen algunas incertidumbres e hipótesis si la adicción de otros elementos estabilizadores como (Nb, V y Ti), puedan incrementar las propiedades mecánicas, específicamente la resistencia al fenómeno de termofluencia sin promover la corrosión intergranular. La investigación del acero SASS-Nb modificado a partir del acero comercial 254SMO y 709, crea una base científica y un reto tecnológico para el diseño de nuevos aceros inoxidables superausteníticos (A1 y A2) con modificación de Mo y adición de nuevos elementos estabilizadores. La investigación realizada se enfocó en el diseño, producción, caracterización y evaluación de dos tipos de aceros Súper Austeníticos con la adición de elementos estabilizadores y tierras raras. Los aceros desarrollados fueron evaluados frente a condiciones cíclicas de trabajo (temperatura y tiempo) a las cuales operan los sistemas de almacenamiento de energía solar (tanques de almacenamiento, tuberías y válvulas), como lo son altas temperaturas (550 °C) y medios agresivos (sal solar), para evaluar su comportamiento como solución al deterioro acelerado de estos materiales. Se utilizó la simulación termodinámica Thermo-Calc, con la finalidad de predecir las posibles fases secundarias intermetálicas (σ, chi, MX, M23C6 y Laves) y temperatura de aplicación de tratamientos térmicos. La producción de las dos aleaciones se enfocó en el estudio de la influencia de la concentración de Nb, Ti y V con respecto a las propiedades de termofluencia. Asimismo, se integró el Ce para el estudio o contribución a la resistencia a la corrosión a alta temperatura y sales fundidas. Las aleaciones producidas fueron formadas por Nb, V, Ti y Ce en un rango de 0.37 %, 0.09 %, 0.02 % y 0.009 % (A1) y 0.16 %, 0.34 %, 0.00 % y 0.01 % (A2) y composiciones de Cr, Ni, Cu, Mn, Si y Fe similares. Se realizaron caracterización en condiciones iniciales y de exposición, mediante microscopia óptica, MEB, RAMAN, AFM, XPS y DRX. Como principales resultados se tiene que la microscopía óptica en ambas aleaciones mostró inclusiones no metálicas de óxidos globulares tipo D2 y morfología de granos austeníticos equiaxiales con tamaño de grano ASTM6 y precipitaciones secundarias. Los aceros diseñados expuesto alta temperatura (800 °C y 110 h de exposición) presentaron un excelente comportamiento con ganancia de masa de 0.17 mg/cm2 y 2.49 mg/cm2 para A1 y A2 respectivamente, siendo su cinética de oxidación del tipo parabólica con valores de su contante cinética de 9.16 × 10-13 g2/cm-4s-1 y 3,40 × 10-11 g2/cm-4s-1, lo cual indica una excelente resistencia de los aceros a la exposición a alta temperatura. En lo que respecta a la exposición en sales fundidas (NaNO3 y KNO3) a 550 °C durante 720 h, ambas aleaciones diseñadas presentaron un excelente comportamiento con ganancia de masa de 0.0110 mg/cm2 y 0.0353 mg/cm2 para A1 y A2 respectivamente. Es decir, sus ganancias de masa son muy bajas lo cual es excelente para la aplicación en plantas térmicas solares. Por otra parte, las propiedades mecánicas de tracción, dureza y termofluencia presentadas en las aleaciones A1 y A2 son excelentes y comparables al acero comercial 709. Destacándose la aleación A1 con altos tiempo de ruptura en ensayos de termofluencia en el orden de 1190 h a condiciones de 720 h – 150 MPa. De manera general, 1) la adición de elementos estabilizadores como Nb, V, Ti aumentaron la resistencia a la termofluencia de las aleaciones mediante el mecanismo de endurecimiento por precipitación (NbMX, TiMX y VMX) y 2) la adicción de Ce por debajo de 0.01 ppm modifica la microestructura de las aleaciones, resistencia a la oxidación y produce un refinamiento de la estructura dendrítica.
Tesis para optar al grado académico de Doctor en Ciencias e Ingeniería de Materiales.
2023-01-01T00:00:00Z