In situ study of granular micromechanics in semi-solid carbon steels

The granular micromechanics of semi-solid steel at ∼80% solid are studied by synchrotron radiography. A particulate soil mechanics approach to image analysis shows that deformation occurs by the translation and rotation of quasi-rigid grains under the action of contact forces, and that the changes in directional fabric and grain–grain contacts occur by mechanisms similar to those of highly compacted soils including “locked sands”. Grain-scale phenomena are then linked to the macroscopic displacement and strain fields and it is shown that shear-induced dilation is a fundamental response at both the grain and macro scales. Based on this, recommendations are made on future rheology experiments

Enhancing Mesh Deformation Realism: Dynamic Mesostructure Detailing and Procedural Microstructure Synthesis

Propomos uma solução para gerar dados de mapas de relevo dinâmicos para simular deformações em superfícies macias, com foco na pele humana. A solução incorpora a simulação de rugas ao nível mesoestrutural e utiliza texturas procedurais para adicionar detalhes de microestrutura estáticos. Oferece flexibilidade além da pele humana, permitindo a geração de padrões que imitam deformações em outros materiais macios, como couro, durante a animação. As soluções existentes para simular rugas e pistas de deformação frequentemente dependem de hardware especializado, que é dispendioso e de difícil acesso. Além disso, depender exclusivamente de dados capturados limita a direção artística e dificulta a adaptação a mudanças. Em contraste, a solução proposta permite a síntese dinâmica de texturas que se adaptam às deformações subjacentes da malha de forma fisicamente plausível. Vários métodos foram explorados para sintetizar rugas diretamente na geometria, mas sofrem de limitações como auto-interseções e maiores requisitos de armazenamento. A intervenção manual de artistas na criação de mapas de rugas e mapas de tensão permite controle, mas pode ser limitada em deformações complexas ou onde maior realismo seja necessário. O nosso trabalho destaca o potencial dos métodos procedimentais para aprimorar a geração de padrões de deformação dinâmica, incluindo rugas, com maior controle criativo e sem depender de dados capturados. A incorporação de padrões procedimentais estáticos melhora o realismo, e a abordagem pode ser estendida além da pele para outros materiais macios.We propose a solution for generating dynamic heightmap data to simulate deformations for soft surfaces, with a focus on human skin. The solution incorporates mesostructure-level wrinkles and utilizes procedural textures to add static microstructure details. It offers flexibility beyond human skin, enabling the generation of patterns mimicking deformations in other soft materials, such as leater, during animation. Existing solutions for simulating wrinkles and deformation cues often rely on specialized hardware, which is costly and not easily accessible. Moreover, relying solely on captured data limits artistic direction and hinders adaptability to changes. In contrast, our proposed solution provides dynamic texture synthesis that adapts to underlying mesh deformations. Various methods have been explored to synthesize wrinkles directly to the geometry, but they suffer from limitations such as self-intersections and increased storage requirements. Manual intervention by artists using wrinkle maps and tension maps provides control but may be limited to the physics-based simulations. Our research presents the potential of procedural methods to enhance the generation of dynamic deformation patterns, including wrinkles, with greater creative control and without reliance on captured data. Incorporating static procedural patterns improves realism, and the approach can be extended to other soft-materials beyond skin

PHOTOGRAMMETRY DRIVEN TOOLS TO SUPPORT THE RESTORATION OF OPEN-AIR BRONZE SURFACES OF SCULPTURES: AN INTEGRATED SOLUTION STARTING FROM THE EXPERIENCE OF THE NEPTUNE FOUNTAIN IN BOLOGNA

Checking the irreversible process of clean-up is a delicate task that requires a work of synthesis between theoretical knowledge and practical experience, to define an effective operating protocol on a limited patch area to be extended later to the entire artefact's surface. In this paper, we present a new, quick, semi-automated 3D photogrammetry-based solution to support restorers in the open-air bronze artwork cleaning from corrosion and weathering decay. The solution allows the conservators to assess in real time and with a high level of fidelity in colour and shape, the 'surfaces' to be cleaned before, during and after the clear-out treatment. The solution besides allows an effective and valuable support tool for restorers to identify the original layer of the bronze surface, developed and validated during the ongoing restoration of the Neptune Fountain in Bologna

RVE-size Estimation and Efficient Microstructure-based Simulation of Dual-Phase Steel

Dual-phase steel shows a pronounced structure-property correlation, caused by its internal structure consisting of asoft ferrite matrix and embedded hard martensite regions. Due to its high strength combined with high ductility, dual-phasesteel is particularly suitable for energy-absorbing and strength-relevant sheet metal applications, but its use as heavy plate isalso desirable. Due to the complex microstructure, microstructure-based simulation is essential for a realistic simulation of themechanical properties of dual-phase steel. This paper describes two important points for the microstructure-based simulation ofdual-phase steel. First a method for the straightforward experimental estimation of the RVE size based on hardness measurementsprior to tomography preparation is presented and evaluated. Secondly, a method for the efficient meshing of these microstructures,based on material definition at the integration points of a finite element model, is developed

Effect of Pretreatment on Interface Stability and Morphology of Ni/Al Hybrid Foams by in situ Microcantilever Fracture Experiment

Ni/Al hybrid foams are a new class of innovative cellular composite materials consisting of open-cell aluminium (Al) foams electrochemically coated with nanocrystalline nickel (Ni). They may be used for lightweight construction elements or as crash energy absorbers. The Ni coating strengthens the Al foam achieving an up to ten times higher energy absorption capacities compared to the Al basis foam. Cellular materials such as foams provide a strong structure-property relationship as the macroscopic material properties strongly depend on the strut geometry and the material properties of the individual struts. The interface stability between the coating and the substrate foam is the dominant contribution in the strengthening mechanism of Ni/Al hybrid foams. Hence, micromechanical characterization is an important task for the design of components made of Ni/Al hybrid foams. A strong interface corresponds to a shear-stiff connection between substrate foam and coating, whereas a soft interface allows sliding between the two phases and hence reduces the buckling stiffness of individual foam struts resulting in lower strength and energy absorption capacity of the macroscopic foam. An increased critical energy release rate for interface cracking was revealed by in situ microcantilever bending tests prepared by focused ion beam (FIB) during bending tests in the scanning electron microscope (SEM) after the chemical pretreatment of the base foam

Experimental and Data-driven Workflows for Microstructure-based Damage Prediction

Materialermüdung ist die häufigste Ursache für mechanisches Versagen. Die Degradationsmechanismen, welche die Lebensdauer von Bauteilen bei vergleichsweise ausgeprägten zyklischen Belastungen bestimmen, sind gut bekannt. Bei Belastungen im makroskopisch elastischen Bereich hingegen, der (sehr) hochzyklischen Ermüdung, bestimmen die innere Struktur eines Werkstoffs und die Wechselwirkung kristallografischer Defekte die Lebensdauer. Unter diesen Umständen sind die inneren Degradationsphänomene auf der mikroskopischen Skala weitgehend reversibel und führen nicht zur Bildung kritischer Schädigungen, die kontinuierlich wachsen können. Allerdings sind einige Kornensembles in polykristallinen Metallen, je nach den lokalen mikrostrukturellen Gegebenheiten, anfällig für Schädigungsinitiierung, Rissbildung und -wachstum und wirken daher als Schwachstellen. Daher weisen Bauteile, die solchen Belastungen ausgesetzt sind, oft eine ausgeprägte Lebensdauerstreuung auf. Die Tatsache, dass ein umfassendes mechanistisches Verständnis für diese Degradationsprozesse in verschiedenen Werkstoffen nicht vorliegt, hat zur Folge, dass die derzeitigen Modellierungsbemühungen die mittlere Lebensdauer und ihre Varianz in der Regel nur mit unbefriedigender Genauigkeit vorhersagen. Dies wiederum erschwert die Bauteilauslegung und macht die Nutzung von Sicherheitsfaktoren während des Dimensionierungsprozesses erforderlich. Abhilfe kann geschaffen werden, indem umfangreiche Daten zu Einflussfaktoren und deren Wirkung auf die Bildung initialer Ermüdungsschädigungen erhoben werden. Die Datenknappheit wirkt sich nach wie vor negativ auf Datenwissenschaftler und Modellierungsexperten aus, die versuchen, trotz geringer Stichprobengröße und unvollständigen Merkmalsräumen, mikrostrukturelle Abhängigkeiten abzuleiten, datengetriebene Vorhersagemodelle zu trainieren oder physikalische, regelbasierte Modelle zu parametrisieren. Die Tatsache, dass nur wenige kritische Schädigungen bezogen auf das gesamte Probenvolumen auftreten und die hochzyklische Ermüdung eine Vielzahl unterschiedlicher Abhängigkeiten aufweist, impliziert einige Anforderungen an die Datenerfassung und -verarbeitung. Am wichtigsten ist, dass die Messtechniken so empfindlich sind, dass nuancierte Schwankungen im Probenzustand erfasst werden können, dass die gesamte Routine effizient ist und dass die korrelative Mikroskopie räumliche Informationen aus verschiedenen Messungen miteinander verbindet. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, einen Workflow zu etablieren, der den Datenmangel behebt, so dass die zukünftige virtuelle Auslegung von Komponenten effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger gestaltet werden kann. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein kombinierter experimenteller und datenverarbeitender Workflow vorgeschlagen, um multimodale Datensätze zu Ermüdungsschädigungen zu erzeugen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Auftreten von lokalen Gleitbändern, der Rissinitiierung und dem Wachstum mikrostrukturell kurzer Risse. Der Workflow vereint die Ermüdungsprüfung von mesoskaligen Proben, um die Empfindlichkeit der Schädigungsdetektion zu erhöhen, die ergänzende Charakterisierung, die multimodale Registrierung und Datenfusion der heterogenen Daten, sowie die bildverarbeitungsbasierte Schädigungslokalisierung und -bewertung. Mesoskalige Biegeresonanzprüfung ermöglicht das Erreichen des hochzyklischen Ermüdungszustands in vergleichsweise kurzen Zeitspannen bei gleichzeitig verbessertem Auflösungsvermögen der Schädigungsentwicklung. Je nach Komplexität der einzelnen Bildverarbeitungsaufgaben und Datenverfügbarkeit werden entweder regelbasierte Bildverarbeitungsverfahren oder Repräsentationslernen gezielt eingesetzt. So sorgt beispielsweise die semantische Segmentierung von Schädigungsstellen dafür, dass wichtige Ermüdungsmerkmale aus mikroskopischen Abbildungen extrahiert werden können. Entlang des Workflows wird auf einen hohen Automatisierungsgrad Wert gelegt. Wann immer möglich, wurde die Generalisierbarkeit einzelner Workflow-Elemente untersucht. Dieser Workflow wird auf einen ferritischen Stahl (EN 1.4003) angewendet. Der resultierende Datensatz verknüpft unter anderem große verzerrungskorrigierte Mikrostrukturdaten mit der Schädigungslokalisierung und deren zyklischer Entwicklung. Im Zuge der Arbeit wird der Datensatz wird im Hinblick auf seinen Informationsgehalt untersucht, indem detaillierte, analytische Studien zur einzelnen Schädigungsbildung durchgeführt werden. Auf diese Weise konnten unter anderem neuartige, quantitative Erkenntnisse über mikrostrukturinduzierte plastische Verformungs- und Rissstopmechanismen gewonnen werden. Darüber hinaus werden aus dem Datensatz abgeleitete kornweise Merkmalsvektoren und binäre Schädigungskategorien verwendet, um einen Random-Forest-Klassifikator zu trainieren und dessen Vorhersagegüte zu bewerten. Der vorgeschlagene Workflow hat das Potenzial, die Grundlage für künftiges Data Mining und datengetriebene Modellierung mikrostrukturempfindlicher Ermüdung zu legen. Er erlaubt die effiziente Erhebung statistisch repräsentativer Datensätze mit gleichzeitig hohem Informationsgehalt und kann auf eine Vielzahl von Werkstoffen ausgeweitet werden

Study by X-Ray microtomography of the horizontal vibration effects on sand densification

International audienceX ray microtomography experiments were performed in order to evaluate the densification of silica sand submitted to horizontal sinusoidal vibrations carried out at constant frequency (50 Hz) with controlled acceleration and deceleration Γ. Packing homogeneity was characterized using relative density distribution through 3D images of the relaxed samples. Information obtained from the images allowed us to evaluate data at grain scale: porosity and pore size distribution, number of contacts per particle, particle shape and size distribution were evaluated and linked to the densification process. Based on the internal analysis of samples, the results confirm and extend the conclusions of previous works regarding the 3-layer densification under vibration and the proposed optimized vibration cycle to get dense and homogeneous samples. They extend them to different initial packings. Additionally, significant correlations are found between density and local particle packing characteristics such as pores size distribution, or the number of contacts per particle