Homogenization of high-contrast and non symmetric conductivities for non periodic columnar structures

In this paper we determine, in dimension three, the effective conductivities of non periodic high-contrast two-phase cylindrical composites, placed in a constant magnetic field, without any assumption on the geometry of their cross sections. Our method, in the spirit of the H-convergence of Murat-Tartar, is based on a compactness result and the cylindrical nature of the microstructure. The homogenized laws we obtain extend those of the periodic fibre-reinforcing case of [M. Briane and L. Pater. Homogenization of high-contrast two-phase conductivities perturbed by a magnetic field. Comparison between dimension two and dimension three. J. Math. Anal. Appl., 393 (2) (2012), 563 -589] to the case of periodic and non periodic composites with more general transversal geometries.Comment: 28 page

Homogenization of high-contrast two-phase conductivities perturbed by a magnetic field. Comparison between dimension two and dimension three.

34 pagesInternational audienceHomogenized laws for sequences of high-contrast two-phase non-symmetric conductivities perturbed by a parameter $h$ are derived in two and three dimensions. The parameter $h$ characterizes the antisymmetric part of the conductivity for an idealized model of a conductor in the presence of a magnetic field. In dimension two an extension of the Dykhne transformation to non-periodic high conductivities permits to prove that the homogenized conductivity depends on $h$ through some homogenized matrix-valued function obtained in the absence of a magnetic field. This result is improved in the periodic framework thanks to an alternative approach, and illustrated by a cross-like thin structure. Using other tools, a fiber-reinforced medium in dimension three provides a quite different homogenized conductivity

Homogénéisation de l'effet Hall et de la magnétorésistance dans des composites

Les conducteurs composites sont constitués d'hétérogénéités microscopiques mais apparaissent comme homogènes à l'échelle macroscopique. La description de leur comportement nécessite l'homogénéisation des équations de conduction régissant chacune de leurs phases. Cette thèse s'intéresse à certaines lois effectives pour les conducteurs composites en présence d'un champ magnétique constant. Dans le premier chapitre, on rappelle quelques résultats d'électrophysique (effet Hall, magnétorésistance) et de la théorie de l'homogénéisation (H-convergence) ainsi que son extension à des problèmes à forte conductivité. Dans le chapitre deux, on étudie l'effet Hall dans des composites bidimensionnels à deux phases très contrastées et on compare le résultat d'homogénéisation à celui obtenu avec une structure fibrée renforcée. Le troisième chapitre généralise ce cas particulier et étend la loi comportementale obtenue à des matériaux cylindriques non périodiques sans hypothèse géométrique sur leur section. Les chapitres deux et trois soulignent des différences importantes entre la dimension deux et la dimension trois au niveau des problèmes de conduction à fort contraste. Un quatrième chapitre est consacré à l'étude de la magnétorésistance en dimension trois et met en avant une forte interaction entre la direction du champ magnétique et l'énergie dissipée dans le matériau complétant ainsi un résultat antérieur en dimension deux.A composite conductor is composed of microscopic heterogeneities but appears as a homogeneous medium on the macroscopic scale. Describing the behavior of such materials requires the homogenization of the conduction equations which rule each of their phases. In this PhD thesis, we study a few effective laws for composite conductors in the presence of a constant magnetic field. In the first chapter, we recall a few results on electro-physics (Hall effect, magneto-resistance) and on the homogenization theory (H-convergence) as well as its extension to high-conductivity problems. In the second chapter, we study the Hall effect in two-dimensional high-contrast two-phase composites and we compare the result to the one obtained with a three-dimensional fibre-reinforced structure. The third chapter generalizes this particular case and extends the perturbation law to non-periodic cylindrical composites without any geometrical assumption on their cross section. The chapters two and three underline the gap between dimension two and dimension three in high-conductivity problems. The fourth chapter analyses the magneto-resistance in a three-dimensional composite medium and outlines a strong interaction between the direction of the magnetic field and the dissipated energy in the material; this completes a previous work on the two-dimensional case.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

Bounds on strong field magneto-transport in three-dimensional composites

This paper deals with bounds satisfied by the effective non-symmetric conductivity of three-dimensional composites in the presence of a strong magnetic field. On the one hand, it is shown that for general composites the antisymmetric part of the effective conductivity cannot be bounded solely in terms of the antisymmetric part of the local conductivity, contrary to the columnar case. So, a suitable rank-two laminate the conductivity of which has a bounded antisymmetric part together with a high-contrast symmetric part, may generate an arbitrarily large antisymmetric part of the effective conductivity. On the other hand, bounds are provided which show that the antisymmetric part of the effective conductivity must go to zero if the upper bound on the antisymmetric part of the local conductivity goes to zero, and the symmetric part of the local conductivity remains bounded below and above. Elementary bounds on the effective moduli are derived assuming the local conductivity and effective conductivity have transverse isotropy in the plane orthogonal to the magnetic field. New Hashin-Shtrikman type bounds for two-phase three-dimensional composites with a non-symmetric conductivity are provided under geometric isotropy of the microstructure. The derivation of the bounds is based on a particular variational principle symmetrizing the problem, and the use of Y-tensors involving the averages of the fields in each phase.Comment: 21 page

Doctor of Philosophy

dissertationSea ice can be viewed as a composite material over multiple scales. On the smallest scale, sea ice is viewed as a two-phase composite of ice and brine. On the mesoscale, one may consider pancake ice and slush as a viscoelastic composite. On the larger scale, one may consider the mix of ice floes and water. With this view, a multitude of mathematical tools may be applied to develop novel models of physical sea ice processes. We model fluid and electrical transport viewing sea ice as a two-phase composite of ice and brine. We may then apply continuum percolation models to study critical behavior which we have experimentally confirmed. These percolation models suggest that the electrical conductivity and fluid permeability follow universal power law behavior as a function of brine volume fraction. We apply the results above for the electrical conductivity of sea ice to develop an inversion algorithm for surface impedance DC tomography. The algorithm retrieves both sea ice thickness and a layered stratigraphy of the sea ice resistivity. This is useful as resistivity carries information about the internal microstructure of the ice. We also apply network models to conductivity of sea ice and use some similar ideas to quantify the horizontal connectivity of melt ponds. On the larger scale, we study the problem of ocean wave dynamics in the marginal ice zone of the Arctic and Antarctic. We adopt the view that the ice and slush may be viewed as a viscoelastic layer atop an inviscid ocean. Models like these produce dispersion relations which describe wave propagation and attenuation into the ice pack. These dispersion relations depend on knowledge of the effective viscoelasticity of the ice/slush mix. This is a difficult parameter to measure in practice. To get around this, we apply homogenization theory to derive bounds on these parameters in the low frequency limit. This is accomplished through the derivation of a Stieltjes integral representation, involving a positive measure of a self-adjoint operator, for the effective elasticity tensor of the ice water composite. We have also developed a simplified wave equation for waves in the ice-water composite

Phase-field modeling of unidirectionally solidified microstructures under diffusive-convective regime

Moderne Werkstoffe zeichnen sich oft durch ein breites Spektrum an maßgeschneiderten mechanischen, magnetischen, elektronischen oder thermophysikalischen Eigenschaften aus. In Verbindung mit der ihnen zugrundeliegenden Mikrostruktur kann das Verhalten der meisten technischen Werkstoffe durch genaue Modellierung der neuartigen Eigenschaften mit maßgeschneiderten Morphologien vorhergesagt werden. Im Allgemeinen wird die Bildung von Erstarrungsmikrostrukturen durch das Wechselspiel zwischen Kapillarität und Diffusion bestimmt. Das Vorhandensein von Schmelzekonvektion spielt eine bedeutende Rolle für die endgültigen Gefügeeigenschaften von Gusslegierungen und wird aufgrund seiner Komplexität oft vernachlässigt. Da die Kontrolle der Mikrostruktur für jede Verarbeitungsaktivität von wesentlicher Bedeutung ist, wird in dieser Dissertation ein Phasenfeldmodell mit Flüssigphasenkonvektion verwendet, in dem die Wechselwirkung von diffusiv-konvektiven Feldern und deren Auswirkung auf die Gefügeentwicklung untersucht wird. Im folgenden Teil werden die numerischen Ergebnisse unter einem diffusionskonvektiven Regime von den Korngrenzen bis zu den Säulendendriten diskutiert. Zunächst wird ein Phasenfeldmodell verwendet, um das Phänomen des Korngrenzenrillens unter Gleichgewichtsbedingungen zu untersuchen. Das Modell wird validiert, indem die Rillenkinetik mit der volumendiffusionsgesteuerten Rillentheorie verglichen wird. In Form der Schmelzkonvektion wird erstmals die Rolle eines zusätzlichen konvektiven Transportmechanismus auf Korngrenzenrillen eingehend untersucht. Die simulierten Rillen zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit früheren experimentellen Theorien sowie mit der Theorie der scharfen Grenzflächen. Daneben wird auch die Wanderung der Fest-Fest-Korngrenze erfasst, wobei das Auftreten asymmetrischer Grate die seitliche Drift der Rillenwurzel entlang der stromabwärtigen Richtung fördert. Darüber hinaus wird die Initiierung von Mikrostrukturmustern für energetisch isotrope Grenzflächen vorgestellt, wobei die Vorhersage der Spitzenaufteilungsposition anhand eines analytischen Kriteriums diskutiert wird. Infolge von krümmungsgetriebenen Flüssen wird die fundamentale und sich wiederholende Einheit von Mikrostrukturen mit Spitzenspaltung durch einen direkten Vergleich zwischen dem Phasenfeld und der Position der scharfen Grenzflächenspitze analysiert. Im Gegensatz zu den vorhandenen Studien sagt das vorgeschlagene Kriterium die Verzweigungsposition in einem erstarrenden Muster erfolgreich voraus. Anschließend wird der Einfluss anderer Parameter wie der Grenzflächenanisotropie, der Schmelzkonvektion und der Oberflächenenergien auf den strukturellen Übergang von Mikrostrukturen mit Spitzenspaltung ermittelt. Während für ein isotropes Kristallwachstum eine Morphologie der Spitzenaufspaltung beobachtet wird, wird für anisotrope Grenzflächen das Auftreten von richtungsabhängigen säulenförmigen Dendriten demonstriert. Anschließend wird die Vorhersage des interdendritischen Armabstands bei vorhandener Schmelzkonvektion untersucht. In Übereinstimmung mit früheren experimentellen Studien wird gezeigt, dass der Selektionsmechanismus von Primärarmen durch das Eintauchen von Dendriten in das Diffusionsregime zum Überwachsen von Tertiärarmen im Diffusionskonvektionsregime führt. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Vorhersage des primä}ren Dendritenarmabstands aufgrund des Vorhandenseins eines konvektiven Transports im interdendritischen Bereich modifiziert ist. Danach werden Phasenfeldsimulationen durchgeführt, um die Wachstumskonkurrenz von Säulendendriten vorherzusagen, die an der Korngrenze konvergieren. Während der Herstellung von Einkristall-Turbinenschaufeln häufig untersucht, wird das Überwuchsverhalten von falsch ausgerichteten Dendriten an der Korngrenze erfasst und analysiert. Zum ersten Mal wird gezeigt, dass das Vorhandensein eines zusätzlichen Massentransports in der flüssigen Massenphase die gelösten dendritischen Spitzen fördert, was wiederum denÜberwuchsmechanismus an der Korngrenze modifiziert. Durch mikrostrukturelle Auswahlkarten wird auch gezeigt, dass Parameter wie der Fehlorientierungswinkel und die Grenzflächenanisotropie dieÜberwuchsdynamik an der Korngrenze weitgehend steuern

Additive Manufacturing of Inconel 718 using Electron Beam Melting: Processing, Post-Processing, & Mechanical Properties

Additive Manufacturing (AM) process parameters were studied for production of the high temperature alloy Inconel 718 using Electron Beam Melting (EBM) to better understand the relationship between processing, microstructure, and mechanical properties. Processing parameters were analyzed for impact on process time, process temperature, and the amount of applied energy. The applied electron beam energy was shown to be integral to the formation of swelling defects. Standard features in the microstructure were identified, including previously unidentified solidification features such as shrinkage porosity and non-equilibrium phases. The as-solidified structure does not persist in the bulk of EBM parts due to a high process hold temperature (~1000°C), which causes in situ homogenization. The most significant variability in as-fabricated microstructure is the formation of intragranular delta-phase needles, which can form in samples produced with lower process temperatures (< 960°C). A novel approach was developed and demonstrated for controlling the temperature of cool down, thus providing a technique for in situ heat treatment of material. This technique was used to produce material with hardness of 478±7 HV with no post-processing, which exceeds the hardness of peak-aged Inconel 718. Traditional post-processing methods of hot isostatic pressing (HIP) and solution treatment and aging (STA) were found to result in variability in grain growth and phase solution. Recrystallization and grain structure are identified as possible mechanisms to promote grain growth. These results led to the conclusion that the first step in thermal post-processing of EBM Inconel 718 should be an optimized solution treatment to reset phase variation in the as-fabricated microstructure without incurring significant grain growth. Such an optimized solution treatment was developed (1120°C, 2hr) for application prior to aging or HIP. The majority of as-fabricated tensile properties met ASTM AM Inconel 718 standards for yield stress and ultimate tensile strength, and STA yield stress, ultimate tensile strength, and elongation exceeded the ASTM standards for AM Inconel 718

Solidification and Gravity VII

International audienc