Aspiration of biological viscoelastic drops

Spherical cellular aggregates are in vitro systems to study the physical and biophysical properties of tissues. We present a novel approach to characterize the mechanical properties of cellular aggregates using micropipette aspiration technique. We observe an aspiration in two distinct regimes, a fast elastic deformation followed by a viscous flow. We develop a model based on this viscoelastic behavior to deduce the surface tension, viscosity, and elastic modulus. A major result is the increase of the surface tension with the applied force, interpreted as an effect of cellular mechanosensing.Comment: 4 pages, 4 figures

A new approach to determine tensile stress-strain evolution in semi-solid state at near-solidus temperature of aluminum alloys

Accurate determination of the materials’ strength and ductility in the semi-solid state at near-solidus temperatures is essential, but it remains a challenging task. This study aimed to develop a new method to determine the stress-strain evolution in the semi-solid state of aluminum alloys within the Gleeble 3800 unit. Stress evolution was determined by the newly developed “L-gauge” method, which converted the displacement of the “restrained” jaw, measured using an L-gauge, into the force. This method gives the possibility to determine the flow stress more accurately, especially for the very low stress rang (1–10 MPa) in the semi-solid state at near-solidus temperatures. The digital image correlation technique implemented in the Gleeble unit allowed effective measurement of the heterogeneous strain fields evolving within the specimen under tensile loading. Therefore, the stress-strain curves measured in the semi-solid state help to better understand the alloy’s susceptibility to hot tearing. The results of an AA6111 alloy under different liquid fractions (2.8% at 535 °C and 5.8% at 571 °C) were demonstrated. The reliable stress-strain data and heterogenous strain distribution are beneficial to develop the thermomechanical models and hot-tearing criteria

Caractérisation de la fraction solide dans les lopins semi-solides produits par le procédé SEED

Depuis quelques années, les recherches qui portent sur les procédés de mise en forme par voie semi-solide ne cessent d'augmenter. Cette popularité s'explique par les nombreux avantages que procure ce type de moulage par rapport au moulage traditionnel en phase liquide. Le procédé SEED (Swirled Enthalpy Equilibration Device) est une méthode de mise en forme de l'aluminium semi-solide actuellement développée par Alcan International Limited et le Centre des technologies de l'aluminium. Ce procédé utilise la masse thermique d'un creuset pour absorber une quantité définie de chaleur d'un lopin pour qu'il atteigne la température et la fraction solide voulues. L'avantage principal du procédé SEED est qu'il ne requiert pas de contrôle de températures sophistiqué. Le transfert de chaleur peut être aisément contrôlé par la masse et le matériau du creuset. L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette maîtrise concerne l'évolution de la fraction solide en fonction de la température dans les lopins semi-solides produits par le procédé SEED. Comme les lopins sont destinés au moulage sous pression, il est essentiel de bien connaître les propriétés d'écoulement de la pâte pour obtenir des pièces ayant de bonnes propriétés mécaniques. Or, les propriétés rhéologiques de la pâte dépendent fortement de la fraction solide, d'où l'intérêt de la caractériser. Deux modèles théoriques sont fréquemment utilisés pour connaître la fraction solide en fonction de la température, soit le modèle de Scheil et celui de solidification à l'équilibre. Par contre, ces modèles demeurent des approximations et il est impossible de dire jusqu'à quel point l'évolution de la fraction solide dans les lopins semi-solides produits par le procédé SEED concorde avec ces modèles. Pour caractériser l'évolution de la fraction solide de l'aluminium, quatre approches ont été utilisées. Le logiciel Thermo-Cale a d'abord été utilisé pour tracer l'évolution de Penthalpie et de la fraction solide pour un alliage d'aluminium A356 en utilisant les modèles de Scheil et de solidification à l'équilibre. Ensuite, Dictra a été utilisé pour tracer les mêmes courbes, mais cette fois en imposant un taux de refroidissement et en basant les calculs sur la vitesse de diffusion des atomes dans l'alliage. Les résultats de ses calculs ont permis d'obtenir les courbes théoriques d'enthalpie et de fraction solide prédites par les modèles. Deux types de calorimètre ont été utilisés. D'abord, un calorimètre à pression constante a été fabriqué pour connaître la quantité de chaleur contenue dans un lopin. Ensuite, un calorimètre à balayage différentiel a été utilisé pour mesurer l'évolution de l'énergie lors de la réaction de solidification d'une petite masse d'aluminium. Ces mesures ont ensuite permis de connaître la fraction solide pendant la réaction. Les résultats obtenus concordent bien avec les prédictions fournies par le logiciel Thermo-Cale. Une première méthode expérimentale directement appliquée au procédé SEED a ensuite été employée. Cette démarche consiste à prélever des échantillons de pâte semisolide à différents moments lors d'un cycle de production des lopins et à les refroidir très rapidement afin de figer la microstructure. Différentes méthodes d'échantillonnage ont été testées afin d'identifier la démarche la plus efficace et celle permettant la solidification la plus rapide. Plusieurs obstacles ont été rencontrés et il a été très difficile d'obtenir des échantillons représentatifs de la pâte. L'étude de la microstructure par analyse d'image des échantillons permet normalement de quantifier la fraction solide. Il s'est par contre avéré très difficile de distinguer la phase primaire qui s'est solidifiée en cours de procédé de la partie liquide qui s'est solidifiée pendant la trempe. La principale raison qui explique les difficultés rencontrées est associée à la morphologie et la taille des particules solides qui, dû à un manque de temps de maintien dans la région semi-solide, n'ont pas eu le temps d'évoluer en forme de globules et de grossir suffisamment pour se distinguer facilement de la phase secondaire solidifiée pendant la trempe. La fraction solide de la pâte n'a donc pas pu être quantifiée par cette méthode. L'analyse thermique a finalement permis de connaître l'évolution de la fraction solide de la pâte produite par le procédé SEED. Des mesures de températures provenant de thermocouples insérés dans l'aluminium semi-solide et à la surface du creuset lors de la solidification des lopins ont d'abord été prises. Ensuite, un bilan énergétique a permis de connaître l'évolution de l'enthalpie du système. Finalement, la fraction solide a pu être déterminée en faisant l'hypothèse que la fraction solidifiée est proportionnelle à la fraction d'énergie dégagée. Il est important de souligner qu'habituellement l'analyse thermique utilise le concept de courbe de base pour isoler l'énergie de la réaction de solidification. L'analyse thermique développée dans le cadre de ces travaux utilise une approche complètement nouvelle qui s'affranchit de l'utilisation de la courbe de base. Les résultats obtenus par analyse thermique ont permis de constater que l'évolution de la fraction solide concorde avec les prédictions du modèle de Scheil. Finalement, une démarche permettant de prédire la fraction solide après le drainage dans le procédé SEED a été développée. Suite aux résultats obtenus par analyse thermique, il est possible d'utiliser la relation de Scheil pour prédire la fraction solide des lopins produits par le procédé SEED avant le drainage. Par ailleurs, la période de drainage est plus complexe et rien ne permet d'affirmer que la relation de Scheil s'applique toujours. Pendant le drainage, trois facteurs contribuent à faire augmenter la fraction solide, soit la masse drainée, la diminution de la température et la modification de la composition du lopin. Deux cas limites théoriques basés sur des hypothèses différentes ont été étudiés pour calculer l'intervalle dans lequel la fraction solide finale de la pâte se trouve

Impact of the main casting process parameters on floating crystals in Al alloy DC-Cast ingots

Aluminium alloy DC-cast ingots are widely used as flat rolled products in building, construction and automotive applications. Some of these applications require a very uniform, high quality surface appearance which is closely related to the original as-cast microstructure. Inhomogeneity in the cast microstructure such as floating crystals negatively impacts the surface quality of the final product. In this study, the impact of the metal level, metal temperature, type of distributor bag and use of a skim dam were assessed. These parameters must be properly adjusted in order to obtain a homogeneous grain structure free of floating crystals

Temperature dependence of elastic properties of Al-Mg-Si direct-Chill-cast AA6111 alloy at near-solidus temperatures

The elastic properties of the Al-Mg-Si direct-chill-cast AA6111 alloy were determined during the unloading stage of the cyclic tensile test over a wide range of temperatures (25-550 °C), and particular attention was paid to high temperatures near the solidus. Young’s modulus was calculated based on macroscopic and localized strains, which were measured using an extensometer and the digital image correlation (DIC) method. Poisson's ratio was determined based on the localized axial and lateral strains measured using DIC method. Over the entire temperature range, the DIC method demonstrated a higher stability in its accuracy with increasing temperature than that using the extensometer. A sharp change in the slope of Young's modulus as a function of the temperature, starting from the solidus temperature, was detected using the DIC method. Correlations between Young's modulus and temperature in both the solid and semi-solid states were established. Poisson’s ratio as a function of the temperature exhibited a dramatic change near the solidus temperature because of the presence of liquid pockets. The onset brittle temperature of AA6111 alloy in the semi-solid state was estimated to be 550 °C based on the critical values of Poisson’s ratio and the shear modulus to bulk modulus ratio

Effect of chemical composition on the semisolid tensile properties and hot tearing susceptibility of AA6111 DC cast alloys

The semisolid tensile properties of two AA6111 direct-chill cast alloys (A and B) have been studied. The Cu, Mn, and Si contents of alloy A are higher than those of alloy B. The microstructures of the alloys were analyzed before tensile testing and after tensile fracture. Isothermal holding was performed in the temperatures of 510, 520, 535, 552, 564 and 580 °C for 1 h to study porosity/void formation in both alloys. Tensile tests were conducted near the solidus temperature in the temperature range of 450–580 °C at a strain rate of 10–4 s−1. The strain during tensile testing was measured using the digital image correlation method to obtain reliable stress–strain curves. The results revealed that the tensile strengths of the alloys gradually decreased to zero with increasing temperature to arrive at the zero-stress temperature, whereas the strains at the failure decreased sharply with increasing temperature until zero-ductility temperature (ZDT) was reached. Moreover, the failure strain of alloy B at any given testing temperature was higher than that of alloy A. Non-mechanical and mechanical hot-tearing criteria were used to study the hot-tearing susceptibilities (HTSs) of the alloys. Considering the mechanical criterion, the ZDT and brittle temperature range of alloy A were lower and larger than those of alloy B, respectively, indicating that the HTS index of alloy A was higher than that of alloy B

Squeezing and Detachment of Living Cells

The interaction of living cells with their environment is linked to their adhesive and elastic properties. Even if the mechanics of simple lipid membranes is fairly well understood, the analysis of single cell experiments remains challenging in part because of the mechanosensory response of cells to their environment. To study the mechanical properties of living cells we have developed a tool that borrows from micropipette aspiration techniques, atomic force microscopy, and the classical Johnson-Kendall-Roberts test. We show results from a study of the adhesion properties of living cells, as well as the elastic response and relaxation. We present models that are applied throughout the different stages of an experiment, which indicate that the contribution of the different components of the cell are active at various stages of compression, retraction, and detachment. Finally, we present a model that attempts to elucidate the surprising logarithmic relaxation observed when the cell is subjected to a given deformation