Nanostructure, osteopontin, and mechanical properties of calcitic avian eggshell

Avian (and formerly dinosaur) eggshells form a hard, protective biomineralized chamber for embryonic growth—an evolutionary strategy that has existed for hundreds of millions of years. We show in the calcitic chicken eggshell how the mineral and organic phases organize hierarchically across different length scales and how variation in nanostructure across the shell thicknessmodifies its hardness, elastic modulus, and dissolution properties.We also show that the nanostructure changes during egg incubation, weakening the shell for chick hatching. Nanostructure and increased hardness were reproduced in synthetic calcite crystals grown in the presence of the prominent eggshell protein osteopontin. These results demonstrate the contribution of nanostructure to avian eggshell formation, mechanical properties, and dissolution.This work was supported by a grant from the Canadian Institutes of Health Research (no. MOP-142330) and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; no. RGPIN-2016-05031) to M.D.M., an NSERC (no. RGPIN-2016-04410) Discovery grant to M.T.H., a Spanish Government grant (CGL2015-64683-P) to A.B.R.-N., an Emmy Noether research grant from the German Research Foundation (no. WO1712/3-1) to S.E.W., and an NSF grant (NSF BMAT; no. 1507736) to J.J.G. M.D.M. is a member of the Fonds de Recherche Quebec–Sante Network for Oral and Bone Health Research and the McGill Centre for Bone and Periodontal Researc

Effect of manufacturing on microstructure and magnetic properties of non-oriented electrical steel

The development of highly efficient electrical machines may lead to the conservation of electrical energy. Besides an improved design, the better selection of material and broader knowledge of the influence of manufacturing on the resulting magnetic properties may help to reach this target. Electrical steel grades are the normal construction material for electrical motors and transformers because of their enhanced soft magnetic properties. The magnetic characteristics of electrical steels are closely related to losses. Non-oriented electrical steels (NOES) are the most economical choice of material used in electrical machines to transform electricity in movement, as in electric car motors. In electromagnetic devices, the non-oriented electrical steel is often subjected to different mechanical stresses induced due to manufacturing such as cutting, interlocking and welding. Thus, it is important to evaluate magnetic properties under conditions present in actual electrical machines and understand the relationships between the magnetic properties and mechanical stresses induced. In addition, the mechanical cutting processes induce plastic deformation near the edges, which also affects the magnetic properties. Hence, the current research is to study magnetic properties of NOES and residual stress and deformation induced due to manufacturing and present the relation between microstructure, mechanical and magnetic properties affected by cutting.Punching is a common process for manufacturing of cores of electric motors and causes shearing near the edge, resulting in degradation of magnetic properties. The deterioration of magnetic properties due to punching is commonly investigated using rectangular or toroidal samples in magnetic measurements units without focussing much on the microstructural changes near the edge. The present work has pursued this objective of analysing the microstructural changes due to punching and study the effect of punching load on microstructure near the edge. This work was accomplished by observing the cross section of the punched sample using scanning electron microscope (SEM) and analyzing the back scattered electron imaging (BSE) and electron back scattered diffraction (EBSD) micrographs. In addition, nanoindentation was performed to study the change in hardness near the edge due to punching. An attempt was made to separate the residual stress and deformation regions based on the microstructural and mechanical property correlation. Other cutting methods such as shear cutting, and laser cutting were also studied in the present work.These microstructural effects due to cutting were further related to magnetic properties. The investigation of magnetic property degradation due to shear cutting and laser cutting was done using a single sheet tester (SST). In addition, the core loss separation was employed to see the change in hysteresis and eddy current loss component separately, due to cutting. Finally, the effect of different cutting processes was compared, and a relation was established between the microstructure, mechanical properties and magnetic properties of non-oriented electrical steel.Le développement de machines électriques hautement efficaces devrait conduire à la conservation de l'énergie électrique. Une conception améliorée, un meilleur choix de matériel et une connaissance plus approfondie de l'influence de la fabrication sur les propriétés magnétiques résultantes peuvent aider à atteindre cet objectif. Les aciers électriques de haute qualité sont les matériaux de fabrication prépondérants pour les moteurs électriques et les transformateurs en raison de leurs très bonnes propriétés magnétiques. Les caractéristiques magnétiques des aciers électriques sont étroitement liées aux pertes. Les aciers électriques à grains non orientés (NOES) constituent le choix le plus économique de matériaux utilisés dans les machines électriques pour transformer l'électricité en mouvement, comme par exemple, dans les moteurs de voitures électriques. Dans les appareils électromagnétiques réels, l'acier électrique non orienté est souvent soumis à des contraintes mécaniques différentes, induites par la fabrication comme la coupe, le verrouillage et le soudage. Ainsi, il est important d'évaluer les propriétés magnétiques des machines électriques présentes dans les conditions d’opération réelles et de comprendre les relations entre les propriétés magnétiques et les contraintes mécaniques induites par le processus de fabrication. En outre, les processus de coupe mécanique induisent une déformation plastique à proximité des bords qui affectent également les propriétés magnétiques. Par conséquent, la recherche actuelle porte sur l'étude des propriétés magnétiques des NOES, le stress résiduel et la déformation induite par la fabrication. Un autre axe d’étude porte également sur les relations entre la microstructure, les propriétés mécaniques et magnétiques affectées par l’usinage.Le poinçonnage est un processus commun pour la fabrication de noyaux de moteurs électriques et provoque un cisaillement près du bord, entraînant une dégradation des propriétés magnétiques. La détérioration des propriétés magnétiques due au poinçonnage est généralement étudiée en utilisant des échantillons rectangulaires ou toroïdaux dans des unités de mesures magnétiques sans se concentrer sur les changements microstructuraux proches du bord. Le présent travail a permis d'analyser des changements microstructuraux dus au poinçonnage et d’étudier l'effet de la charge de poinçonnage sur la microstructure près du bord. Ce travail a été accompli en observant la coupe transversale de l'échantillon perforé à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) et en analysant les micrographies par diffraction rétrodiffusée d’électrons (EBSD). De plus, la nanoindentation a été effectuée pour étudier la variation de dureté près du bord en raison du poinçonnage. Nous avons essayé de séparer les régions stressées des déformation résiduelles en fonction de la corrélation des propriétés microstructurales et mécaniques. D'autres méthodes de coupe comme la coupe de cisaillement et la découpe au laser ont également été étudiées dans la présente thèse.Les effets microstructuraux dus à la coupe ont également été liés aux propriétés magnétiques. L'étude de la dégradation des propriétés magnétiques, due à la coupe de cisaillement et à la découpe au laser, a été effectuée à l'aide d'un testeur de feuille unique. En outre, la séparation des pertes de noyau a été utilisée pour voir séparément la variation des courbes l’hystérésis et de perte de courant de Foucault, en raison de la coupe. Enfin, l'effet de différents processus de coupe a été comparé et une relation a été établie entre la microstructure, les propriétés mécaniques et les propriétés magnétiques de l'acier électrique à grains non orienté