La technique Imagerie par Contraste de Canalisation d'Electron (ECCI) est utilisée en microscopie électronique à balayage (MEB) pour visualiser et caractériser des défauts cristallins tels que les dislocations. L’ECCI nécessite l'orientation, avec grande précision (meilleure que 0,1°), du cristal à analyser par rapport au faisceau d’électrons pour satisfaire les conditions très strictes de canalisation d'électrons. À cause de la limitation en résolution spatiale et angulaire des techniques actuelles permettant de déterminer l’orientation cristallographique, la caractérisation des défauts cristallins par ECCI est actuellement appliquée à des monocristaux (ou des polycristaux possédant des gros grains) et les conditions de canalisation ne sont pas toujours satisfaites. Dans ce projet de thèse, un mode de balayage Précession de faisceau (Rocking Beam en anglais) a été développé dans un microscope électronique à balayage. Il permet l’acquisition de diagrammes pseudo-Kikuchi haute résolution spatiale (500nm) et angulaire (0,04°) (High Resolution Selected Area Channeling Pattern en anglais (HR-SACP)) et de contrôler les conditions de canalisations nécessaire à l’ECCI. Ceci a permis d’améliorer considérablement la précision de l’ECCI (Accurate ECCI A-ECCI) et d’élargir son domaine d’application aux matériaux polycristallins à grains fins. Dans un deuxième temps, l’A-ECCI assistée par HR-SACP a été utilisé pour caractériser des défauts cristallins (dislocations, sous joint de grain, domaine d’ordre) dans des matériaux massifs polycristallins (Acier IF, UO2, TiAl). Des procédures similaires à celles utilisées dans la microscopie électronique en transmission (MET) sont alors appliquées en s’affranchissant de la préparation fastidieuse de lames minces et en profitant des autres avantages du MEB / Electron Channeling Contrast Imaging (ECCI) is a Scanning Electron Microscope (SEM) technique used to observe and characterize crystallographic defects. ECCI requires the crystal to be oriented relative to the electron beam with high accuracy (0.1°) in order to control the electron channeling conditions. The SEM techniques used to determine the crystallographic orientation, such as conventional Electron BackScattered Diffraction (EBSD) or Rocking Beam, don’t satisfy the high accuracy required for ECCI. Therefore, the characterization of crystallographic defects by ECCI is used only in single crystals or polycristals with large grains and channeling conditions are not always satisfied. In this thesis, a development of a new Rocking Beam mode in SEM is presented. It allows the collection of High spatial (500nm) and angular (0.04°) Resolution Selected Area Channeling Pattern (HR-SACP) and the control of channeling conditions required for ECCI with high accuracy (Accurate ECCI A-ECCI). In a second phase of this thesis, A-ECCI assisted by HR-SACP is used to characterize crystallographic defects like dislocation, sub-grains and order domains in fine grained bulk materials (IF-Steel, UO2, TiAl). In order to achieve this, several procedures (invisibility criteria) normally used in Transmission Electron Microscopy are applied. Using A-ECCI in SEM has many advantages over TEM such as the possibility of analyzing large areas and the relative easiness in sample preparation

Die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen in multikristallinem Silicium wird von Kupfer und anderen metallischen Verunreinigungen wie Eisen mitbestimmt. Das Hauptziel der Arbeit war es, die Verteilung von Kupfer und dessen Wirkung auf die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen genauer zu untersuchen. Dazu wurden optische und elektrische Untersuchungen an gezielt mit Metallen verunreinigten Modellmaterialien durchgeführt. Nicht alle Versetzungen sind rekombinationsaktiv. Es konnte gezeigt werden, dass der Anteil rekombinationsaktiver Versetzungen am Gesamtinventar und die Hintergrunddiffusionslänge von der Verunreinigung mit Metallen abhängig sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Proben, die Diffusionsexperimenten unterzogen wurden, deuten auf unterschiedliches Ausscheidungsverhalten von Kupfer und Eisen hin sowie auf Wechselwirkungen mit Versetzungen und Korngrenzen, die mit der Diffusionstemperatur und den Abkühlbedingungen in Zusammenhang stehen.

Notre objectif est d’améliorer la compréhension du phénomène d’anisotropie d’échange dans les nanoplots en comparaison aux films continus et d’étudier les effets du désordre magnétique à l’interface dans la couche AF sur les propriétés d’anisotropie d’échange. Dans un premier temps, nous avons utilisé un modèle granulaire qui prend en compte les phases magnétiques désordonnées à l’interface F/AF et nous modélisé ces phases par la présence de grains moins stables à l’interface dans la couche AF. De plus, dans le cas des nanoplots, nous avons pris en compte des grains moins stables localisés sur les bords de la couche AF pour reproduire les effets dus à la méthode de fabrication. Nous avons trouvé qu’il existe deux mécanismes de retournement de la couche F en dépendant de la valeur du couplage ferromagnétique. Si le couplage ferromagnétique faible, le retournement de la couche F s’amorce sur plusieurs centres de nucléation et s’effectue sans propagation. Alors que si le couplage ferromagnétique fort, le retournement de la couche F s’amorce en un seul centre de nucléation situé à un coin du nanoplot puis se propage à partir de ce coin. Ensuite notre modèle a permis d’expliquer les principales caractéristiques des comportements observés expérimentalement dans les bicouches Co/IrMn et NiFe/IrMn (pour différentes tailles latérales), à différentes températures de mesure et pour différentes épaisseurs de la couche AF. Plus précisément, les valeurs du champ d’échange simulé dans les films continus, à température ambiante, sont plus grandes que dans les nanoplots pour les faibles épaisseurs de la couche IrMn alors que c’est le contraire lorsque cette épaisseur augmente. Dans un deuxième temps, Nous avons utilisé un modèle atomique qui prend en compte la frustration magnétique dans la couche AF et la présence de défauts structuraux tels que les joints de grains et l’interdiffusion. Nous avons trouvé que l’effet combiné de la frustration, des joints de grains et de la surface induit des configurations magnétiques non colinéaires complexes (présence de domaines magnétiques) dans la couche AF à l’interface. Nos résultats montrent que la non-colinéarité des moments AF à l’interface diminue le couplage effectif à l’interface F/AF et diminue la constante d’anisotropie effective de la couche AF. Nos résultats montrent également que la présence de joints de grains lorsqu’il y a de la frustration renforce la stabilité de la couche AF à 0K alors qu’elle la diminue à température non nulle. Enfin, nous avons trouvé que l’interdiffusion diminue fortement le champ d’échange et rend la couche AF plus stable, ce qui correspond à une diminution du couplage effectif à l’interface. Il est important de noter que les valeurs du champ d’échange simulé sont dans ce cas réalistes, ce qui met en évidence que l’interdiffusion est probablement un des facteurs essentiels pour lesquels les champs d’échange mesurés expérimentalement sont nettement plus faibles que ceux prévus par les modèles simples. / Our goal is to improve the comprehension of the exchange bias (EB) in nanodots in comparison with the continuous films and to study the effects of the interfacial magnetic disorder on the EB properties. Firstly, we use a granular model which considers disordered interfacial phases by considering less stable magnetic grains at the interface in the antiferromagnetic (AF) layer. We further model the effect of the nanofabrication process by considering less stable magnetic grains at the edges, due to grain cutting. Our results evidence two different mechanisms of the ferromagnetic (F) layer reversal depending on the magnitude of the coupling between F grains. In the weak coupling regime relative to the anisotropy, the exchange field is independent of the coupling. By contrast, in the strong coupling regime, the exchange field depends on the coupling. Our model also well explain some experimental features observed in NiFe/IrMn and Co/IrMn nanodots (for various lateral sizes) and continuous films, at various measurement temperatures and various AF thicknesses. More precisely, the simulated values of the exchange field in the continuous films, at room temperature, are larger than in the nanodots for small values of the AF thicknesses. However, it is the opposite when this thickness increases. Secondly, we use an atomic model which considers the magnetic frustration inside the AF layer and the presence of structural defects such as grain boundaries and interdiffusion. We found that the combination effect of grain boundaries, frustration and surface can result in complex magnetic configurations in the AF layer at the interface (magnetic domains). Our results show that the non-collinearity of the AF moments at the interface decreases the effective coupling at the interface and decreases the effective anisotropy constant of the AF layer. Our findings indicate that combination effect of grain boundaries and frustration make the AF layer more stable at 0 Kelvin and less stable at non-zero temperature. Our results show that the interdiffusion decrease the simulated values of the exchange field and make the AF more stable which corresponds to a decrease of the effective coupling at the interface. It is important to note that the simulated values of the exchange field are realistic values, which highlights that the interdiffusion is probably one of the essential factors which can give simulated values close to the experimental values.

Cette étude présente le brasage isotherme sous vide des alliages d’aluminium appliqué à la fabrication d’échangeurs thermiques. Ainsi, on étudie les évolutions microstructurales des nuances 3003 (Al-Mn) et 4004 (Al-Si-Mg) au cours des différentes étapes du cycle de brasage. Une double approche est mise en œuvre. Dans un premier temps, des échantillons modèles sont traités thermiquement en laboratoire. On suit l’évolution des phases en présence dans les deux alliages et les phénomènes de diffusion à l’état solide grâce à des analyses EDS. Nous montrons que les outils de simulation thermodynamique Thermo-Calc et DICTRA sont fiables à des températures supérieures à 400°C. On propose ensuite une description des mécanismes gouvernant la fusion du métal d’apport. Nous montrons qu’elle aboutit à la ségrégation d’un liquide enrichi en Si à la surface du métal d’apport. Dans un deuxième temps, des essais sont réalisés en industrie afin de prendre en compte les paramètres du brasage réel. Nous mettons en évidence des phénomènes de dissolution excessive et de pénétration de liquide aux joints de grains. Nous identifions les mécanismes qui gouvernent l’apparition de ces problèmes métallurgiques au cours du brasage. Ainsi, une faible taille de grains du métal de base et une diffusion préférentielle aux joints de grain sont mises en cause / This study deals with the vacuum TLP (Transient Liquid Phase) brazing of aluminum alloys applied to the manufacture of heat exchangers. Thus, the microstructure evolutions of 3003 (Al-Mn) and 4004 (Al-Si-Mg) alloys during the whole assembly process are studied. Firsty, model samples are heat treated in laboratory. The phase transformations and the solid state diffusion between the filler alloy and the base alloy are studied. The results are compared to thermodynamic predictions obtained with both Thermo-Calc and DICTRA softwares. We conclude that these tools are reliable at temperatures above 400°C. The fusion path of the filler alloy is described. It is shown that a Si enriched liquid is formed at the clad surface. On a second time, tests are carried out in industrial conditions, in order to take actual brazing parameters into account. Excessive dissolution and liquid penetration at grain boundaries are observed. The fine grained structure of the base alloy associated to a preferential diffusion at grain boundaries appear to be the main causes

Die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen in multikristallinem Silicium wird von Kupfer und anderen metallischen Verunreinigungen wie Eisen mitbestimmt. Das Hauptziel der Arbeit war es, die Verteilung von Kupfer und dessen Wirkung auf die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen genauer zu untersuchen. Dazu wurden optische und elektrische Untersuchungen an gezielt mit Metallen verunreinigten Modellmaterialien durchgeführt. Nicht alle Versetzungen sind rekombinationsaktiv. Es konnte gezeigt werden, dass der Anteil rekombinationsaktiver Versetzungen am Gesamtinventar und die Hintergrunddiffusionslänge von der Verunreinigung mit Metallen abhängig sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Proben, die Diffusionsexperimenten unterzogen wurden, deuten auf unterschiedliches Ausscheidungsverhalten von Kupfer und Eisen hin sowie auf Wechselwirkungen mit Versetzungen und Korngrenzen, die mit der Diffusionstemperatur und den Abkühlbedingungen in Zusammenhang stehen.

Metal fatigue is a recurring problem for metallurgists and materials engineers, especially in structural applications. It has been responsible for many disastrous accidents and tragedies in history. Understanding the micro-mechanisms during cyclic deformation and combating fatigue failure has remained a grand challenge. Environmental effects, like temperature or a corrosive medium, further worsen and complicate the problem. Ultimate design against fatigue must come from a materials perspective with a fundamental understanding of the interaction of microstructural features with dislocations, under the influence of stress, temperature, and other factors. This research endeavors to contribute to the current understanding of the fatigue failure mechanisms. Cast aluminum alloys are susceptible to fatigue failure due to the presence of defects in the microstructure like casting porosities, non-metallic inclusions, non-uniform distribution of secondary phases, etc. Friction stir processing (FSP), an emerging solid state processing technique, is an effective tool to refine and homogenize the cast microstructure of an alloy. In this work, the effect of FSP on the microstructure of an A356 cast aluminum alloy, and the resulting effect on its tensile and fatigue behavior have been studied. The main focus is on crack initiation and propagation mechanisms, and how stage I and stage II cracks interact with the different microstructural features. Three unique microstructural conditions have been tested for fatigue performance at room temperature, 150 °C and 200 °C. Detailed fractography has been performed using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and electron back scattered diffraction (EBSD). These tools have also been utilized to characterize microstructural aspects like grain size, eutectic silicon particle size and distribution. Cyclic deformation at low temperatures is very sensitive to the microstructural distribution in this alloy. The findings from the room temperature fatigue tests highlight the important role played by persistent slip bands (PSBs) in fatigue crack initiation. At room temperature, cracks initiate along PSBs in the absence of other defects/stress risers, and grow transgranularly. Their propagation is retarded when they encounter grain boundaries. Another major finding is the complete transition of the mode of fatigue cracking from transgranular to intergranular, at 200 °C. This occurs when PSBs form in adjacent grains and impinge on grain boundaries, raising the stress concentration at these locations. This initiates cracks along the grain boundaries. At these temperatures, cyclic deformation is no longer microstructure- dependent. Grain boundaries don’t impede the progress of cracks, instead aid in their propagation. This work has extended the current understanding of fatigue cracking mechanisms in A356 Al alloys to elevated temperatures.

Les travaux de recherche menés dans cette thèse de doctorat se sont focalisés sur la compréhension des interactions graphène-plasma dans le cas de l’exposition de graphène polycristallin à un plasma d’argon pouvant contenant du diborane (B2H6). Une attention particulière est portée sur la cinétique de génération de dommage dans un plasma d’argon pur. Ainsi dans le cas d’un plasma continu, l’absence de seuil en énergie pour la génération de dommage due à un bombardement ionique est mis en évidence. Ceci ne peut s’expliquer que par une gravure à deux étapes, facilitée par la densité ionique élevée caractéristique des plasmas inductifs opérés en mode H. La caractérisation Raman des échantillons exposés au plasma montre une large distribution sur la petite zone sondée. Afin de relier ces fluctuations à l’état initial du graphène, l’imagerie Raman (RIMA) est adaptée dans le but d’extraire des données quantitatives sur l’état du graphène et utilisée pour le reste des travaux. Par la suite, l’étude temporelle des plasmas pulsés en puissance permet de trouver des conditions opératoires avec une fluence ionique drastiquement diminuée. Les traitements subséquents combinés aux analyses RIMA ont permis de suivre l’évolution de l’état du graphène et de distinguer l’état des joints du graphène des domaines de croissance. Ainsi, pour la première fois, l’autoréparation des joints de grains dans un matériau 2D est mis en évidence expérimentalement. Cet effet, théorisé dans les matériaux 3D mais difficilement observé expérimentalement, était effectivement prédis dans le cas du graphène. De plus, un contrôle fin des conditions opératoires du plasma pulsé d’argon a permis d’extraire des paramètres plasmas dans lesquels les métastables d’argons puis les photons VUV émis par les états résonants de l’argon sont les principaux vecteurs d’énergie. Suivant la même méthodologie que précédemment, ces traitements ont mis en lumière les rôles respectifs des ions, des métastables et des photons VUV dans la transmission d’énergie du graphène. Enfin, l’introduction de 5% de diborane a pour conséquence une modification radicale des paramètres physique du plasma. L’exposition de graphène à ce graphène à ce plasma démontre l’intérêt de cette technique pour l’incorporation élevé de bore tout en minimisant la génération de dommages / The research realized in this PhD thesis focuses on the understanding of plasma-graphene interactions during exposure of polycrystalline graphene films to a low-pressure argon RF plasma containing diborane (B2H6). A particular attention is devoted to the kinetics driving the damage formation dynamics. In the case of a continuous, argon plasma, the absence of energy threshold for the production of ion-induced damage is demonstrated. This is explained by two-step etching, facilitated by the high number density of charged species in the H-mode of RF plasmas. Raman characterization of plasma-treated graphene films shows a wide distribution over the small area surveyed. In order to link these fluctuations to the initial state of graphene, Raman imaging (RIMA) is adapted to extract quantitative data on the state of graphene before and after plasma treatment. Subsequently, the temporal study of argon RF plasmas in the pulsed regime makes it possible to find operating conditions with a drastically reduced fluence of charged species compared to the continuous regime; in combination with RIMA studies, this allows temporally- and spatially-resolved investigations of plasma-graphene interactions. For the first time, a preferential self-healing of ion-irradiation damage at grain boundaries of graphene films is experimentally demonstrated. Moreover, by using several electrical and optical diagnostics of the argon plasma in the pulsed regime, it is possible to determine operating conditions in which either the ions, the metastables or the VUV photons emitted by the resonant states become the main energy vectors. From these experiments, the respective roles of each of these species in the physics of plasma-graphene interactions could be highlighted. Finally, the introduction of 5% of diborane into the argon plasma induces a radical modification of the physicochemical properties of the plasma. Exposure of graphene films to this highly reactive plasma reveals high boron incorporation with minimal ion and hydrogen damage.

Alloy 617 displays a ductility dip during straining at exactly 1000˚C, leading to brittle fracture. A sudden decrease in ductility appearing during Gleeble hot ductility tests of Ni-based superalloys is a well-known phenomenon, while its cause is unknown. Many mechanisms have been established as possible contributors to the issue, and in later years not one, but the simultaneous presence of several of these mechanisms were confirmed as the cause. The ductility dip leads to solid state cracking and a specific solid state cracking phenomenon known as ductility dip cracking is specifically common in Ni-based superalloys. Ductility dip cracking is identified by intergranular cracks and the occurrence of specific precipitates, among other things. This work investigates the possibility that the decreased ductility is due to ductility dip cracking. Furthermore, other possible explanations are investigated. Visual examination was conducted through LOM, SEM and chemical analysis using EDS technique. Combined with thermodynamic calculations, the existence of Cr-rich M23C6 carbides, Ti(N,C) and Mo-rich particles, most likely M3B2, were confirmed. Further, it is established that the ductility dip is related to the lack of dynamic recrystallization at 1000˚C. It is not confirmed that the ductility dip in alloy 617 is due to ductility dip cracking. / Nickelbaslegeringen 617 uppvisar en minskning i duktilitet under Gleeble-dragprovning vid exakt 1000˚C vilket leder till sprött brott. En plötslig sänkning av duktiliteten vid varmdragning av Ni-baserade superlegeringar är ett välkänt fenomen, dock är orsaken inte fastställd. Många mekanismer har bekräftats som bidrag till problemet och under de senaste åren har den simultana närvaron av fler av dessa mekanismer bekräftats som orsaken. Sänkningen i duktilitet leder till sprickbildning i fast fas och en specifik typ av sprickbildning känd som ”ductility dip cracking” är speciellt förekommande i Ni-bas legeringar. Denna identifieras bland annat genom intergranulära sprickor och närvaron av specifika utskiljningar. Detta arbete undersöker möjligheten att duktilitetssänkningen beror på  ”ductility dip cracking”. Dessutom undersöks fler tänkbara förklaringar. Visuell granskning genomfördes via LOM och SEM och analys av sammansättningar via EDS-analys. I kombination med termodynamiska simuleringar blev förekomsten av Cr-rika M23C6 karbider, Ti(N,C) och Mo-rika partiklar, troligtvis M3B2, bekräftad. Fortsatt är det bekräftat att duktilitetssänkningen är relaterat till avsaknaden av rekristallisation vid 1000˚C. Det är inte bekräftat i detta arbete att duktilitetssänkningen i legering 617 beror av ”ductility dip cracking”.

Le fer et les alliages à base de fer sont d'une importance cruciale dans les domaines de la science des matériaux et du génie en raison de leurs nombreuses applications industrielles, notamment dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de l'énergie. Ces matériaux sont prisés pour leur haute résistance mécanique, leur ductilité et leur résistance à la corrosion, mais leur performance peut être significativement affectée par la présence d'hydrogène, qui peut entraîner la fragilisation par l'hydrogène (Hydrogen Embrittlement, HE). La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène où la ductilité et la résistance à la fracture du matériau sont réduites en raison de l'infiltration et de l'interaction de l'hydrogène avec le métal. Cette thèse examine la diffusion et l'interaction de l'hydrogène (H) et des complexes H-lacune et H-frontière de grain dans le fer cubique centré (BCC) en utilisant la Technique d'Activation-Relaxation Cinétique (ARTc), une méthode avancée de Monte Carlo cinétique hors-réseau. Les principaux objectifs sont de modéliser la cinétique des interactions de l'hydrogène avec les défauts dans le fer, fournissant une compréhension complète des mécanismes derrière la HE. Les domaines clés d'investigation incluent : 1. Diffusion de l'hydrogène : Cette étude révèle que les atomes d'hydrogène peuvent diffuser rapidement et que la méthodologie ARTc découvre des chemins de diffusion complexes pour les complexes liés à l'hydrogène, révélant des variations significatives des barrières de diffusion en fonction des relations géométriques entre les atomes de fer et l'hydrogène lié. L'utilisation de ARTc permet l'exploration détaillée des chemins de diffusion et l'identification des principales barrières énergétiques qui régissent le mouvement de l'hydrogène et des défauts au sein du réseau de fer. 2. Interactions Hydrogène-lacune : Nos recherches montrent que l'hydrogène peut stabiliser les lacunes, conduisant à la formation de microvides et contribuant à l'embrittlement du matériau. À mesure que plus d'atomes d'hydrogène sont ajoutés, les lacunes se déforment et affectent le réseau sur de plus longues distances, augmentant la barrière de diffusion des complexes VHx et leur impact sur l'environnement local. 3. Effets des frontières de grain : En investiguant l'influence de l'hydrogène sur les frontières de grain dans le fer, les résultats suggèrent que la présence d'hydrogène aux frontières de grain modifie leur paysage énergétique, les rendant plus susceptibles à l'embrittlement. De plus, la présence d'hydrogène aux frontières de grain (GB) stabilise les frontières en déplaçant les barrières de diffusion vers des valeurs plus élevées et en réduisant le nombre d'événements de diffusion. Nous examinons également le comportement des lacunes et leur diffusion dans les frontières de grain saturées en H pour comprendre les lacunes observés aux pointes de fissure dans les études expérimentales. Dans l'ensemble, cette thèse fournit un examen détaillé des changements dans le paysage énergétique des défauts dans le fer BCC en présence d'hydrogène, offrant des insights sur les mécanismes concurrents de la HE. Ces résultats forment la base de futures études visant à relier les évolutions microscopiques aux propriétés mécaniques macroscopiques du fer, contribuant à une compréhension plus large et à l'atténuation de l'embrittlement par l'hydrogène dans les applications industrielles. / Iron and iron-based alloys are critically important in the fields of materials science and engineering due to their extensive industrial applications, particularly in the automotive, aerospace, and energy sectors. These materials are prized for their high mechanical strength, ductility, and resistance to corrosion, but their performance can be significantly impacted by the presence of hydrogen, which can lead to hydrogen embrittlement (HE). Hydrogen embrittlement is a phenomenon where the material’s ductility and fracture resistance are reduced due to the ingress and interaction of hydrogen with the metal. This thesis, investigates the diffusion and interaction of hydrogen (H) and H-vacancy complexes and H-grain boundary in body-centered cubic (BCC) iron using the kinetic ActivationRelaxation Technique (kART), an advanced off-lattice kinetic Monte Carlo method. The primary objectives are to model the kinetics of hydrogen interactions with defects in iron, providing a comprehensive understanding of the mechanisms behind HE. Key areas of investigation include: 1. Hydrogen Diffusion: This study reveals that hydrogen atoms can rapidly diffuse and the kART methodology uncovers complex diffusion pathways for hydrogen-bound complexes, revealing significant variations in diffusion barriers depending on the geometric relationships between iron atoms and bound hydrogen. Utilizing kART allows for the detailed exploration of diffusion pathways and the identification of key energy barriers that govern the movement of hydrogen and defects within the iron lattice. 2. Hydrogen-Vacancy Interactions: Our research shows that hydrogen can stabilize vacancies leading to the formation of microvoids and contributing to the material’s embrittlement. As more hydrogen atoms are added, vacancies deform and affect the lattice over longer distances, increasing the diffusion barrier of the VHx complexes and their impact on the local environment. 3. Grain Boundary Effects: Investigating the influence of hydrogen on grain boundaries in iron, the findings suggest that hydrogen presence at grain boundaries alters their energy landscape, making them more susceptible to embrittlement. Moreover, the presence of hydrogen at grain boundaries (GB) stabilizes the boundaries by shifting diffusion barriers to higher values and reducing the number of diffusion events. We also examine the behavior of vacancies and their diffusion in H-saturated grain boundaries to understand the vacancies observed at crack tips in experimental studies. Overall, this thesis provides a detailed examination of the changes in the energy landscape of defects in BCC iron in the presence of hydrogen, offering insights into the competing mechanisms of HE. These findings form the basis for further studies to link microscopic evolutions with the macroscopic mechanical properties of iron, contributing to the broader understanding and mitigation of hydrogen embrittlement in industrial applications.

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