abstract: Shock loading is a complex phenomenon that can lead to failure mechanisms such as strain localization, void nucleation and growth, and eventually spall fracture. The length scale of damage with respect to that of the surrounding microstructure has proven to be a key aspect in determining sites of failure initiation. Studying incipient stages of spall damage is of paramount importance to accurately determine initiation sites in the material microstructure where damage will nucleate and grow and to formulate continuum models that account for the variability of the damage process due to microstructural heterogeneity, which is the focus of this research. Shock loading experiments were conducted via flyer-plate impact tests for pressures of 2-6 GPa and strain rates of 105/s on copper polycrystals of varying thermomechanical processing conditions. Serial cross sectioning of recovered target disks was performed along with electron microscopy, electron backscattering diffraction (EBSD), focused ion beam (FIB) milling, and 3-D X-ray tomogrpahy (XRT) to gain 2-D and 3-D information on the spall plane and surrounding microstructure. Statistics on grain boundaries (GB) containing damage were obtained from 2-D data and GBs of misorientations 25° and 50° were found to have the highest probability to contain damage in as-received (AR), heat treated (HT), and fully recrystallized (FR) microstructures, while {111} Σ3 GBs were globally strong. The AR microstructure’s probability peak was the most pronounced indicating GB strength is the dominant factor for damage nucleation. 3-D XRT data was used to digitally render the spall planes of the AR, HT, and FR microstructures. From shape fitting the voids to ellipsoids, it was found that the AR microstructure contained greater than 55% intergranular damage, whereas the HT and FR microstructures contained predominantly transgranular and coalesced damage modes, respectively. 3-D reconstructions of large volume damage sites in shocked Cu multicrystals showed preference for damage nucleation at GBs between adjacent grains of a high Taylor factor mismatches as well as an angle between the shock direction and the GB physical normal of ~30°-45°. 3-D FIB sectioning of individual voids led to the discovery of uniform plastic zones ~25-50% the size of the void diameter and plastic deformation directions were characterized via local average misorientation maps. Incipient transgranular voids revealed from the sectioning process were present in grains of high Taylor factors along the shock direction, which is expected as materials with a low Taylor factor along the shock direction are susceptible to growth due their accomodation of plastic deformation. Fabrication of square waves using photolithography and chemical etching was developed to study the nature of plasticity at GBs away from the spall plane. Grains oriented close to <0 1 1> had half the residual amplitudes than grains oriented close to <0 0 1>. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Mechanical Engineering 2015

Die für technische Anwendungen attraktivsten Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter beruhen auf der Wechselwirkung der Materialien mit einem externen Magnetfeld. Für hochleistungsfähige Supraleiteranwendungen werden großvolumige Funktionselemente mit eindomänigem Magnetisierungsverhalten benötigt. Zur Vergrößerung der magnetischen Domäne schmelztexturierter YBa2Cu3O7-δ-Kompaktsupraleiter wurde anhand der Multi-Seeding-Technik, die Rekristallisation unter Verwendung mehrerer SmBa2Cu3O7-δ-Keimpräparate untersucht. Als Schlüsseltechnologie zur Herstellung anwendungsorientierter Supraleitererzeugnisse wurde zu Beginn der Arbeit die Keimkristallherstellung optimiert. Gemäß den Zielvorgaben stehen zukünftig quasi-einkristalline Keimkörper definierter Form und Orientierung in hoher Stückzahl zur Verfügung. Die Supraleiter betreffend ist es gelungen, für den wechselseitigen Abstand und die Ausrichtung der Keimpräparate ein Optimum zu finden sowie tolerierbare Winkel der Verschwenkung angrenzender Kristalle zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass das Auftreten isolierender Korngrenzeneinschlüsse mit den magnetischen Materialeigenschaften korreliert und vom Keimabstand und der Korngrenzenorientierung abhängig ist. Mit Einsatz von bis zu 16 Keimkristallen gelang es, eindomänige Supraleiterhalbzeuge mit Höchstmaßen von (79 x 39 x 20) mm3 und Remanenzflussdichten von bis zu 1,3 T zu erzeugen. Im Chargenprozess konnten abschließend Multi-Seeding-Funktionselemente mit anwendungskonformen geometrischen und magnetischen Materialeigenschaften zum Aufbau eines hochdynamischen Supraleitermotors reproduzierbar gefertigt werden. In Leistungstests wurde für die Dynamik des Motors mit 200.000 rpm/s ein Rekordwert erzielt – nun können die Motoren in der Anwendung erprobt werden.