In this work, electrical transport properties and the maximum current carrying capability of YBa2Cu3O7-[delta] thin films and so called quasi-multilayers are investigated. These samples are prepared with pulsed laser deposition on single-crystalline substrates (SrTiO3) as well as on biaxially textured Ni tapes. The critical current density of coated conductors is limited by small-angle grain boundaries in low magnetic fields, but by the intra-grain pinning properties in higher magnetic fields. Accordingly, these investigations are divided into two parts: In the first part, the limitation of the critical current density by grain-boundaries and grain boundary networks is investigated with the main focus on the influence of geometrical factors such as the conductor width or the grain aspect ratio. In the second part, a possible enhancement of the critical current density due to different doping types (atomar doping using Zn and precipitate doping using BaMO3 where M is a transition metal) will be discussed. Here, not only the irreversibility field but also the pinning behaviour in very low magnetic fields is of interest to better understand the pinning mechanism of thin films. / In der vorliegenden Arbeit werden elektrische Transporteigenschaften und die maximale Stromtragfähigkeit von YBa2Cu3O7-[delta]-Dünnschichten und -Schichtsystemen, die mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition sowohl auf einkristallinem Substrat, SrTiO3, als auch auf biaxial texturierten Ni-Bändern deponiert wurden, untersucht. Da in kleinen Magnetfeldern Kleinwinkelkorngrenzen die kritische Stromdichte in Bandleitern begrenzen, in höheren jedoch die Pinningeigenschaften der Körner, gliedern sich diese Untersuchungen in zwei Teile: Im ersten wird die Limitierung der kritischen Stromdichte jc durch Korngrenzen und Korngrenzennetzwerke näher untersucht, wobei besonders Geometrieeinflüsse, wie die Leiterbahnbreite oder das Aspektverhältnis der Körner, interessieren. Im zweiten wird eine mögliche Erhöhung der kritischen Stromdichte durch verschiedene Dotierungen (atomare Dotierung: Zn, Ausscheidungsdotierung: BaMO3, M Metall) erörtert. Dabei ist nicht nur das Irreversibilitätsfeld interessant, sondern auch das Pinningverhalten in sehr kleinen Magnetfeldern, da so die Pinningmechanismen in Dünnschichten besser verstanden werden können.

This thesis explores multiscale approaches to describe structural and chemical defects in metals. Particular emphasis is placed on investigating processes involving grain boundaries (GBs) in combination with impurity and vacancy defects. The defects and their interactions are calculated to very high accuracy using density functional theory (DFT) and connected to the macroscopic behavior within the two multiscale formalisms presented here. We begin with a sequential approach to address chemical embrittlement of nickel by sulfur impurities. Effects at both a \(\Sigma 5 (012)\) symmetric tilt GB and in the bulk are studied by considering competing mechanisms for ductile and brittle behavior. For the bulk, this takes the form of Rice’s theory, where the ratio of the surface and unstable stacking energy is used as a measure of ductility. This is generalized to the GB by considering GB sliding (GBS) and intergranular decohesion. Clear evidence that chemical embrittlement of nickel by sulfur is a GB driven effect is found. Next, a concurrent multiscale approach is described. A small region, containing the defects, is treated with Kohn-Sham DFT and coupled to the bulk, described with the embedded atom method. We apply this novel method to elucidate the chemical embrittlement of a copper \(\Sigma 5 (012)\) symmetric tilt GB. Intergranular decohesion for three substitutional impurities, bismuth, lead and silver, is investigated by considering the work of separation \((W_s)\) and the tensile strength \((\sigma_t)\). Bismuth and lead show a significant decrease in \(W_s\) and \(\sigma_t\), consistent with embrittlement, whilst silver has only a minor effect. Then, the concurrent multiscale method is applied to the process of GBS in copper. It is found that the resistance against sliding increases significantly for bismuth, lead and silver impurities. The underlying mechanisms for this increase are found to be dominated by size effects for bismuth and lead. For silver, chemical effects are of greater importance. Similar results are found for the underlying mechanisms of intergranular decohesion. The effect of a mono-vacancy on GBS is studied for copper. The multiscale approach enables improved decoupling of the mono-vacancy. It is found that the monovacancy enhances GBS by 22%. / Engineering and Applied Sciences

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Le carbure cémenté (WC-Co) est un système biphasé constitué de grains de carbure de tungstène enrobés dans un liant à base de cobalt. Dans ce matériau composite, qui allie donc la dureté du carbure à la résilience du cobalt, la maîtrise de la microstructure est un paramètre clef pour l’optimisation des propriétés mécaniques.Le but de ce travail est de mettre au jour les mécanismes régissant le développement des joint de grain et des joints de phase lors du frittage. L’effet de la teneur en liant, du taux de carbone et du temps de frittage ont été particulièrement étudiés.Ce travail est basée sur la caractérisation du matériau par EBSD (Electron BackScattered Diffraction), une méthode qui facilite la séparation des grains et donc l’utilisation de techniques d’analyse d’image pour étudier la microstructure. En outre un programme basé sur les données d’orientation des grains collectées par EBSD et permettant l’analyse de la texturation des joints de grain et des joints de phase a été développé pour cette étude.L’étude de la contiguité montre qu’elle ne dépend pas du taux de frittage ni de la teneur en carbone du liant, mais essentiellement de la fraction volumique de liant. Cela implique que l’encombrement et l’imbrication des particules sont les principaux paramètres entrant en compte dans l’établissement de la contiguité. Un grossissement plus rapide et plus marqué a été observé dans les échantillons riches en carbone, ainsi que dans ceux présentant un fort taux de liant. Un grossissement anormal a été observé dans les échantillons riches en carbone et à fort taux de liant. La désorientation aux joints de grains est caractérisée par un couple axe/angle décrivant la rotation liant les deux cristaux. L’étude de la distribution des axes a révélé que trois rotations sont particulièrement abondantes : celles autour de [101 ̅0], [21 ̅1 ̅0] et [0001]. Elles représentent environ 30% de la surface totale des joints de grains. Pour chacune des rotations particulières ont été détectées : [101 ̅0]/90°, [21 ̅1 ̅0] / (48°- 60°- 90°) et [0001]/90°. L’étude de la géométrie de ces joints suggère que leur remarquable stabilité est due au fort taux de cohérence dans le plan de joint. L’analyse statistique des plans de joint de grain et de joint de phase montre que la plupart d’entre eux correspond à un plan basal ou prismatique pour au moins l’un des deux grains (70% environ de la surface totale de joint de grain, et 50% environ de la surface totale de joint de phase). Sur la base de ces résultats, un scénario décrivant l’évolution de la microstructure durant le frittage est finalement proposé. / WC-Co cemented carbide is a two phase system constituted of a cobalt based binder matrix embedding hard tungsten carbide grains. This material is especially used in fields such as metal cutting or mining, where high mechanical properties are required. Therefore, the microstructure is a key parameter to control to optimize the mechanical properties of the alloy.This work aims at understanding the mechanisms of grain boundary and phase boundary development during sintering, and how they may influence the final microstructure. The effect of the binder content, carbon content and sintering time was especially investigated.Electron BackScattered Diffraction characterization was chosen to conduct this study. First because the precise separation of grains in the resulting images makes possible automation of the measurements, and thus allows a statistical analysis of several microstructural parameters (as grain size, contiguity) on numerous samples. Secondly because orientation data collected by this way make possible the analysis of grain boundary and phase boundary texture. To this end, an automated method was developed for analysis of grain boundaries and estimation of remarkable boundary planes fraction from 2D EBSD measurements.The study of contiguity shows that it does not depend on sintering time or carbon content in the binder, but essentially of the carbide grain volume fraction. This result implies that impingement is the first order parameter in the evolution of contiguity. Grains appear to grow faster and in a larger extent in samples with a carbon rich binder, as well as in high binder content samples. Abnormal grain growth seems to be favored by high binder content in carbon rich samples. All grain boundaries were characterized by a couple of rotation axis and misorientation angle. Three particular rotation axes were identified: [101 ̅0], [21 ̅1 ̅0] and [0001]. They represent around 30% of the total grain boundary surface area. In addition, specific rotations were found to be particularly abundant in the microstructure: [101 ̅0]/90°, [21 ̅1 ̅0] / (48°- 60°- 90°) and [0001]/90°.A study of their geometry suggests that their stability would be due to a particularly coherent boundary plane. A statistical analysis shows that most grain boundaries and phase boundaries have a habit plane parallel to a basal or prismatic plane (about 70% of the total grain boundary surface area and 50% of the total phase boundary area. Finally, a scenario is proposed for the microstructure development model during sintering of cemented carbides on the basis of the results.

The experimental discovery of graphene in 2004 has opened up a new research field in the direction of atomically thin two-dimensional layered materials for exploration of many fundamental research problems and technological applications. The charge carriers in graphene are massless Dirac fermions due to which they exhibit absence of localization, thereby giving rise to huge intrinsic mobilities and ballistic transport even at room temperatures. But it was observed that the extrinsic disorder and intrinsic structural disorder can significantly influence the transport in graphene films. This thesis focuses on three different aspects of graphene -disorder, magnetism and proximity-induced superconductivity. We have reported conductance fluctuations-based transport studies to investigate these aspects as they provide more detailed information than what can be obtained from the standard transport measurements. Even though these conductivity fluctuations pose a serious bottleneck for various applications, they can also yield useful insights into the various scattering mechanisms and the symmetry properties of graphene. In the first half of the thesis, we describe the measurement of low frequency 1/f noise in large area polycrystalline graphene films to understand the role of grain boundaries in charge carrier transmission in graphene. TEM studies on the low and high angled GBs formed in these graphene samples showed that they form distinct disordered regions of varying widths depending on the tilt angle of the GBs. At low temperatures, the 1/f noise measurements indicated spontaneous breaking of time reversal symmetry across graphene grain boundaries which suggests the magnetic nature of these grain boundaries. In the second half of the thesis, we will concentrate on the universal conductance fluctuations (UCF) in graphene which is the manifestation of quantum interference phenomena at low temperatures. We find that the absolute magnitude of the UCF is directly related to various symmetry-breaking disorder present in graphene. We also discuss how the UCF can be used to study the nature of proximity-induced superconducting correlations in graphene. In the end, we have proposed new device schemes for the integration of ferromagnetic and superconducting materials with graphene.

Nos travaux se focalisent sur l’impact des hétérogénéités structurales sur la diffusion de l’hydrogène dans les métaux. Dans ce cadre, des essais de perméation sont simulés par la méthode des éléments finis, afin de comprendre l’impact des caractéristiques métallurgiques sur les données extraites lors de ce type d’analyse. Afin de pouvoir séparer les différents mécanismes intervenant lors de la diffusion, l’étude est conduite en plusieurs étapes. A l’échelle de la membrane, les effets du piégeage et de la présence d’une couche d’oxyde à la surface du matériau sont considérés. Tandis que le piégeage et la couche d’oxyde diminuent tous deux la diffusivité effective, leurs effets sont opposés sur les concentrations en hydrogène en subsurface mesurées. D’autre part, les effets du piégeage lors de la désorption de l’hydrogène sont plus particulièrement étudiés. Il s’avère nécessaire de prendre en considération les fréquences de saut des atomes d’hydrogène afin de se rapprocher des données expérimentales. Ces premières études ayant portées sur des membranes homogènes, nous nous sommes consacrés, dans une dernière partie, aux effets de la microstructure sur la diffusion. Pour cela, nous considérons l’influence des joints de grains dits « généraux », qui se comportent comme des courts-circuits de diffusion pour l’hydrogène. La microstructure entraîne l’apparition d’effets d’échelle, lorsque l’épaisseur de la membrane se rapproche de la taille de grains. Qui plus est, en considérant un modèle à trois dimensions, les triples joints amplifient ces effets d’échelle, notamment dans le cas de matériaux nanocrystallins. / Our work focuses on the impact of structural heterogeneities on the diffusion of hydrogen in metals. In this context, permeation tests are simulated using the finite element methods, to understand the effects of the metallurgical properties on the data extracted with such analysis. To separate the different mechanisms occurring during diffusion, the study is led by several steps. At the scale of the membrane, the effects of trapping and the presence of an oxide layer at the surface of the material are considered. While the trapping and the surface layer both slow down the effective diffusivity, their effects are opposed on the measured hydrogen subsurface concentrations. On the other hand, the effects of trapping during the desorption are more specifically studied. It appears that taking into account the jump frequencies of the hydrogen atoms is required to get closer to the experimental data. Since the first studies dealt with homogeneous membranes, we focus in a last part on the effects of the microstructure on hydrogen diffusion. To do so, we consider the influence of “random” grain boundaries, acting as hydrogen diffusion short-circuits. Scale effects appear due to the microstructure when the membrane thickness approaches the grain size. Moreover, by using a three-dimensional model, triple junctions emphasize the scale effects, especially for nanocrystalline materials.

Dans le but de parvenir à comprendre le rôle des joints de grains sur la déformation des polycristaux, il est nécessaire d’étudier finement le comportement des bi-cristaux. Dans cette étude, une approche expérimentale innovante basée sur la fabrication et l’étude du comportement mécanique et de la plasticité cristalline de micro-piliers bi-cristallins est combinée à une approche de modélisation micromécanique. Cette approche théorique est basée sur la théorie continue des dislocations dans laquelle les dislocations stockées au joint de grains sont décrites par une distribution continue de dislocations interfaciales. Ce modèle fournit des expressions analytiques explicites des champs de contraintes et de rotations du réseau dans le cas d’un bi-cristal infini avec un joint plan. Les contributions des différentes sources d’incompatibilité sont mises en évidence en raison des anisotropies élastique et plastique liées aux différentes orientations cristallines. Des calculs éléments finis ont permis de valider l’approche dans une zone proche du joint de grains et distante des surfaces libres du micro-pilier. L’analyse expérimentale est basée sur des essais de compression menés à température ambiante sur des micro-piliers bi-cristallins de Ni fabriqués au FIB (Focused Ion Beam). D’abord, l’étude s’est concentrée sur les prédictions des cissions résolues sur tous les systèmes de glissement du bi-cristal en utilisant le modèle continu. Les effets des fractions volumiques de cristaux et de l’inclinaison du joint de grains ont également été pris en compte dans l’analyse. Les prédictions du modèle développé dans cette thèse sont en accord avec les systèmes de glissement actifs identifiés. Concernant l’entrée en plasticité et les systèmes de glissement associés dans chaque cristal, le modèle développé est plus pertinent que la loi de Schmid. Les essais de compression sont suivis par des mesures microstructurales effectuées par EBSD, pour quantifier les rotations du réseau dans chaque grain au cours de la déformation. Celles-ci ont été également calculées et discutées à l’aide du modèle micromécanique développé dans cette thèse / In order to better understand the role of grain boundaries in polycrystals deformation, the study of the mechanical behavior of bicrystals becomes necessary. In this study, an innovative experimental approach based on the fabrication of bicrystalline micropillars is investigated with a micromechanical analysis of crystal plasticity behavior. The theoretical approach is based on the static Field Dislocation Mechanics (FDM) theory in which the dislocations stored in the grain boundary are described by a continuous distribution of interfacial dislocations. This model provides explicit analytical expressions of the stress and lattice rotation fields in the case of an infinite bicrystal with planar boundary. The contribution of the different incompatibility sources are emphasized due to elastic and plastic anisotropies related to the different crystal orientations. Finite element simulations were also performed to validate this approach in a zone close to the grain boundary and far from the micropillar free surfaces. The experimental results are based on compression tests conducted at room temperature on Ni bicrystalline micropillars. The micropillars are machined on a Focused Ion Beam (FIB). First, the study is focused on the prediction of the resolved shear stresses on the possible slip systems in the bicrystal using the continuum model. The crystal volume fraction and the grain boundary inclination angle effects were also taken into account in the analysis. The predictions of the continuum-based approach developed in this thesis are in full agreement with the experimentally identified active slip systems. Concerning the onset of plasticity and the associated slip systems in each crystal, the developed model is more relevant than the Schmid law. The compression tests are followed by microstructural EBSD measurements to quantify lattice rotations in each grain during the deformation which were also computed using the micromechanical model developed in the present thesis

Effects of mould flux contaminant on scale-steel adhesion and hydraulic descaling of scale formed on slabs were investigated. In this investigation, stainless steel type 304 (austenitic with 18% Cr and 8% Ni) and specific mould fluxes were used when growing the scale on contaminated samples under simulated industrial reheating conditions, with subsequent high pressure water hydraulic descaling. The basic hypothesis was that the steel-scale adhesion depends on the microstructure of different phases present in the scale, the segregation of specific elements at the interface and the interfacial morphology of the scale after reheating. It was found that mould flux contaminant decreases scale-steel adhesion and therefore improved the descaling effectiveness significantly compared to non contaminated stainless steel. The descaling effectiveness of contaminated and uncontaminated slab was dependent to the presence of metal free paths (chromite layers along the austenite grains boundaries) and the presence of unoxidized metal in the scale due to nickel enrichment at the interface. Compared to the uncontaminated samples, the descaling of contaminated samples was efficient which could be due to the fact that some mechanisms which increase scale– steel adhesion (notably nickel enrichment at the interface) were considerably reduced. For all contaminated samples, the descaling effectiveness after visual observation were close to 100% and it was found that mould flux type 832 ( low basicity) gave a high descaling efficiency with better steel surface quality after descaling compared to mould fluxes type 810 and RF1. / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2009. / Materials Science and Metallurgical Engineering / unrestricted

L'élaboration des aciers ODS fait appel à une étape de consolidation par filage à chaud. Les propriétés très anisotropes de ces matériaux à l'état filé, notamment les nuances purement ferritiques (>12% Cr), nécessitent une meilleure compréhension des effets du procédé de filage sur la microstructure. Ainsi, ce travail de thèse a pour objectif principal d'étudier les évolutions de la microstructure lors de la transformation à chaud des aciers inoxydables ODS ferritiques, et plus globalement de comprendre le comportement de ces matériaux sous sollicitation mécanique à haute température. Pour cela, des essais de filage interrompus et des essais thermomécaniques de torsion et de compression à chaud (1000-1200°C) ont été réalisés sur plusieurs aciers ferritiques à 14% de Cr présentant différents taux de renfort en titane et en yttrium. Les microstructures obtenues après déformation ont été caractérisées par EBSD.L'ensemble des analyses microstructurales effectuées montre que la mise en forme à chaud des aciers ferritiques par filage s'accompagne d'une recristallisation dynamique de type continue. Après formation des sous-joints par restauration, leurs désorientations continuent à croître, et ceux-ci se transforment graduellement en joints de grains au cours de la déformation. La cinétique de ce mécanisme semble néanmoins fortement influencée par les caractéristiques de la précipitation présente dans le matériau ; la recristallisation devenant moins complète lorsque les précipités sont plus fins et plus nombreux. En plus du taux de renfort, l'étude de la déformation de ces nuances en torsion et en compression dans des conditions proches de celles observées en filage révèle également une forte influence de la température sur leur comportement. Les microstructures de déformation présentent une évolution d'autant plus importante que la température et/ou le taux de renfort sont limités. À 1000°C, les évolutions observées indiquent la présence de la recristallisation dynamique continue. En revanche, lorsque l'on augmente la température et/ou le taux de renfort, la déformation s'accompagne d'une évolution limitée de la microstructure, notamment en torsion où un endommagement sévère aux niveaux des joints de grains est observé. Dans ce cas, les résultats sont interprétés par un mécanisme d'accommodation de la déformation au voisinage des joints de grains. Les paramètres rhéologiques calculés à partir de ces essais mécaniques confirment la tendance à une faible activité plastique au sein des grains dans les nuances renforcées. / The production of ODS steels involves a powder consolidation step usually using the hot extrusion (HE) process. The anisotropic properties of extruded materials, especially in the ODS ferritic grades (>wt%12Cr), need a better understanding of the metallurgical phenomena which may occur during HE and lead to the observed microstructure. The hot working behavior of these materials is of particular interest. The methodology of this work includes the microstructure analysis after interrupted hot extrusion, hot torsion and hot compression (1000-1200°C) tests of ferritic steels with 14%Cr and different amounts in Ti and Y2O3.The microstructure evolution during hot extrusion process is associated with continuous dynamic recrystallization (CDRX). It leads to the creation of new grains by the formation of low angle boundaries, and then the increase of their misorientation under plastic deformation. The investigations highlight also the role of precipitation on the kinetics of this mechanism; it remains incomplete in the presence of fine and dense nanoprecipitates. After hot deformation in torsion and compression, it is noticed that both precipitates and temperature deformation have a significant impact on the deformation mechanisms and microstructure evolution. Indeed, the CDRX is dominant when temperature and amount of reinforcement are limited. However, when they are increased, limited microstructure evolution is observed. In this case, the results are interpreted through a mechanism of strain accommodation at grain boundaries, with low dislocation activity in the bulk of the grains.

In this work, electrical transport properties and the maximum current carrying capability of YBa2Cu3O7-[delta] thin films and so called quasi-multilayers are investigated. These samples are prepared with pulsed laser deposition on single-crystalline substrates (SrTiO3) as well as on biaxially textured Ni tapes. The critical current density of coated conductors is limited by small-angle grain boundaries in low magnetic fields, but by the intra-grain pinning properties in higher magnetic fields. Accordingly, these investigations are divided into two parts: In the first part, the limitation of the critical current density by grain-boundaries and grain boundary networks is investigated with the main focus on the influence of geometrical factors such as the conductor width or the grain aspect ratio. In the second part, a possible enhancement of the critical current density due to different doping types (atomar doping using Zn and precipitate doping using BaMO3 where M is a transition metal) will be discussed. Here, not only the irreversibility field but also the pinning behaviour in very low magnetic fields is of interest to better understand the pinning mechanism of thin films. / In der vorliegenden Arbeit werden elektrische Transporteigenschaften und die maximale Stromtragfähigkeit von YBa2Cu3O7-[delta]-Dünnschichten und -Schichtsystemen, die mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition sowohl auf einkristallinem Substrat, SrTiO3, als auch auf biaxial texturierten Ni-Bändern deponiert wurden, untersucht. Da in kleinen Magnetfeldern Kleinwinkelkorngrenzen die kritische Stromdichte in Bandleitern begrenzen, in höheren jedoch die Pinningeigenschaften der Körner, gliedern sich diese Untersuchungen in zwei Teile: Im ersten wird die Limitierung der kritischen Stromdichte jc durch Korngrenzen und Korngrenzennetzwerke näher untersucht, wobei besonders Geometrieeinflüsse, wie die Leiterbahnbreite oder das Aspektverhältnis der Körner, interessieren. Im zweiten wird eine mögliche Erhöhung der kritischen Stromdichte durch verschiedene Dotierungen (atomare Dotierung: Zn, Ausscheidungsdotierung: BaMO3, M Metall) erörtert. Dabei ist nicht nur das Irreversibilitätsfeld interessant, sondern auch das Pinningverhalten in sehr kleinen Magnetfeldern, da so die Pinningmechanismen in Dünnschichten besser verstanden werden können.