First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Arc fusion of self-fluxed nickel alloys

Self-fluxed nickel alloys are usually flame fused after thermal spraying. However, due to the practical aspects of high temperatures reached during flame fusing, large structures such as the hydraulic turbines for power generation, can not be efficiently coated. An alternative is to fuse the sprayed coating with a gas tungsten electric arc. In this case, heating is much more intensive and substrate temperature during and after the fusing operation is much lower, thus reducing the possibility that any problem will occur. In this work, coatings of self-fluxed nickel alloy fused by flame and gas tungsten arc were evaluated as protection of hydraulic turbines against cavitational damage. Several tests were performed, including the ASTM ultrasonically vibration-induced cavitation, optical and scanning electronic microscopic metallography, and hardness tests. The results showed that the arc-fused coating presented better cavitation damage resistance, probably due to its finer microstructure. A field application of this new technique is also described. A self-fluxed Ni alloy was flame sprayed in critical regions of Francis-type hydraulic turbine blades and fused by a gas tungsten arc after spraying. The blades will be inspected during the next two years.

Noise and vibration damping of Fe-Cr-x alloys

The aim of the present work is to study the noise and vibration damping capacity of ferromagnetic Fe-16%Cr base alloys (before and after heat treatment) with different Al and Mo contents. The noise damping was evaluated by the level of sound emission after an impact. The vibration damping was studied using a cantilever device. In addition to these tests, the magnetic structure of the materials was also investigated by Kerr effect. It was verified that the materials can decrease noise level in the frequency range of human earring. The vibration damping is influenced by heat treatment and chemical composition of the alloy. The improvement of vibration damping after heat treatment is ascribed to the decrease of internal stresses in materials and changes in magnetic domain structures.

Chromium mass balance in sodium chlorate process

Kuudenarvoista kromia käytetään natriumkloraatin valmistuksessa prosessin tuotantotehokkuuden ja turvallisuuden parantamiseksi. Kromia kuitenkin poistuu prosessista muutamaa reittiä pitkin. Koska kuuudenarvoisella kromilla on syöpää aiheuttavia, mutageenisiä sekä lisääntymiselle myrkyllisiä ominaisuuksia, olisi tärkeää ymmärtää, miten kromi kulkeutuu prosessin eri osiin, ja kuinka paljon sitä poistuu prosessista. Tämä on tärkeää, jotta osataan hallita kromin käytöstä aiheutuvat riskit, sekä toisaalta myös tehostaa kromin käyttöä prosessissa. Työn tarkoituksena oli tuottaa tietoa kromin käytöstä natriumkloraattiprosessissa. Työssä tutkittiin kromitasetta prosessin keskeisimmissä yksikköoperaatioissa. Myös kromin saostumista katodien pinnalle arvioitiin määrällisesti. Eri prosessinäytteistä tutkittiin lisäksi kromin hapetusasteita. Edellä mainittuja tutkimuskohteita varten määritettiin prosessinäytteiden kromipitoisuus. Eri prosessioperaatioille suoritettiin lisäksi taselaskelmat. Työn tuloksena esitettiin kromitase sekä yksikköoperaatioille että koko prosessille. Erinäisten epätarkkuustekijöiden vuoksi tasetta ei kuitenkaan pystytty määrittämään halutulla tarkkuudella, ja siksi työssä esitettyä tasetta voidaan pitää vain suuntaa antavana laskelmana. Katodien pinnalle saostunutta kromin määrää pidettiin kuitenkin oikean suuruusluokan tuloksena. Prosessinäytteiden hapetusasteita ei voitu arvioida, sillä saadut kokonaiskromitulokset eivät olleet täysin luotettavia. Huolimatta tulosten epätarkkuudesta, työ tuotti tärkeää tietoa prosessin toiminnasta kromin suhteen. Työtä voidaan hyödyntää jatkossa monin tavoin prosessin kromitaseen seurannassa.

Medical applications of shape memory alloys

Shape memory alloys (SMA) are materials that have the ability to return to a former shape when subjected to an appropriate thermomechanical procedure. Pseudoelastic and shape memory effects are some of the behaviors presented by these alloys. The unique properties concerning these alloys have encouraged many investigators to look for applications of SMA in different fields of human knowledge. The purpose of this review article is to present a brief discussion of the thermomechanical behavior of SMA and to describe their most promising applications in the biomedical area. These include cardiovascular and orthopedic uses, and surgical instruments.

First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.

Chi-square analysis of the reduction of ATP levels in L-02 hepatocytes by hexavalent chromium

This study explored the reduction of adenosine triphosphate (ATP) levels in L-02 hepatocytes by hexavalent chromium (Cr(VI)) using chi-square analysis. Cells were treated with 2, 4, 8, 16, or 32 μM Cr(VI) for 12, 24, or 36 h. Methyl thiazolyl tetrazolium (MTT) experiments and measurements of intracellular ATP levels were performed by spectrophotometry or bioluminescence assays following Cr(VI) treatment. The chi-square test was used to determine the difference between cell survival rate and ATP levels. For the chi-square analysis, the results of the MTT or ATP experiments were transformed into a relative ratio with respect to the control (%). The relative ATP levels increased at 12 h, decreased at 24 h, and increased slightly again at 36 h following 4, 8, 16, 32 μM Cr(VI) treatment, corresponding to a "V-shaped" curve. Furthermore, the results of the chi-square analysis demonstrated a significant difference of the ATP level in the 32-μM Cr(VI) group (P < 0.05). The results suggest that the chi-square test can be applied to analyze the interference effects of Cr(VI) on ATP levels in L-02 hepatocytes. The decreased ATP levels at 24 h indicated disruption of mitochondrial energy metabolism and the slight increase of ATP levels at 36 h indicated partial recovery of mitochondrial function or activated glycolysis in L-02 hepatocytes.

Weldability of high strength aluminium alloys

The need for reduced intrinsic weight of structures and vehicles in the transportation industry has made aluminium research of interest. Aluminium has properties that are favourable for structural engineering, including good strength-to-weight ratio, corrosion resistance and machinability. It can be easily recycled saving energy used in smelting as compared to steel. Its alloys can have ultimate tensile strength of up to 750 MPa, which is comparable to steel. Aluminium alloys are generally weldable, however welding of high strength alloys like the 7xxx series pose considerable challenges. This paper presents research on the weldability of high strength aluminium alloys, principally the 7xxx series. The weldability with various weld processes including MIG, TIG, and FSW, is discussed in addition to consideration of joint types, weld defects and recommendations for minimizing or preventing weld defects. Experimental research was carried out on 7025-T6 and AW-7020 alloys. Samples were welded, and weld cross sections utilized in weld metallurgy studies. Mechanical tests were carried out including hardness tests and tensile tests. In addition, testing was done for the presence of Al2O3 on exposed aluminium alloy. It was observed that at constant weld heat input using a pulsed MIG system, the welding speed had little or no effect on the weld hardness. However, the grain size increased as the filler wire feed rate, welding current and welding speed increased. High heat input resulted in lower hardness of the weld profile. Weld preheating was detrimental to AW- 7020 welds; however, artificial aging was beneficial. Acceptable welds were attained with pulsed MIG without the removal of the Al2O3 layer prior to welding. The Al2O3 oxide layer was found to have different compositions in different aluminium alloys. These findings contribute useful additional information to the knowledge base of aluminium welding. The application of the findings of this study in welding will help reduce weld cost and improve high strength aluminium structure productivity by removing the need for pre-weld cleaning. Better understanding of aluminium weld metallurgy equips weld engineers with information for better aluminium weld design.

Set-up and evaluation of a mid-infrared reflectometer and investigation of the optical properties of doped tin telluride

A system comprised of a Bomem interferometer and a LT3-110 Heli-Tran cryostat was set up to measure the reflectance of materials in the mid-infrared spectral region. Several tests were conducted to ensure the consistency and reliability of the system. Silicon and Chromium, two materials with well known optical properties were measured to test the accuracy of the system, and the results were found to be in good agreement with the literature. Reflectance measurements on pure SnTe and several Pb and Mn-doped alloys were carried out. These materials were chosen because they exhibit a strong plasma edge in the mid infrared region. The optical conductivity and several related optical parameters were calculated from the measured reflectance. Very low temperature measurements were carried out in the far-infrared on Sn9SMn2Te, and the results are indicative of a spin glass phase at 0.8 K. Resistivity measurements were made at room temperature. The resistivity values were found, as expected, to decrease with increasing carrier concentration and to increase with increasing manganese concentration.

Pressure dependence of superconductivity in amorphous Ni x Zr 100-x alloys

Pressure variations of the superconducting transition temperature Ic of a series of amorphous NixZr 1 OO-x alloys have been studied under quasmydrostatic pressures upto 8 G Pa. For amorphous samples having Ni-concentration less than 40%, i)Tc/dP is positive in sign and it decreases non linearly with increase in I. whereasdTcldP is negative in sign for Ni concentration of 45%. Comparison with the Hall coefficient (I) and the thermoelectric power (2) results for the same amorphous alloys leads to the conclusion that s-d hybridization nature of the d-band (Nil plays a central role in the sign reversal behaviour. Application of pressures greater than 2 G Pa to Ni20ZrgO led to the formation of a new phase, w-Zr. which retains its form after the pressure is released.

Iron, steel and other alloys

UANL

Lung cancer risk associated with occupational exposure to nickel, chromium VI, and cadmium in two population-based case-control studies in Montreal.

Cancer du poumon associé à l’exposition au nickel, au chrome VI et au cadmium dans le milieu de travail utilisant deux études populationnelles cas-témoins à Montréal. Au début des années 1990, le nickel, le chrome VI et le cadmium ont été classés en tant qu’agents cancérigènes de classe 1 par le CIRC (Centre International de Recherche sur le Cancer). Cependant, les résultats des études ayant permis la classification de ces métaux n’ont pas toujours été reproduits, et d’importantes questions demeurent quant aux effets de ces métaux à de faibles niveaux d’exposition. Un plus grand nombre de recherches empiriques est donc nécessaire afin de réaffirmer la cancérogénicité de ces agents, et d’identifier les circonstances dans lesquelles ils peuvent être néfastes. L'objectif de cette étude était d'explorer la relation entre l’exposition à un des métaux (soit le nickel, le chrome VI, ou le cadmium) et les risques subséquents de développer un cancer du poumon chez des travailleurs provenant de différents milieux de travail qui sont exposés à ces métaux à de différents degrés. Deux études cas-témoins de base populationnelle menées à Montréal ont fourni les données nécessaires pour examiner la cancérogénicité de ces métaux. La première étude était menée entre 1979 et 1986 chez des hommes âgés de 35 à 70 ans ayant un cancer dans l’un de 19 sites anatomiques de cancer sélectionnés. La seconde étude était menée entre 1996 et 2001 chez des hommes et des femmes âgés de 35 à 75 ans, avec un diagnostic de tumeur maligne au poumon. Dans ces deux études, les cas ont été recensés dans tous les hôpitaux de l'île de Montréal, tandis que les contrôles populationnels appariés par âge et stratifiés par sexe, ont été sélectionnés des listes électorales. Une entrevue avec chaque sujet a permis d'obtenir un historique d'emploi détaillé ainsi que des informations précises sur les facteurs de risques socio-économiques et personnels. Les descriptions de poste ont été évaluées par une équipe d'experts chimistes et hygiénistes afin de déterminer si le sujet a été exposé à chaque agent, et pour mesurer à la fois la concentration et la durée de chaque exposition, ainsi que l’exposition cumulative tout au long de la vie de chaque participant. Pour déterminer si une exposition à l’un des trois métaux en cause était associée à une augmentation de l'incidence du cancer du poumon, des données ont été analysées par régression logistique : des ajustements ont été effectués pour des facteurs de confusion pertinents incluant un historique détaillé du tabagisme. Des mesures catégoriques d'exposition cumulée ont été également analysées, ainsi que la modification des effets par le tabagisme. Les deux études ont été analysées séparément, puis par la suite combinées afin d'augmenter la puissance statistique. Les niveaux d'exposition mesurés dans cette population ne semblaient pas poser un excès de risque de cancer du poumon pour les travailleurs exposés au chrome VI. Cependant, ceux qui ont été exposés au nickel ont subi une augmentation significative du risque, et ce, quel que soit leur niveau d'exposition. Le risque de développer un cancer du poumon suite à une exposition au cadmium était élevé, mais pas de manière significative. Pour chacun des trois métaux, le risque de cancer du poumon était très élevé parmi les non-fumeurs, mais pas parmi les fumeurs. L’effet combiné du tabagisme et de l’exposition aux métaux était compatible avec un excès de risque additif. Cependant, les intervalles de confiance dans cette étude tendaient à être larges, et une faiblesse de puissance statistique peut limiter l’interprétation de certains résultats. Cette étude est unique dans la mesure où elle a fourni des preuves empiriques sur les risques de développer le cancer du poumon liés aux faibles niveaux d’exposition au nickel, au chrome VI, ou au cadmium provenant de divers contextes de travail. Dans la plupart des autres études, la majorité des expositions pertinentes n’ont pas été bien contrôlées. À l'inverse, cette étude a bénéficié de la collecte et de la disponibilité d'information détaillée concernant le tabagisme et d’autres facteurs de risque. Les résultats de cette étude ont d'importantes conséquences pour la santé publique, tant au niveau de la détermination des risques pour les travailleurs actuellement exposés à ces métaux, qu'au niveau de l’évaluation des risques pour la population en général, elle-même exposée à ces métaux par le biais de la pollution et de la fumée de cigarette. Cette analyse contribuera fort probablement à une réévaluation par le CIRC de la cancérogénicité de ces métaux. L'exploration de la relation entre les risques de cancer du poumon et l'exposition au nickel, au chrome VI et au cadmium est donc opportune et pertinente.

Complexes pinceurs de cobalt et de nickel : synthèse, caratérisation, réactivité

Plusieurs nouveaux complexes pinceurs de cobalt et de nickel ont été préparés avec le ligand pinceur de type POCOP : 2,6-(i-Pr2PO)2C6H4. Dans le cas du cobalt, une nouvelle voie de synthèse a été développée. Contrairement au cas du nickel, il s’agit ici de cobalt au degré d’oxydation +III. Les composés obtenus sont paramagnétiques. En outre, le dérivé bromé est instable à la lumière et se décompose en perdant un brome pour former le complexe pinceur de Co(II). La réactivité de ces complexes a été étudiée. Pour ce qui est du nickel, la catalyse de l’hydroamination a été élargie aux dérivés de l’acrylonitrile et aux amines aromatiques. En outre, la réaction d’hydroaryloxylation a été étudiée dans les mêmes conditions. Enfin, avec le 4-cyanostyrène et le cinnamonitrile, la formation d’amidines a été observée. Un complexe pinceur portant cette amidine a été isolé. Enfin, le cation réagit avec des anions fortement coordonnants tels le cyanure ou l’isocyanate. En outre, l’anion triflate peut être déplacé par l’eau, l’acrylonitrile et ses dérivés. Enfin, une réactivité particulière a été observée avec la morpholine, l’acétone et un mélange 1:1 aniline/triéthylamine.

The Technology of Copper Alloys, Particularly Leaded Bronze, in Greece, its Colonies, and in Etruria during the Iron Age

L’objet de la présente étude est le développement, l’application et la diffusion de la technologie associée à divers types d’alliages de cuivre, en particulier l’alliage du plomb-bronze, en Grèce ancienne, dans ses colonies, ainsi qu’en Étrurie. Le plomb-bronze est un mélange de diverses proportions d’étain, de cuivre et de plomb. Le consensus général chez les archéométallurgistes est que le plomb-bronze n’était pas communément utilisé en Grèce avant la période hellénistique; par conséquent, cet alliage a reçu très peu d’attention dans les documents d’archéologie. Cependant, les analyses métallographiques ont prouvé que les objets composés de plomb ajouté au bronze ont connu une distribution étendue. Ces analyses ont aussi permis de différencier la composition des alliages utilisés dans la fabrication de divers types de bronzes, une preuve tangible que les métallurgistes faisaient la distinction entre les propriétés du bronze d’étain et celles du plomb-bronze. La connaissance de leurs différentes caractéristiques de travail permettait aux travailleurs du bronze de choisir, dans bien des cas, l’alliage approprié pour une utilisation particulière. L’influence des pratiques métallurgiques du Proche-Orient a produit des variations tant dans les formes artistiques que dans les compositions des alliages de bronze grecs durant les périodes géométrique tardive et orientalisante. L’utilisation du plomb-bronze dans des types particuliers d’objets coulés montre une tendance à la hausse à partir de la période orientalisante, culminant dans la période hellénistique tardive, lorsque le bronze à teneur élevée en plomb est devenu un alliage commun. La présente étude analyse les données métallographiques de la catégorie des objets coulés en bronze et en plomb-bronze. Elle démontre que, bien que l’utilisation du plomb-bronze n’était pas aussi commune que celle du bronze d’étain, il s’agissait néanmoins d’un mélange important d’anciennes pratiques métallurgiques. Les ères couvertes sont comprises entre les périodes géométrique et hellénistique.

Synthèse et caractérisation de complexes métalliques de ruthénium, fer et cobalt à base des ligands terpyridine et bipyridine pour l'obtention de cristaux liquides

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal