Deformation mechanisms of nanostructured thermoelectric alloys

by Matthieu Aumand

Doctoral thesis in Milieux denses, Matériaux et Composants

Under the supervision of Ludovic Thilly and Ken W. White.


  • Abstract

    Increasing the figure of merit ZT of thermoelectric (TE) alloys is a challenge that is currently attempted through various metallurgy methods, including nanostructuring and dislocation engineering. Microstructures with such level of complexity raises questions about the mechanical reliability of these new materials. Indeed, despite the values of hardness and elastic modulus known for the clear majority of TE materials, the data on deformation mechanisms are still rare. Focusing on the nanostructured p-type half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2, our multi-scale study aims to analyze the deformation mechanisms. Experiments conducted at macro-, meso- and micro-scale are designed to trigger and assess plasticity mechanisms. Compression testing on bulk samples subject to a confining pressure environment and temperature leads to an exclusive brittle failure. The mixed-mode failure mechanisms involve switching between intra- and inter-granular crack propagation, depending on the grain size met by the crack tip. Indentation toughness at meso-scale generates cracks, while TEM analysis of the crack tip area confirms no dislocation activity and 3D-EBSD technique confirms the mixed crack propagation behavior. At micro-scale, micro-pillar compression stress-strain curves and failure mechanisms are comparable with bulk samples testing analysis. These results can be used to provide design guidelines for more crack-resistant TE alloys.

  • Alternative Title

    Mécanismes de déformations de matériaux thermoélectriques nanostructurés


  • Abstract

    L’amélioration de la figure de mérite ZT des matériaux thermoélectriques (TE) est actuellement entreprise via des procédés de métallurgie, tels que la nanostructuration et l’introduction contrôlée de dislocations. De tels niveaux de complexité de microstructure soulèvent la problématique du comportement mécanique associé. En effet, malgré les valeurs de dureté et module d’élasticité connues pour la plupart des matériaux TE, rares sont les données sur les mécanismes de déformation. Portant sur le Half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2 de type p, notre étude multi-échelle propose de caractériser les mécanismes de déformation de cet alliage. Les expérimentations menées aux échelles macroscopique, mésoscopique, et microscopique sont pensées pour déclencher puis examiner les mécanismes de plasticité. Les tests en compression sur échantillons massifs dans un environnement de pression de confinement et température ont aboutis à une rupture exclusivement fragile. Les mécanismes de rupture sont identifiés comme associés une propagation de fissure intra- et inter granulaire, dépendant de la taille de grain rencontrée par le front de fissure. La méthode « indentation toughness » à l’échelle mésoscopique permet l’insertion de fissures, où les analyses MET en front de fissure confirment une abscence d’activité de dislocations, également confirmé par 3D-EBSD. À l’échelle microscopique, les données de compression de micro-pilliers ainsi que les observations de faciès de fracture sont comparable avec les échantillons massifs. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour produire des matériaux TE plus résistants à la fissuration.


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