Thèse Métallurgie de l'Extrême H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM Direction de la thèse : Agnès DEWAELE ORCID 0000000241944476 Début de la thèse : 2026-05-26 Date limite de candidature : 2026-07-01T23:59:59 L'étude des relations microstructure-propriétés est un domaine considérable de la métallurgie et plus généralement de l'ingénierie des matériaux. C'est par exemple leur microstructure martensitique, due à un changement de phase dans le fer, qui est responsable de la dureté des aciers trempés. Ici, nous abordons une métallurgie de l'extrême, en soumettant des échantillons métalliques à des pressions dans le domaine
des 100 GPa (=1 millions d'atmosphères), ce qui permet de synthétiser des phases cristallines nouvelles et présentant potentiellement des propriétés intéressantes (dureté, magnétisme, etc.). Nos systèmes d'étude seront l'étain, puis l'indium et le cobalt, qui présentent tous trois un polymorphisme riche sous haute pression et température. Nous chercherons à élucider le rôle des défauts comme les macles et de la plasticité sur le mécanisme et la cinétique de ces transitions.
Ceci sera fait en comparant les observations expérimentales aux prédictions de microstructures par simulation mésoscopique. Les outils de génération de haute pression/température utilisés seront notamment la cellule à enclumes de diamants chauffée par laser, et les outils de caractérisation l'imagerie X in situ par diffraction et la tomographie, ainsi que la microscopie électronique. Les sources de rayons X utilisées seront des sources synchrotron [1,2] ainsi que le laser X à électrons libres européen.

L'étain transite vers une phase tétragonale centrée vers 10 GPa [3], et nous proposons d'élucider le mécanisme mésoscopique (son caractère martensitique, le rôle du maclage) de cette transition via les microstructures formées sous différentes conditions. Ces microstructures seront caractérisées in situ par diffraction de rayons X et post mortem par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) dans un microscope électronique. Les données collectées seront analysées grâce à des outils que nous avons développés pour
ces applications. Nous disposons déjà de données collectées lors d'une précédente thèse pour cette transition, ce qui permettra à l'étudiant de se former sur les outils d'analyse puis de collecter ses propres données en travaillant sur des échantillons à microstructure complètement contrôlée.
Les conclusions de cette première étude quant à l'interaction transition de phase - maclage pourront nourrir en suivant le travail sur l'indium, qui présente lui aussi une forte propension au maclage. Une étude [4] rapporte une transition de la phase tétragonale centrée connue à l'ambiante vers une phase orthorhombique centrée aux alentours de 45 GPa. En raison du caractère fortement directionnel de cette transition, une réorientation des cristaux par maclage est possible au moment de la transition. Nous chercherons à déterminer si elle a lieu, et selon quelles conditions.
Dans un troisième temps, nous nous intéresserons à la transition archétypale hexagonal compact-cubique face centrées subie par le cobalt à haute pression et haute température. Elle peut être induite à la fois par une augmentation de pression et de température. Le mécanisme de transition entre ces deux structures compactes met en jeu des fautes d'empilement dont la formation dépend de paramètres thermodynamiques et cinétiques que nous éluciderons.

[1] R. Fréville et al., Phys. Rev. B 107, 104105, 2023
[2] L. Henry et al. Martensitic-like microstructure across the isostructural phase transitions in cerium, Acta Mat. 271, 119863, 2024
[3] R. Fréville et al. High-pressure - high-temperature phase diagram of tin, Phys. Rev. B 109, 104116, 2024
[4] K. Takemura et H. Fujihisa, High-pressure structural phase transition in indium, Phys.Rev. B 47, 8465-8470, 1993
Ici, nous abordons une métallurgie de l'extrême, en soumettant des échantillons métalliques à des pressions dans le domaine
des 100 GPa (=1 millions d'atmosphères), ce qui permet de synthétiser des phases cristallines nouvelles et présentant potentiellement des propriétés intéressantes (dureté, magnétisme, etc.). Nos systèmes d'étude seront l'étain, puis l'indium et le cobalt, qui présentent tous trois un polymorphisme riche sous haute pression et température. Nous chercherons à élucider le rôle des défauts comme les macles et de la plasticité sur le mécanisme et la cinétique de ces transitions. Caractériser et comprendre les mécanismes de transition de phase, avec pour objectif d'établir des lois cinétiques physiques adaptées Méthode expérimental avec la diffraction de rayons X ; cellule à enclumes de diamants