Thèse Compréhension Quantitative et Modélisation des Mécanismes d'Héritage de Dislocation Durant les Transformation de Phase H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Mines Paris-PSL École doctorale : ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique Laboratoire de recherche : Centre des Matériaux Direction de la thèse : Kais AMMAR Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 Les transformations de phase influencent fortement les propriétés mécaniques des matériaux métalliques. Selon la nature de la transformation et les relations cristallographiques entre phases, les dislocations présentes dans la phase mère peuvent interagir de différentes manières avec les interfaces de transformation. Dans certains cas, des observations expérimentales suggèrent qu'une partie de ces défauts pourrait être transmise à la phase fille, conduisant à un héritage partiel de la microstructure de dislocations. Ce phénomène est susceptible d'affecter l'écrouissage, les contraintes internes et les mécanismes de diffusion, mais reste aujourd'hui mal compris, en particulier dans le cas des transformations diffusives.
L'objectif de cette thèse est d'étudier de manière quantitative les mécanismes d'héritage des dislocations lors des transformations dans les superalliages monocristallins base nickel. Le travail combinera des expériences de microscopie électronique en transmission in situ et post-mortem avec le développement de modèles de champ de phase afin de relier les structures de dislocations initiales à celles observées après transformation.
Les superalliages monocristallins base nickel sont utilisés pour la fabrication des aubes de turbines aéronautiques et de production d'énergie en raison de leur exceptionnelle résistance mécanique à haute température [1-4]. Leurs propriétés reposent principalement sur une microstructure constituée d'une matrice et de précipités cohérents (NiAl), qui constituent la principale phase de renforcement de ces alliages. La forte cohérence cristallographique des interfaces / et le rôle central des dislocations dans les mécanismes de déformation font de ces matériaux une métallurgie modèle particulièrement adaptée à l'étude des interactions entre plasticité et transformations de phase.

De nombreux travaux ont montré que les dislocations influencent la germination et la croissance des nouvelles phases lors des transformations de phase [5-8]. Dans les systèmes /, plusieurs observations expérimentales ont également mis en évidence la présence de structures de dislocations au sein de précipités après traitement thermique [9], suggérant que les interactions entre dislocations préexistantes et interfaces mobiles peuvent conduire à la conservation ou à la réorganisation partielle de réseaux de défauts au cours de la transformation. Toutefois, les mécanismes physiques à l'origine de ces observations restent aujourd'hui mal établis.

Par ailleurs, les mécanismes de transmission des dislocations à travers les interfaces / lors de la déformation à haute température ont récemment fait l'objet d'études détaillées [10]. Bien que ces travaux ne concernent pas directement les transformations de phase, ils montrent que les interactions entre dislocations et interfaces / sont suffisamment complexes pour rendre plausible l'existence de mécanismes analogues lors de la précipitation ou de la dissolution de la phase .

Cette question est d'autant plus importante qu'un éventuel héritage des dislocations pourrait influencer directement les propriétés de la phase nouvellement formée. Pourtant, les modèles actuels décrivant le couplage entre plasticité et transformation de phase introduisent généralement ces phénomènes de manière simplifiée ou phénoménologique [11-12], faute de données expérimentales quantitatives permettant de valider les mécanismes mis en jeu. L'identification et la compréhension de ces mécanismes constituent aujourd'hui l'un des principaux verrous scientifiques pour la description du couplage entre déformation plastique et transformations diffusives.

Cette étude vise à déterminer les mécanismes gouvernant l'héritage des dislocations lors des transformations dans les superalliages base nickel. Une attention particulière sera portée à l'influence de la densité de dislocations, de leur organisation spatiale et des caractéristiques des interfaces / sur les mécanismes de transmission, de réorganisation ou d'annihilation des défauts.

Au-delà de la seule caractérisation expérimentale du phénomène, l'objectif sera de comprendre les mécanismes physiques qui contrôlent cet héritage, notamment le rôle de la cohérence des interfaces, des dislocations d'interface et des défauts d'ordre tels que les parois d'antiphase. Les observations expérimentales seront utilisées pour identifier les mécanismes élémentaires responsables de la conservation ou de la transformation des structures de dislocations au cours de la transformation de phase.

L'objectif final de la thèse est de développer une description quantitative et physiquement fondée de l'héritage des dislocations, permettant d'établir un lien entre l'état de déformation initial du matériau et la microstructure obtenue après transformation, puis d'intégrer ces mécanismes dans des modèles de champ de phase prédictifs.
La méthodologie reposera sur une combinaison d'approches expérimentales et numériques articulées autour de trois axes principaux.
Dans un premier temps, des superalliages monocristallins base nickel seront sélectionnés afin d'identifier des systèmes susceptibles de présenter des comportements contrastés vis-à-vis de l'héritage des dislocations. Cette étape s'appuiera sur des calculs thermodynamiques de type CALPHAD, des simulations de transformation de phase ainsi que sur des expériences exploratoires permettant de définir les compositions et traitements thermiques les plus adaptés à l'étude.

Dans un second temps, les mécanismes d'héritage seront étudiés expérimentalement par microscopie électronique en transmission (MET). Des états de déformation contrôlés seront introduits par des essais mécaniques (traction, fluage ou fatigue) avant transformation. Des traitements thermiques permettant la dissolution puis la re-précipitation de la phase seront ensuite réalisés. Des expériences de chauffage in situ dans le MET seront utilisées afin d'observer directement l'évolution des réseaux de dislocations au cours de la transformation. Ces observations seront complétées par des analyses post-mortem à haute résolution visant à caractériser les densités de dislocations, leurs configurations, leurs vecteurs de Burgers ainsi que leurs interactions avec les interfaces /. Des essais de déformation in situ pourront également être envisagés afin d'étudier les interactions dynamiques entre dislocations, contraintes internes et interfaces mobiles.

Enfin, les observations expérimentales serviront au développement d'un modèle de champ de phase décrivant l'héritage des dislocations lors des transformations . Ce travail s'appuiera sur un modèle existant développé au Centre des Matériaux dans le cadre de la thèse de Wajih Jbara [13], qui décrit le couplage entre transformation de phase, diffusion chimique et élasticité dans les superalliages base nickel. Ce modèle permet déjà de reproduire de nombreux phénomènes microstructuraux observés expérimentalement mais ne prend pas explicitement en compte les effets liés à la plasticité et à l'héritage des dislocations. L'objectif de la thèse sera donc d'enrichir ce cadre de modélisation en introduisant des mécanismes physiquement fondés décrivant la transmission, la réorganisation ou l'annihilation des dislocations lors de la migration des interfaces /. Les paramètres et lois constitutives développés seront directement alimentés et validés à partir des observations expérimentales réalisées au cours de la thèse.