Offre de thèse
Etude du maclage aux échelles fines par simulation atomistique
Date limite de candidature
22-05-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
RAULOT Jean-marc
Encadrement
La direction de thèse est partagé à 50% entre le directeur et le co-directeur.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT)contexte
L'hypothèse centrale sous-jacente au travail proposé est que la cristallographie, les mécanismes de mouvement des joints associés au maclage et à la transformation de phase déterminent, dans une large mesure, le comportement et les propriétés mécaniques des matériaux. L'objectif à long terme de cette recherche est d'élaborer des modèles mécaniques macroscopiques basés sur les mécanismes de maclage 3D avec/sans solutés à l'échelle atomique, de fournir une base théorique pour concevoir des alliages de Ti ou de Zr et de développer des outils de modélisation multi-échelles (de l'atome à la tôle) pour prédire le maclage.spécialité
Mécanique des Matériauxlaboratoire
LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
Mots clés
macle , métaux hexagonaux, plasticité, microscopie électronique, dynamique moléculaire , théorie de la fonctionnelle de la densité
Détail de l'offre
Le sujet de thèse a pour objectif une meilleure compréhension de la déformation plastique et plus précisément de l'activation du maclage dans le titane et le zirconium, deux métaux de structure atomique hexagonale. En effet, le maclage consiste en un cisaillement homogène d'une région d'un cristal parallèlement à un plan atomique (plan de macle) et selon une direction contenue dans ce plan (direction de maclage). Ainsi, une coupe perpendiculaire au plan de maclage du cristal déformé montre que la disposition des atomes dans la zone maclée est devenue symétrique par rapport à la matrice initiale non maclée. Le maclage est un mode de déformation important aux effets paradoxaux selon la structure cristalline du matériau: responsable de la faible résistance et de la faible déformabilité des métaux cubiques mais améliorant la déformabilité et la limite d'élasticité dans les métaux hexagonaux. L'enjeu est d'améliorer la déformabilité du Titane ou du Zirconium à terme. Car en effet, nous manquons cruellement de données métallurgiques pour prédire correctement les propriétés mécaniques (élastiques et plastiques) de ces matériaux et en établir des lois de comportement basées sur les mécanismes physiques de la déformation à l'échelle macroscopique. Beaucoup de travaux se sont concentrés sur le contrôle du maclage avec ou sans présence de solutés ou l'optimisation des procédés d'élaboration des métaux hexagonaux. Cependant ces travaux ont été développés selon la caractéristique bidimensionnelle des macles résultant des observations bidimensionnelles expérimentales (généralement par microscopie électronique). La nature tridimensionnelle des macles, en particulier les structures atomiques et les mécanismes de mouvement de l'interface (facette) latérale à la direction de cisaillement de maclage, n'a jamais été caractérisée au niveau atomique. Le but de ce sujet de thèse est de comprendre le maclage tridimensionnel à l'échelle nanométrique. Pour ce faire, il faut caractériser la structure des joints de macle, étudier la ségrégation des solutés aux joints de macle et explorer les mécanismes et la mécanique de propagation 3D des joints de macle avec/sans ségrégation des solutés à l'échelle atomique.
Keywords
twin, hexagonal metals, plasticity, electronic microscopy , molecular dynamics , Density Functional Theory
Subject details
The aim of this thesis is to get a better understanding of plastic deformation and, more specifically, the activation of twinning in titanium and zirconium, two metals with a hexagonal atomic structure. In fact, twinning consists of homogeneous shearing of a region of a crystal parallel to an atomic plane (twinning plane) and along a direction contained in this plane (twinning direction). A cross-section of the deformed crystal perpendicular to the twinning plane shows that the arrangement of atoms in the maculated zone has become symmetrical with respect to the initial unmacelled matrix. Twinning is an important deformation mode with paradoxical effects depending on the crystalline structure of the material: it is responsible for the low strength and low deformability of cubic metals, but improves deformability and yield strength in hexagonal metals. The challenge is to improve the deformability of titanium and zirconium over time. In fact, we are sorely lacking in metallurgical data to correctly predict the mechanical properties (elastic and plastic) of these materials and to establish behaviour laws based on the physical mechanisms of deformation at the macroscopic scale. Much work has focused on the control of twinning with or without the presence of solutes or on the optimisation of hexagonal metal production processes. However, this work has been developed according to the two-dimensional characteristics of the twins resulting from experimental two-dimensional observations (generally by electron microscopy). The three-dimensional nature of twins, in particular the atomic structures and mechanisms of movement of the interface (facet) lateral to the twinning shear direction, has never been characterised at the atomic level. The aim of this thesis is to understand three-dimensional maculation at the nanometric scale. This involves characterising the structure of the twinning joints, studying solute segregation at the twinning joints and exploring the mechanisms and mechanics of 3D macle joint propagation with/without solute segregation at the atomic scale.
Profil du candidat
Le candidat devra être titulaire d'un diplôme de Master (ou d'un autre diplôme de niveau équivalent) soit en physique ou physico-chimie de la matière condensée, soit en chimie théorique et modélisation des solides, soit en sciences et génie des matériaux idéalement avec une spécialisation en Mécanique et Microstructure des Matériaux, soit en mécanique des matériaux idéalement avec des connaissances aux échelles nanométriques des solides. Il effectuera des travaux de recherche, développera des outils expérimentaux et numériques et rédigera des articles scientifiques. Il doit avoir de :
• Solides connaissances et compétences en modélisation et/ou simulation des solides cristallins aux échelles atomiques (méthodes ab initio ou de dynamique moléculaire) sont essentielles. Des connaissances en modélisation aux échelles mésoscopiques par Dynamique des Dislocations Discrètes (DDD) pouvant aller jusqu'à l'échelle macroscopique par Elément Finis (EF) seraient un plus.
• Solides connaissances en caractérisation de matériaux métalliques couplées à des compétences en matière d'essais expérimentaux en particulier en caractérisation du comportement mécanique seront très appréciées.
• Connaissances en informatique (dont l'environnement LINUX) et compétences avancées en programmation (Fortran, C++, Python).
• Autonomie, dynamisme, motivation et capacité à travailler en équipe.
Votre fichier PDF doit contenir :
- un CV
- les notes de Master 1 et 2 ou un diplôme équivalent,
- une lettre de motivation signée décrivant les intérêts et les compétences du candidat en rapport avec le sujet de la thèse proposée,
- les coordonnées de deux professeurs référents, et si possible deux lettres de recommandation.
Candidate profile
The candidate should hold a Master's degree (or other equivalent level qualification) in either condensed matter physics or physical chemistry, or in theoretical chemistry and modelling of solids, or in materials science and engineering ideally with a specialisation in Mechanics and Microstructure of Materials, or in mechanics of materials ideally with knowledge of nanometric scales of solids. He/she will carry out research work, develop experimental and numerical tools and write scientific articles. You must have :
- Solid knowledge and skills in modelling and/or simulating crystalline solids at atomic scales (ab initio or molecular dynamics methods) are essential. Knowledge of modelling at mesoscopic scales using Discrete Dislocation Dynamics (DDD) up to macroscopic scale using Finite Elements (FE) would be a plus.
- A sound knowledge of the characterisation of metallic materials coupled with skills in experimental testing, in particular the characterisation of mechanical behaviour, would be highly desirable.
- Computer skills (including LINUX environment) and advanced programming skills (Fortran, C++, Python).
- Autonomous, dynamic, motivated and able to work as part of a team.
Your PDF file must contain :
- a CV
- marks from Master 1 and 2 or equivalent diploma,
- a signed letter of motivation describing the candidate's interests and skills in relation to the subject of the proposed thesis,
- the contact details of two referee professors, and if possible two letters of recommendation.
Référence biblio
[1] Christian J.W. and Mahajan S., Deformation twinning. Progress in materials science, 1995. 39(1): p.1-157. https://doi.org/10.1016/0079-6425(94)00007-7
[2] Wang S. et al., Three-dimensional atomic scale characterization of {112-2} twin boundaries in titanium, Acta Materialia, 208, 2021, 116707, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.11670.
[3] Liu X., et al, Slip transmutation between basal 〈a〉 dislocation and {1121} twinning across {1124} twin boundary in titanium, Scripta Materialia, 221, 2022, 114957, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114957.
[4] Mingyu Gong et al., Atomistic simulations of interaction between basal <a> dislocations and three-dimensional twins in magnesium, Acta Materialia, 155, 2018, p. 187-198, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.066.
[5] Wang, J. et al., Reactions of lattice dislocations with grain boundaries in Mg: implications on the micro scale from atomic-scale calculations. International Journal of Plasticity, 2014. 56, p. 156-172 https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2013.11.009
[6] Serra, A. and Bacon, D.J., A new model for {10-12} twin growth in hcp metals. Philosophical Magazine A, 1996. 73(2): p.333-343. https://doi.org/10.1080/01418619608244386