Offre de thèse
ENACT - Opérateurs neuronaux pour la modélisation des transformations de phase dans les matériaux
Date limite de candidature
20-04-2026
Date de début de contrat
01-10-2026
Directeur de thèse
ZALOŽNIK Miha
Encadrement
L'équipe encadrante est constituée d'une part de Miha Založnik et Benoît Appolaire de l'Institut Jean Lamour, spécialiste des changements de phase dans les matériaux métalliques (solidification et état solide), et d'autre part de Ludovick Gagnon de l'INRIA, mathématicien spécialiste des équations aux dérivées partielles et de la théorie du contrôle. La/le doctorant/e profitera d'un environnement scientifique interdisciplinaire : modélisation multi-physique, mathématiques, matériaux, apprentissage automatique.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 3 - SI2M : 302 - Solidificationcontexte
This PhD offer is provided by the ENACT AI Cluster and its partners. Find all ENACT PhD offers and actions on https://cluster-ia-enact.ai Institut Jean Lamour (IJL) is one of the largest materials science research centers in Europe, with around 500 researchers, PhD students and technical staff. We work in metallurgy, nanomaterials, plasma physics, surface physicochemistry. The Department of Science and Engineering of Materials and Metallurgy (SI2M) focuses on metallurgical processes ranging from liquid metal treatment over solidification to solid transformation processes; all with the objective to control the formation of the structure of the final product. We work in tight collaboration with the industry and with international academic partners on a wide spectrum of projects, integrating industrial and fundamental problems. The Solidification group studies liquid-solid phase transformations to improve metallurgical products processed by casting, welding, additive manufacturing (3D printing) etc. We cover all the characteristic scales of solidification from the atom to the industrial product. The Microstructures and Stresses group studies the formation of microstructures in metallic alloys through phase transformations in solid state and internal stresses during thermal, thermomechanical or thermochemical processing. In both groups we focus on understanding the relationships between processing, microstructure and mechanical properties to optimize alloys for high-performance products in industries such as aeronautics, automotive, and nuclear energy. Our research combines original model experiments and multiscale numerical modeling with materials characterization. A synergy of fundamental and oriented research is developed in close collaboration with industrial and academic partners. Find more information on the research groups on: https://ijl.univ-lorraine.fr/en/research-groups/solidification-group https://ijl.univ-lorraine.fr/en/research-groups/microstructures-and-stresses-group Specializing in a wide range of pure and applied mathematical disciplines, the Institut Élie Cartan de Lorraine (IECL) is one of France's largest mathematics laboratories, and the largest in the Grand Est region. It has hosted world-renowned mathematicians such as Jean Leray, Jean Dieudonné, Laurent Schwartz (Fields Medal 1950), Jean-Pierre Serre (Fields Medal 1954), Alexander Grothendieck (Fields Medal 1966) and Jacques-Louis Lions. The Partial differential equations (PDE) team is one of the four research groups of the IECL. It gathers around 30 permanent researchers in different aspects of the PDEs, from theoretical research to numerical analysis and scientific computing. Recent developments in scientific computing at IECL has led to numerous industrial collaborations. Find more information on the PDE research group at : https://iecl.univ-lorraine.fr/partial-differential-equations/spécialité
Sciences des Matériauxlaboratoire
IJL - INSTITUT JEAN LAMOURMots clés
Transformations de phase, Modelès champ de phase, Équations aux dérivées partielles, Réseaux de neurones, Opérateurs neuronaux
Détail de l'offre
CONTEXTE SCIENTIFIQUE
Les transformations de phase jouent un rôle crucial dans la fabrication des matériaux métalliques, car elles déterminent la microstructure — et donc les propriétés — du matériau. Lors de la fabrication additive (impression 3D), le métal en fusion se solidifie en une structure cristalline, puis des transformations de phase ultérieures se produisent à l'état solide, donnant lieu à des microstructures complexes (dendrites, précipités) dont la morphologie et la disposition spatiale conditionnent directement les propriétés d'usage de la pièce.
Suivre expérimentalement ces transformations reste un défi majeur. Les approches actuelles se répartissent en deux catégories. La plus courante repose sur des signaux macroscopiques sensibles à la microstructure : variations de volume (dilatométrie), résistivité électrique, puissance thermoélectrique, ou encore diffraction des rayons X conventionnelle ou synchrotronique analysée sur l'ensemble de l'échantillon. L'approche la plus sophistiquée consiste en une imagerie in situ par microscopie électronique ou à rayons X, qui fournit des informations spatialement résolues sur la microstructure en évolution, mais est techniquement exigeante et difficile à déployer à grande échelle. Une voie intermédiaire et hautement souhaitable consisterait à mesurer des signaux locaux en surface d'un échantillon, à partir desquels la microstructure complète pourrait être reconstruite. Avant toute mise en œuvre expérimentale, la faisabilité théorique d'une telle approche doit être établie à l'aide d'un modèle capable de reproduire la complexité des microstructures réelles.
Les modèles de champ de phase décrivent ces transformations par des EDP de réaction-diffusion non linéaires, couplées à des champs externes (température, composition chimique, contraintes, écoulement de liquide, etc.). Résolus par des méthodes classiques (différences finies, éléments finis, spectral de Fourier) ou par réseaux de neurones, ces modèles exigent des discrétisations spatio-temporelles fines en raison de leur nature multi-échelle, engendrant des temps de calcul prohibitifs pour des études paramétriques ou un passage à l'échelle du procédé.
OBJECTIFS DE LA THÈSE
Cette thèse vise à implémenter des « observateurs » — outil issu de la théorie du contrôle — pour les modèles de champ de phase. Un observateur intègre des mesures expérimentales partielles dans le modèle afin de reconstruire le champ de transformation complet. Leur efficacité est établie pour les EDP linéaires et des résultats existent pour les EDP non linéaires, mais leur application aux modèles de champ de phase reste inédite.
La conception de l'observateur s'appuiera sur la méthode du backstepping, qui consiste à trouver une application inversible entre l'erreur de l'observateur et un système cible sous des hypothèses appropriées. Ce cadre, récemment établi pour les EDP linéaires et partiellement étendu aux EDP non linéaires, y reste sous-optimal car trop dépendant de la dynamique de la partie linéaire sous-jacente. L'objectif est de s'affranchir de cette dépendance en apprenant directement la transformation de backstepping non linéaire à l'aide de réseaux de neurones inversibles (INN). Plutôt que de linéariser le problème, les INN approximent l'application inversible entre deux EDP non linéaires, tirant parti de leur capacité naturelle à traiter non-linéarités et EDP paramétriques, en s'appuyant sur le code de simulation existant.
Une fois cette application obtenue, l'observateur permettra d'exploiter directement des mesures expérimentales de surface pour reconstruire l'état microstructural complet, sans recourir à de multiples simulations.
Keywords
Phase transformations, Phase-field models, Partial differential equations, Neural networks, Neural operators
Subject details
SCIENTIFIC BACKGROUND Phase transformations play a crucial role in the elaboration of metallic materials, as they determine the microstructure — and therefore the properties — of the material. They occur, for example, during additive manufacturing (3D printing) of a metal part: the molten metal first solidifies into a crystalline structure, after which further solid-state phase transformations occur, giving rise to complex microstructures (dendrites, precipitates) whose morphology and spatial arrangement directly govern the part's in-service properties and their evolution under service conditions. Monitoring these transformations experimentally is of critical importance, yet remains a major challenge. Current approaches fall into two categories. The most common relies on macroscopic signals sensitive to the microstructure: volume changes (dilatometry), electrical resistivity, thermoelectric power, or X-ray diffraction (conventional or synchrotron) analysed over the whole sample. The most sophisticated approach uses direct in situ imaging by electron or X-ray microscopy, providing spatially resolved information on the evolving microstructure, but is technically demanding and difficult to implement at scale. A highly desirable intermediate approach would consist in measuring local signals at the sample surface from which the full microstructure could be reconstructed. Before such a technique can be experimentally implemented, its theoretical feasibility must first be established using a model capable of reproducing the complexity of real microstructures — the phase-field model being the best candidate, as it can readily be coupled to the physical fields relevant to such measurements. Phase-field models describe these transformations through nonlinear reaction-diffusion PDEs coupled to external fields (temperature, chemical composition, stresses, liquid flow, etc.). Today, such PDEs are generally solved numerically with classical discretization methods (finite difference, finite element, Fourier spectral, etc.), and more recently with neural network-based techniques. The multi-scale and nonlinear nature of these models, however, requires fine spatio-temporal discretizations, leading to computation times prohibitive for scaling up to the process level or conducting extensive parametric studies. OBJECTIVES OF THE THESIS This thesis aims to implement 'observers' — a tool from control theory — for phase-field models. An observer incorporates partial experimental measurements into the model in order to reconstruct the complete phase transformation field. Their effectiveness is well established for linear PDEs and some results exist for nonlinear PDEs, but their application to phase-field models of the type under consideration remains unexplored. Observer design will be investigated through the backstepping method, which seeks an invertible mapping between the observer error and a target system under appropriate hypotheses — a framework recently established for linear PDEs and partially extended to nonlinear PDEs. The practical implementation for nonlinear PDEs, however, remains suboptimal as it relies heavily on the underlying linear dynamics. The goal is to overcome this limitation by learning the nonlinear backstepping transformation directly using Invertible Neural Networks (INN). Rather than linearising the problem, INNs approximate the invertible mapping between two nonlinear PDEs, leveraging their natural ability to handle nonlinearities and parametric PDEs, using the existing simulation code. Once this mapping is obtained, the observer will enable direct use of experimental surface measurements to reconstruct the full microstructural state, without resorting to numerous simulations to identify the corresponding phase transformation.
Profil du candidat
Le financement est ouvert aux excellents étudiants en physique, mathématiques appliquées, génie mécanique/chimique/des procédés ou d'autres disciplines. Nous recherchons des candidats ayant :
• Un diplôme de master dans une discipline pertinente.
• Une solide formation en méthodes numériques et en apprentissage automatique.
• De bonnes compétences en programmation informatique.
• Une maîtrise de la rédaction de rapports techniques et de la présentation.
• Une excellente capacité de travail en équipe, un sens de l'initiative et une aptitude à évoluer dans un environnement pluridisciplinaire.
• Une maîtrise de l'anglais ; des connaissances en français sont un avantage.
Candidate profile
The funding is open to excellent students from physics, applied mathematics, mechanical/chemical/process engineering or other disciplines. We are looking for candidates with:
• Master's degree in a relevant discipline.
• Solid background in numerical methods and machine learning.
• Good computer programming skills.
• Proficiency in technical report writing and presentation.
• Excellent capacity for teamwork, sense of initiative, and ability to work in a multidisciplinary environment.
• Fluent in English, some knowledge of French is beneficial.
Référence biblio
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