Thèse Plasticité Intermittente des Matériaux Cristallins des Observations et Simulations d'Avalanches de Dislocations aux Modèles Continus 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 : Samuel FOREST ORCID 0000000288693942 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 La plasticité des matériaux cristallins résulte généralement du mouvement collectif des dislocations. Aux échelles microscopiques, ce mouvement n'est pas continu mais s'organise sous forme d'avalanches et de bandes de glissement localisées, phénomènes observés expérimentalement mais mal décrits par les modèles continus. Ce projet vise à établir un lien quantitatif entre observations expérimentales, simulations discrètes et plasticité cristalline continue. Des essais de traction in situ au microscope électronique en transmission (Mines Paris) seront combinés à des simulations de dynamique moléculaire et de dynamique des dislocations (ESPCI) afin d'identifier les mécanismes collectifs et les longueurs caractéristiques gouvernant l'intermittence plastique. Ces informations serviront au développement de modèles éléments finis de plasticité cristalline à gradients fondés sur les densités de dislocations (tenseur de Nye). Les résultats attendus ouvriront la voie à une nouvelle génération de modèles continus à base physique pour la simulation des matériaux cristallins aux échelles microscopiques La plasticité des matériaux cristallins résulte du mouvement des dislocations sous l'effet d'un chargement mécanique. À l'échelle macroscopique, cette déformation apparaît généralement continue et peut être décrite avec succès par les modèles classiques de plasticité cristalline. Cependant, de nombreuses observations expérimentales réalisées aux échelles microscopiques révèlent une réalité très différente : la déformation plastique s'y développe sous forme d'avalanches intermittentes de dislocations, conduisant à des sauts de déformation et la formation de bandes de glissement fortement localisées. Ces phénomènes collectifs ont été observés par microscopie électronique in situ [1 ,2 ,3], essais sur micropiliers [4], extensométrie haute résolution et émission acoustique [5], mais leur origine physique et leur impact sur le comportement mécanique restent imparfaitement compris.Les simulations de dynamique moléculaire et de dynamique des dislocations reproduisent naturellement ces phénomènes intermittents et permettent d'en analyser les mécanismes élémentaires [6, 7]. Elles montrent que les avalanches résultent du comportement collectif de dislocations en interaction. Cependant, ces approches restent limitées à des volumes et des temps d'observation réduits et ne peuvent être utilisées directement pour la simulation de microstructures réalistes ou de composants d'ingénierie.À l'inverse, les modèles continus de plasticité cristalline permettent de traiter des microstructures et des géométries complexes mais peinent encore à reproduire quantitativement les phénomènes intermittents observés expérimentalement. Certaines approches introduisent explicitement des distributions statistiques ou des fluctuations stochastiques afin de reproduire la variabilité observée [8], tandis que les approches faisant émerger spontanément les avalanches ne reproduisent pas encore correctement certaines caractéristiques expérimentales telles que leurs amplitudes ou leurs longueurs caractéristiques [9]. Par ailleurs, même lorsque des bandes de localisation sont obtenues, leur nature et leur taille restent difficiles à relier quantitativement aux mécanismes physiques de dislocations sous-jacents [10]. Plusieurs questions fondamentales demeurent aujourd'hui ouvertes : quels mécanismes collectifs gouvernent la formation et la propagation des avalanches de dislocations ? Quelles sont les longueurs caractéristiques qui contrôlent la localisation de la déformation ? Comment relier quantitativement les observations expérimentales aux simulations discrètes puis aux modèles continus utilisés à l'échelle des composants ? Enfin, comment introduire dans les modèles de plasticité cristalline des variables internes capables de rendre compte de l'organisation collective des dislocations et des phénomènes intermittents qui en résultent ? Ces interrogations s'inscrivent dans une problématique plus générale : comprendre comment les interactions collectives entre dislocations conduisent à l'émergence de structures mésoscopiques telles que les bandes de glissement ou les avalanches plastiques, puis traduire ces mécanismes dans des lois continues utilisables à plus grande échelle [11, 12, 13].Dans cette continuité, le projet ANR MESOCRYSP (ANR-21-CE08-0030) a montré qu'une quantification minimale du glissement plastique permet de reproduire spontanément des avalanches de déformation et des bandes de localisation dans un cadre éléments finis [9]. L'objectif de cette thèse est désormais de relier quantitativement ces résultats aux observations expérimentales et aux simulations discrètes afin d'identifier les mécanismes physiques sous-jacents et de développer une nouvelle génération de modèles continus de plasticité cristalline. Le projet repose sur une approche multi-échelle associant observations expérimentales, simulations discrètes et modélisation continue.Dans une première étape, des essais de traction in situ au microscope électronique en transmission seront réalisés afin d'observer directement les mécanismes de déformation plastique aux échelles microscopiques. Une attention particulière sera portée à la caractérisation des événements intermittents, de leur organisation spatiale ainsi qu'à l'identification des structures de dislocations associées. Ces observations fourniront une base expérimentale quantitative pour la suite du projet.Dans une deuxième étape, les mécanismes observés seront analysés à l'aide de simulations de dynamique moléculaire et de dynamique des dislocations discrètes. Ces simulations permettront d'accéder aux mécanismes et aux grandeurs locales difficilement accessibles expérimentalement. L'objectif sera d'identifier les mécanismes contrôlant l'apparition des avalanches plastiques ainsi que les longueurs caractéristiques associées aux phénomènes de localisation.Enfin, une troisième étape sera consacrée au développement d'un modèle de plasticité cristalline dans un cadre éléments finis. Dans un premier temps, les simulations discrètes seront utilisées pour l'identification d'un modèle fondé sur les densités de dislocations de signes opposés (+, ) [13] en glissement simple. Les résultats issus de la dynamique moléculaire et de la dynamique des dislocations permettront d'identifier les mécanismes physiques et les paramètres gouvernant l'évolution de ces densités. Dans un second temps, ce modèle élémentaire sera intégré dans un modèle de plasticité cristalline à gradients fondés sur les densités de dislocations et le tenseur de Nye (Curl Hp), afin de réaliser des simulations tridimensionnelle. Cette généralisation « multi-slip » phénoménologique permettra d'effectuer des simulations directement comparables aux expériences réalisées dans le cadre de la thèse et d'introduire une ou plusieurs longueurs caractéristiques associées aux phénomènes de localisation observés expérimentalement. Les informations obtenues aux échelles inférieures serviront à guider le choix des variables internes et des lois d'évolution du modèle. Sa capacité à reproduire les observations réalisées au MET ainsi que les résultats des simulations discrètes sera systématiquement évaluée.

Profil type pour une thèse à MINES Paris: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Le candidat devra être titulaire d'un diplôme Bac +5 ou équivalent en Sciences des Matériaux, Physique, Mécanique ou discipline apparentée. Il devra manifester un fort intérêt pour la recherche fondamentale ainsi que pour les approches multi-échelles associant expériences, simulations et modélisation. De bonnes connaissances en métallurgie physique, physique des dislocations ou mécanique des matériaux seront appréciées. Une première expérience en caractérisation microstructurale, en simulation numérique (dynamique moléculaire, éléments finis, calcul scientifique) ou en programmation scientifique constituera un atout. Une curiosité pour les interactions entre physique et mécanique ainsi qu'une capacité à évoluer à l'interface entre expérimentation et modélisation seront particulièrement recherchées.Pour postuler : Envoyer votre dossier à ****@****.** et ****@****.** comportant- un curriculum vitae détaillé- une copie de la carte d'identité ou passeport- une lettre de motivation/projet personnel- des relevés de notes L3, M1, M2- 2 lettres de recommandation- les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation- une attestation de niveau d'anglais

• Programmation
• Anglais
• Créativité
• Éléments finis
• Français
• Esprit d'analyse
• Métallurgie