Métallurgie de l’extrême // Metallurgy under extreme conditions

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 ainsi que le laser X à électrons libres européen.

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The microstructure-properties relationship is a core concept of metallurgy, and of materials engineering in general. For instance, the hardness of quenched steels emerges from their martensitic microstructure, induced by a phase change in iron. Here we are concerned about metallurgy under extreme conditions in which metallic samples undergo pressurizations in the 100 GPa (=1 million atmospheres) range, making it possible to synthesise new crystalline phases with potentially interesting properties (hardness, magnetism, etc.).
Studied systems will include tin, then indium and cobalt. The three of them exhibit a rich polymorphism under high pressure and temperature. We will seek to elucidate the role of defects such as twinning and plasticity on the mechanism and kinetics of these transitions. This will be done by comparing experimental observations with microstructure predictions obtained through mesoscopic simulation. High pressure/ high temperature will be mainly generated by laser-heated diamond anvil cells, and characterisation tools will include in situ X-ray imaging by diffraction and tomography, as well as electron microscopy. The X-ray sources used will be synchrotron sources and the European free-electron X-ray laser.

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Pôle fr : Direction des Applications Militaires
Pôle en : Military Applications
Département : Département physique, expériences et modèles
Service : DPEM
Laboratoire : DPEM
Date de début souhaitée : 01-09-2025
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : DEWAELE Agnès
Organisme : CEA
Laboratoire : DAM/DPTA//DPTA
URL : https://www-lmce.cea.fr/team/condensed_matter_physics/dewaele.html
URL : https://www-lmce.cea.fr/about.html

Public/private mixed funding

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Service : DPEM

M2 en physique, géophysique