Modélisation atomistique du comportement mécanique d’alliages à haute entropie (HEA)

Le Laboratoire Georges Friedel est une Unité Mixte de Recherche du CNRS (UMR 5307) et appartient à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS). Situé à l’École des Mines de Saint-Étienne et porté par les deux tutelles (Mines de Saint-Étienne et CNRS), le laboratoire regroupe tout le potentiel de l’École des Mines de Saint-Étienne dans les domaines des matériaux, de la mécanique et des procédés.

Depuis l’âge du bronze, on sait qu’ajouter certains éléments d’addition à un métal permet de le durcir: le bronze est un alliage de cuivre et d’étain, plus dur que le cuivre ou l’étain purs. Le comportement mécanique de ces alliages est gouverné par des défauts nanométriques, les dislocations, qui sont les vecteurs de la déformation plastique dans les matériaux métalliques. Dans de tels alliages, les atomes de soluté (l’étain dans le bronze) forment une solution solide qui entrave le mouvement des dislocations, ce qui augmente la limite élastique sans compromettre la ductilité.

Les alliages métalliques en cours de développement exploitent ce mécanisme de durcissement par solution solide. C'est notamment le cas des alliages à haute entropie (HEA), qui sont constitués de plusieurs éléments en proportions comparables, formant ainsi une solution solide complexe. Les HEA de structure cubique à faces centrées (fcc) offrent un compromis exceptionnel entre résistance mécanique et ductilité, ce qui les rend prometteurs pour des applications industrielles dans les domaines de l’énergie ou de l’aéronautique. Comme pour les alliages classiques, leurs propriétés mécaniques dépendent fortement de la structure atomique locale et de la présence de défauts cristallins (dislocations, macles, fautes d’empilement). Le dopage à l’azote, dont les atomes restent en solution solide, permet d’accroître encore davantage la limite d’élasticité de ces alliages [1]. L’objectif de ce projet de recherche est d’étudier l’influence des atomes de soluté d’azote sur le comportement mécanique des HEA FeCrNiMn à l’échelle nanométrique.

La dynamique moléculaire (MD) est une méthode de modélisation atomistique qui permet d’étudier les phénomènes de plasticité à l’échelle nanométrique. Lors de ce stage, l’étudiant devra modéliser des matériaux HEA en MD puis simuler des essais mécaniques afin d’étudier leur comportement à l’échelle des défauts cristallins. Le potentiel de Daramola et al. [2] sera employé pour définir les interactions interatomiques. Il n’existe pas à l’heure actuelle de potentiel interatomique incluant les atomes interstitiels d’azote pour ce type d’alliage. Une réflexion sera donc menée pour définir la méthodologie permettant d’inclure l’azote dans les simulations MD. Entre temps, un potentiel MEAM, initialement développé pour les aciers inoxydables [3], sera utilisé pour étudier l’influence des atomes interstitiels sur le comportement mécanique d’alliages avec une composition proche de celle des HEA.

Le stage sera effectué au laboratoire Georges Friedel (UMR 5307) dans l’équipe Physique et mécanique des matériaux de l’école des Mines de Saint-Étienne. L’étudiant sera encadré par William Gonçalves (Mines Saint-Étienne) et Pierre-Antoine Geslin (CNRS, ELyTMaX).

Les étudiants motivés à poursuivre en doctorat sont fortement encouragés à candidater. Une thèse avec financement est prévue pour Octobre 2026.

[1] Traversier et al., Nitrogen-induced hardening in an austenitic CrFeMnNi high-entropy alloy (hea). Materials Science and Engineering : A, 804 :140725, 2021.

[2] Daramola et al., Development of a plasticity-oriented interatomic potential for CrFeMnNi high entropy alloys, Computational Materials Science 203 (2022) 111165

[3] Tong et al., Interatomic potential for Fe–Cr–Ni–N system based on the second nearest-neighbor modified embedded-atom method, Molecular Simulation, 42(15), 1256-1262.

• École d’ingénieur ou équivalent Master 2 en Sciences des Matériaux, modélisation numérique, mécanique.

• Goût prononcé pour la modélisation numérique et la programmation Python.

• La connaissance (même introductive) de la dynamique moléculaire ou DFT serait appréciée.

• Qualités recherchées : rigueur scientifique, autonomie, intérêt pour la modélisation numérique.