Ab initio study of the solubility of hydrogen and carbon in a 'alpha'-Fe 'Sigma' 5 (210) grain boundary

Le GPM est une Unité Mixte de Recherche (UMR 6634) entre l’Université de Rouen Normandie, l’INSA Rouen Normandie et le CNRS où il est rattaché à CNRS-Physique (INP). Il est dirigé par Xavier Sauvage, directeur de recherche au CNRS. Les activités scientifiques du GPM trouvent leurs racines dans l’histoire du laboratoire dont les prémices remontent à la fin des années 60. L’instrumentation scientifique y a toujours joué un rôle central, et les techniques de microscopie et d’analyse des matériaux un rôle fédérateur. Des évolutions progressives ont forgé le GPM d’aujourd’hui, qui possède une plateforme instrumentale de premier rang mondial et des activités dans de nombreux champs thématiques. Celles-ci sont distribuées dans cinq départements thématiques qui sont (i) Instrumentation Scientifique, (ii) Métallurgie, Microstructure, Mécanique, (iii) Matériaux Fonctionnels et Nanostructures, (iv) Systèmes Désordonnés et Polymères, (v) Ouvertures Thématiques et Innovations.

Le GPM se place résolument dans une dynamique de collaborations internationales fortes avec 50% des articles scientifiques co-signés avec des chercheurs d’institutions étrangères. Nous avons également à cœur de promouvoir la diversité en recrutant la moitié de nos doctorants et chercheurs contractuels à l’étranger. Notons enfin notre laboratoire franco-américain « Advanced Mechanics and Materials Engineering (AMME) » associé au département « Mechanical & Materials Engineering » de l’Université de Lincoln au Nebraska (USA).

D'autre part, le GPM possède des liens forts avec le monde industriel : une partie de nos activités de recherche est réalisée en partenariat avec des partenaires industriels. Le GPM est laboratoire commun avec le Centre R&D d’EDF (laboratoire commun EM2VM : Etude et Modélisation des Microstructures pour le Vieillissement des Matériaux) et la société Manoir Industrie (IPERS : Innovation and performance of refarctory Steels). Par ailleurs, des collaborations passées ou présentes ont été développées avec NEXANS, ACOME, EdF, INTEL, CAMECA, Constellium, Manoir Industries, Volum- e, Ascometal, Aperam, Aubert et Duval, Arcelor-Mittal, Framatome, ZODIAC Aerospace, ZODIAC Aerosafety Systems , SAFRAN Nacelles, SAFRAN Aerosystems, Ariane group, Technip-FlexiFrance, Framatom, FAVI, AREVA, Hutchinson, Cyclamen, Galloo, Eco- systèmes, Selfrag, STMicrolectronics, IBS, EADS, TRT, TGS, TSA, THAV, TR6, Airbus, Valeo, NXP, Safran Hispano Suiza, Thales Air System, Ligeron, MBBM, A&S, Areelis, MBDA, Thales Com & Security, Sagem, SAFRAN Aerosystems, APTAR Pharma, AFP, NUTRISET, SEALED AIR, Francofil, L’OREAL Recherche et Innovation, OFITECH/ONDULINE, Polyone, BMG-Securits, BERTIN, PEG, Sanofi, Exsymol,...

Enfin, le GPM a une implication forte dans l’enseignement et la formation par la recherche. Il est au cœur de l’enseignement supérieur normand à travers deux tutelles, l’Université de Rouen Normandie et l’INSA de Rouen. Par ailleurs, le laboratoire accueille une quarantaine de stagiaires et 15 nouveaux doctorants tous les ans, contribuant ainsi pleinement à la formation par la recherche.

Hydrogen has become a key element in developing decarbonised energy, and iron-based alloys, particularly steels, are the most widely used systems in industry. Consequently, it bears the highest potential to store or to transport hydrogen, owing to its nearly unlimited microstructure manipulation possibilities via adjustments to the chemical composition and the cornucopian range of thermomechanical processing routes that can be used. However, all microstructures suffer from a drop in ductility in the presence of hydrogen, a phenomenon called hydrogen embrittlement. Within the Materials Physics Group (GPM), recent studies have shown that hydrogen segregates at specific crystal defects (i.e., grain boundaries), modifying the failure mechanism where carbon is also enriched. Therefore, this six-month internship will aim to understand how the solubility of hydrogen and carbon evolves at specific grain boundaries with temperature. This will be done by conducting ab initio calculations of alpha-Fe
Sigma-5 (210) grain boundaries with hydrogen and carbon. In this context, a PhD thesis related to this internship is planned for October 2027 to study experimentally and numerically the effect of interstitial solutes on the solubility of hydrogen at crystalline defects in a martensitic steel.

The candidate must be a student in the final year of a Master’s program (Master 2) or an engineering school, specialising in materials science, metallurgy, condensed matter physics, or computational materials Science. They must possess a solid foundation in the thermodynamics of materials and crystal defects in metals and alloys. Prior training and knowledge in quantum mechanics, hydrogen-metal interactions, or the mechanical behaviour of materials is a significant asset. Computing skills in a Unix environment and using data analysis software (e.g., Python or MATLAB) are also desirable.

We expect the candidate to demonstrate strong scientific curiosity, rigour in the state of the art on the subject, and the ability to analyse complex phenomena by correlating the energy of a system with microstructural evolution from the literature. They must be methodical, organised, and autonomous, while also being comfortable working in a collaborative research environment. As this position paves the way for a PhD, the candidate must be motivated to
continue this research specifically by pursuing a doctorate starting in October 2027 on topics related to this internship by performing both experiments and simulations. Proficiency in English (B2 level) is also required.