Thèse Révéler la Structure Atomique des Verres Métalliques Sous Chocs à Haute Vitesse par Simulation Moléculaire H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Rennes École doctorale : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux Laboratoire de recherche : INSTITUT DE PHYSIQUE DE RENNES Direction de la thèse : Didier LOISON Date limite de candidature : 2026-06-18T00:00:00
Depuis leur apparition dans les années 1960, les verres métalliques font l'objet de nombreuses études mettant en lumière des propriétés mécaniques souvent supérieures à celles de leurs homologues cristallins (limite élastique, dureté et résistance à la rupture). Bien que les compositions de ces alliages amorphes se soient diversifiées en termes d'éléments présents (Zr, Ti, Al, Cu, Ni, Fe, etc.), leur industrialisation reste aujourd'hui limitée à quelques marchés de niche (horlogerie et joaillerie de luxe, applications médicales de pointe, aéronautique, défense et loisirs haut de gamme). Dans le domaine des applications de choc et d'impact, le potentiel des verres métalliques est encore largement inexploité, par exemple dans les clubs de golf ou le blindage des structures spatiales contre les impacts hypervéloces... avec des études sur leur comportement dynamique initiées au début des années 2000, mais encore à un stade préliminaire.

Les résultats déjà obtenus sur les verres ZrCuAl à l'échelle macroscopique (changement d'état, plasticité, rupture) trouvent leur origine à l'échelle microscopique dans la modification de l'organisation et de la composition locale du matériau à l'échelle atomique. C'est donc également à cette échelle que le comportement de différents verres métalliques sous choc laser doit être étudié. Pour analyser ce comportement, nous utiliserons des simulations de dynamique moléculaire avec le code LAMMPS. Une fois validés dans notre gamme de contraintes, les potentiels EAM issus de la littérature nous permettront de rendre compte de l'évolution de l'organisation atomique des verres métalliques sous contrainte dynamique (cristallisation sous choc, mécanisme de déformation conduisant à la formation de cônes et de coupelles, ségrégation atomique). Les potentiels seront d'abord utilisés et testés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux obtenus lors de la campagne EXAFS sur le binaire ZrCu.

Au-delà de ce projet, les potentiels validés pourront être utilisés pour explorer la famille des verres ZrCuAl afin de trouver une composition optimale en termes de concentration d'espèces (proportion massique de chaque espèce) et d'organisation atomique initiale (selon le procédé de fabrication et d'éventuels traitements thermiques), dans l'optique d'optimiser les performances requises pour l'application.

Dans la littérature, des études ont établi la courbe de Hugoniot (localisation des états induits par choc) pour certaines compositions. Ces données couvrent une plage limitée en termes de pression (jusqu'à 120 GPa) et de vitesses de déformation (jusqu'à 5×10 s¹). L'équipe rennaise est la seule à avoir étudié la réponse des verres métalliques à des contraintes représentatives d'un impact hypervéloce, grâce à l'utilisation de chocs générés par laser sur trois installations nationales (GCLT au CEA, HERA et LULI2000 au laboratoire LULI). Nous avons ainsi atteint des vitesses de déformation de 10 à 10 s¹ et des pressions de 100 GPa (correspondant à l'impact d'un objet millimétrique à 7 km·s¹).