Propositions de sujets de these
Modélisation multi-échelle des solides amorphes : de la mécanique atomistique à la mécanique mésoscopique émergente
Enhanced and efficient Multi-Scale Modelling of Amorphous Solids: From Atomistic to Emergent Mesoscopic Mechanics
Mots-clés
Calculs atomistiques, FTT, multi-échelle, plasticité, endommagement
Atomistic computations, FFT, multiscale, plasticity, damage
Résumé
La déformation des matériaux amorphes à l'échelle continue (>mm) repose en grande partie sur une description phénoménologique de l'échelle mésoscopique (~mm). Ce projet multidisciplinaire, à l'interface entre la physique et la mécanique, a pour ambition de mieux fonder ces approches en réalisant un passage rigoureux entre les échelles atomiques et mésoscopiques. Pour cela, nous nous appuierons sur nos récentes avancées méthodologiques à la fois à l'échelle atomique (partenaire ESPCI) et mésoscopique par des méthodes FFT (partenaire Mines). Cette approche a déjà fait l'objet d'une validation dans le cas d'un chargement simple et de la plasticité. Nous proposons d'étendre cette étude à des cas complexes et plus réalistes (chargements non-monotones et températures fictives différentes) et à l'endommagement. Pour chaque protocole, des simulations mésoscopiques et atomistiques seront mises en regard quantitativement afin d'identifier les paramètres pertinents. Les résultats attendus permettront la dérivation des lois de comportement physiquement justifiées des amorphes prenant en compte les effets d'histoire de ces matériaux complexes hors d'équilibre.
The deformation of amorphous materials at the continuum scale (>mm) is largely based on a phenomenological description of the mesoscopic scale (~µm). The present multidisciplinary PhD thesis, at the interface between physics and mechanics, aims to understand how atomistic simulations and micro-mechanical approaches may be combined in order to deal with plasticity and damage, and how a rigorous passage between the atomic and mesoscopic scales may be achieved. To do this, we rely on our recent methodological advances both at the atomic scale (ESPCI partner) and mesoscopic by FFT methods (Mines partner). This approach has already been validated in the case of simple loading and plasticity. We propose to extend this studyto complex and more realistic cases (non-monotonic loadings and different fictitious temperatures) and to damage. For each protocol, mesoscopic and atomistic simulations will be compared quantitatively in order to identify the relevant parameters. The expected results will allow the derivation of physically justified
behavior laws of amorphous materials.
Contexte
La déformation des matériaux amorphes à l'échelle continue (>mm) repose en grande partie sur une description phénoménologique de l'échelle mésoscopique (~mm). Ce projet multidisciplinaire, à l'interface entre la physique et la mécanique, a pour ambition de mieux fonder ces approches en réalisant un passage rigoureux entre les échelles atomiques et mésoscopiques. Pour cela, nous nous appuierons sur nos récentes avancées méthodologiques à la fois à l'échelle atomique (partenaire ESPCI) et mésoscopique par des méthodes FFT (partenaire Mines). Cette approche a déjà fait l'objet d'une validation dans le cas d'un chargement simple et de la plasticité. Nous proposons d'étendre cette étude à des cas complexes et plus réalistes (chargements non-monotones et températures fictives différentes) et à l'endommagement. Pour chaque protocole, des simulations mésoscopiques et atomistiques seront mises en regard quantitativement afin d'identifier les paramètres pertinents. Les résultats attendus permettront la dérivation des lois de comportement physiquement justifiées des amorphes prenant en compte les effets d'histoire de ces matériaux complexes hors d'équilibre.
Encadrement
Directeur de thèse: WILLOT François
Co-Directeur de thèse: PATINET Sylvain
Co-encadrant de thèse: YASTREBOV Vladislav
Profil du candidat
Ingénieur(e) et/ou titulaire d'un Master en sciences – avec un excellent niveau en sciences et en culture générale. Un bon niveau d'anglais est requis. Les qualités essentielles recherchées pour ce doctorat sont : des qualités humaines, des capacités de communication, de la créativité, de l'autonomie et une bonne capacité d'adaptation, mais également des compétences en enseignement et une forte motivation pour la recherche. Un bon niveau en programmation, en méthodes d'optimisation, en analyse de données et en mécanique des matériaux est particulièrement apprécié.
Pour postuler : merci d'envoyer votre dossier à l'adresse suivante : recrutement_these@mat.mines-paristech.fr en copie à francois.willot@minesparis.psl.eu. Le dossier doit comprendre :
un CV détaillé,
une lettre de motivation expliquant votre intérêt pour un doctorat,
les résultats détaillés des examens et les notes de Master,
le(s) nom(s) et les coordonnées des enseignants ayant suivi votre travail, ainsi que des lettres de recommandation,
votre mémoire de Master, ainsi que tout article publié en conférence ou revue scientifique, et tout autre document permettant de valoriser votre profil pour ce doctorat.
Candidate Profile
Engineer and / or Master of Science – excellent level in science and general culture. A good level of English is required. Essential qualities sought for for this PhD are: human qualities, communication, creativity, autonomy and adaptation, but also teaching skills, and a strong motivation for research. A good level in programming, optimization methods and data analysis and the mechanics of materials is especially appreciated.
To apply : please send your dossier to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr CC to francois.willot@minesparis.psl.eu including
• a detailed resume
• a covering letter explaining the motivation for doing a PhD
• detailed exam results, master grades
• the name(s) and contact details of professors who followed your work, recommendation letters
• master thesis, journal or conference articles and any other document establishing your qualities for this PhD.
Résultats attendus
On cherchera à établir des statistiques de critères d'instabilité quantitatives à petite échelle dans le but d'identifier, à terme, les ingrédients clefs pour une approche multi-échelle rigoureuse de la mécanique des solides amorphes et le développement de lois de comportement physiquement justifiées.
Objectifs
Bien que les solides amorphes soient omniprésents dans la nature et possèdent de nombreuses applications industrielles (verre, gel, matériaux granulaires), la compréhension fondamentale de leur comportement mécanique reste encore limitée. Ces matériaux désordonnés présentent une réponse mécanique universelle caractérisée par des événements d'écoulement localisés qui appellent à une compréhension globale. Le nœud du problème provient de leur structure désordonnée empêchant l'identification de défauts d'écoulement topologiques comme c'est le cas dans les cristaux. À l'échelle des particules, la plasticité et le dommage se produisent par des réarrangements irréversibles. Ces transformations de cisaillement peuvent s'agréger sous forme d'avalanche ou former des bandes de cisaillement impliquant toutes les échelles spatiales. De plus, la réponse mécanique de ces systèmes hors d'équilibre dépend de manière cruciale de leur histoire thermomécanique.
Références
1) D. Fernández Castellanos, S. Roux and S. Patinet, History dependent plasticity of glass : a mapping between atomistic and elasto-plastic models, Acta Mater. (2022)
2) D. Fernández Castellanos, S. Roux, S. Patinet, Insights from the quantitative calibration of an elasto-plastic model from a Lennard-Jones atomic glass, Comptes Rendus Physique de l'académie des sciences, Special Issue :Plasticity and Solid State Physics 22 (S3), 1 (2021).
3) A. Barbot, M. Lerbinger, A. Hernandez-Garcia, R. García-García, M. L. Falk, D. Vandembroucq and S. Patinet, Local yield stress statistics in model amorphous solids, Phys. Rev. E 97, 033001 (2018).
1) F. Willot, « Fourier-based schemes for computing the mechanical response of composites with accurate local fields », C. R. Meca. 343 (3), 232-245 (2015)
2) Schäfer, S., Willot, F., Bale, H., Rad, M. N., Kelly, S. T., Enke, D., & e Silva, J. M. D. S. (2025). Intermittent in-situ high-resolution X-ray microscopy of 400-nm porous glass under uniaxial compression: study of pore changes and crack formation. Scripta Materialia, 255, 116396.
3) H. Trumel et al, « The irreversible thermal expansion of an energetic material », J. Th. Comp. Appl. Mech. 1-21 (2021)