Physique et Mécanique des matériaux (PMM)

Le département Physique et Mécanique des matériaux (PMM) se consacre à l’étude des évolutions microstructurales induites par les procédés de mise en forme et de fabrication avancés. Son activité principale repose sur la mesure, la modélisation et la prédiction de ces évolutions. Il développe également des méthodologies de conception d’alliages, s’appuyant sur une maîtrise approfondie des procédés d’élaboration pour quantifier leurs performances. En parallèle, le département met au point des techniques d’analyse avancées afin de mieux comprendre et modéliser les évolutions microstructurales, aussi bien en volume qu’en surface.

Responsable
Julien Favre
Mail : julien.favre@mines-stetienne.fr
Téléphone : +33 4 77 42 00 55

13 enseignants-chercheurs et chercheurs
10 ingénieurs, techniciens et personnels administratifs
1 unité de recherche
1 plateau en fabrication additive de valorisation annuelle
Le département PMM est rattaché au Centre des Matériaux et des Structures

Domaines d’expertise

Notre équipe se consacre à l’étude et au développement de matériaux innovants pour la structure, alliant expertise académique et applications industrielles. Notre méthodologie multi-échelle unique nous permet d’appréhender aussi bien les phénomènes microscopiques que la modélisation macroscopique des procédés de fabrication. Cette démarche nous permet d’optimiser les microstructures afin d’améliorer significativement les propriétés mécaniques des matériaux.

Compétences

Notre excellence technique repose sur quatre piliers fondamentaux.

  • Élaboration et transformation de matériaux
    Nous développons et transformons des matériaux modèles et industriels afin d’obtenir des échantillons de plusieurs kilogrammes, garantissant ainsi leur représentativité pour les applications réelles.
  • Caractérisation rhéologique avancée
    Nous analysons la rhéologie des matériaux en appliquant des chemins complexes, contrôlés et représentatifs des procédés de traitements thermomécaniques étudiés.
  • Caractérisation microstructurale fine 
    Nous utilisons des outils de microscopie électronique à balayage et à transmission, couplés à des techniques d’analyse chimique (EDX), cristallographique (EBSD, diffraction des rayons X) et mécanique (nanoindentation, microcompression) pour étudier en détail la structure des matériaux.
  • Modélisation des évolutions microstructurales 
    Nous employons des approches mésoscopiques (champs moyens) et microscopiques (champs complets, plasticité cristalline) pour prédire et optimiser le comportement des matériaux à différentes échelles.

Domaines d’intervention

Nos travaux de recherche s’articulent autour de trois secteurs industriels stratégiques.

  • Énergie
    Nous relevons les défis de la transition énergétique et de l’industrie nucléaire en développant des matériaux capables de résister à des conditions extrêmes. Notre expertise s’étend des matériaux conventionnels optimisés (aciers inoxydables, métaux réfractaires) aux solutions métallurgiques de nouvelle génération (alliages HEA, CCA), repoussant sans cesse les limites en termes de résistance mécanique et thermique.
  • Aéronautique et automobile
    Nous innovons pour répondre aux enjeux d’allègement des structures. Nous nous concentrons sur le développement d’alliages légers et l’exploitation du potentiel de l’impression 3D, tout en assurant un contrôle microstructural précis pour garantir la fiabilité des pièces produites. Parallèlement, notre expertise en caractérisation avancée nous permet d’exceller dans le domaine de la microélectronique, où nous étudions des systèmes métalliques miniaturisés tels que les brasures et les couches minces.
  • Développement durable et recyclage
    Conscients des enjeux environnementaux actuels, nous intégrons les principes de durabilité à nos recherches, notamment à travers le développement de matériaux recyclés et la substitution d’éléments critiques dans les alliages. Cette démarche responsable s’inscrit dans une collaboration étroite avec notre écosystème territorial (Labex Manutech-SISE, Initiative3D), renforçant ainsi l’impact et la pertinence de nos innovations.

Axes de recherche

Le département structure ses activités de recherche autour de six axes principaux.

Conception d’alliages

Développement de nouvelles compositions métallurgiques pour répondre aux exigences de performance mécanique, thermique et environnementale des industries de pointe.

Fabrication additive

Exploration des technologies d’impression 3D métalliques (LPBF, WAAM) pour concevoir des pièces innovantes aux géométries complexes, tout en optimisant leurs propriétés microstructurales.

Traitements thermomécaniques

Élaboration et optimisation de procédés visant à améliorer les caractéristiques mécaniques et fonctionnelles des matériaux par des traitements combinant température et déformation.

Ingénierie de surface

Développement de solutions avancées (revêtements, traitements de surface) pour accroître la résistance à l’usure, à la corrosion et aux sollicitations thermiques.

Méthodes de caractérisation

Utilisation d’outils d’analyse avancés pour étudier la microstructure, la composition chimique et le comportement mécanique des matériaux à différentes échelles.

Méthodes numériques

Modélisation et simulation des microstructures et du comportement des matériaux afin d’optimiser leurs propriétés d’usage.

Ces axes complémentaires permettent d’aborder les défis industriels et scientifiques liés aux matériaux métalliques, en alliant innovation et performance.

Unité de recherche

UMR CNRS 5307 – LGF – Laboratoire Georges Friedel : Matériaux, Mécanique, Procédés

Les travaux du département PMM bénéficient pleinement des capacités de calcul intensif du laboratoire LGF, qui soutient le développement et le maintien de codes internes dédiés au design d’alliages, aux méthodes de caractérisation des matériaux et à la simulation des évolutions microstructurales. Cette synergie permet de travailler à l’interface entre les matériaux métalliques et les procédés de fabrication avancés, notamment la fabrication additive. Dans ce contexte, l’approche métallurgique joue un rôle clé pour comprendre les nouvelles microstructures induites, modéliser leur évolution et prédire leur comportement en fonction des paramètres des procédés et des matériaux utilisés. Cette approche s’inscrit pleinement dans les défis de l’industrie du futur et de la réindustrialisation des territoires.

Contact et informations pratiques

  • Adresse
    École des mines de Saint-Étienne
    Sciences des Matériaux et des Structures
    158, cours Fauriel,
    42000 Saint-Étienne, France
  • Transport
    Bus : Ligne 6, arrêt « École des Mines »

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