Analyse et caractérisation des éléments légers spatialisés dans les métaux ferreux anciens

Analysis and characterisation of spatialised light elements in old ferrous metals

• Auteur / Autrice : Sarah Schmitt
• Direction : Nicolas Wilkie-chancellier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique et électronique - Cergy
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 30/09/2025
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie
• Jury : Président / Présidente : Cécile Fabre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Wilkie chancellier, Bruno Bousquet, Alexandre Semerok, Vincent Motto-ros, Xueshi Bai, Jean-Marc Vallet, Philippe Dillmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Bousquet, Alexandre Semerok

Mots clés

Mots clés libres

Libs

Métaux ferreux

Éléments légers

Laser

Altération

Libs

Ferrous metals

Light elements

Laser

Alteration

Résumé

L'évolution des techniques métallurgiques anciennes, les choix artisanaux et la circulation des savoir-faire sont des questions majeures en archéométrie. Parmi les matériaux étudiés, les alliages ferreux anciens — utilisés pour la fabrication d'outils, d'armes ou de structures de monuments — présentent une grande hétérogénéité de composition, notamment en ce qui concerne les éléments légers tels que le carbone et le phosphore. Ces éléments jouent un rôle déterminant dans les propriétés mécaniques des objets (résistance, dureté, aptitude à la trempe) et constituent des traceurs historiques et technologiques des chaînes opératoires anciennes. Leur localisation et leur quantification sont donc essentielles pour mieux comprendre les pratiques sidérurgiques du passé. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et évalue le potentiel de la spectroscopie d'émission du plasma induit par laser (LIBS) pour la détection, la quantification et la cartographie de ces éléments légers, en particulier le carbone, dans des matériaux ferreux patrimoniaux. La LIBS est une méthode rapide, peu destructive, compatible avec des objets sensibles et potentiellement applicable in situ. Toutefois, la quantification des éléments légers dans les matrices ferreuses par LIBS reste complexe en raison des interférences spectrales liées au fer, des effets de matrice, et de la nécessité d'une calibration rigoureuse pour obtenir des mesures fiables. L'étude repose sur la comparaison de la LIBS avec deux méthodes de référence — la spectrométrie de masse à plasma inductif couplée à une ablation laser (LA-ICP-MS) et l'analyse par réaction nucléaire (NRA) — sur un corpus constitué de matériaux de référence, d'objets archéologiques et d'échantillons de pièces muséales. Les résultats ont permis d'identifier les forces et les limites de la LIBS pour la cartographie du carbone à l'échelle micrométrique, ainsi que les conditions nécessaires à l'obtention de données fiables. Ce travail contribue ainsi à l'élargissement des outils analytiques à disposition de l'archéométallurgie, en proposant une méthode plus accessible pour les environnements contraints (objets uniques, musées, fouilles, chantiers de restauration) et en approfondissant la compréhension des éléments légers dans les alliages ferreux anciens.

The evolution of ancient metallurgical techniques, craft choices, and the transmission of know-how are major research questions in archaeometry. Among the materials studied, ancient ferrous alloys—used in tools, weapons, and architectural structures—exhibit significant heterogeneity in composition, especially regarding light elements such as carbon and phosphorus. These elements play a critical role in determining the mechanical properties of objects (e.g., strength, hardness, quenchability) and serve as historical and technological markers of ancient production processes. Their localization and quantification are therefore essential for a better understanding of past ironworking practices. This doctoral research addresses these issues by evaluating the potential of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for detecting, quantifying, and mapping light elements—particularly carbon—in heritage ferrous materials. LIBS is a fast, minimally destructive technique compatible with sensitive objects and potentially suitable for in situ applications. However, quantifying light elements in ferrous matrices using LIBS remains challenging due to spectral interferences from iron, matrix effects, and the need for rigorous calibration to ensure accurate and reliable measurements. The study is based on a comparative assessment of LIBS with two reference techniques—Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) and Nuclear Reaction Analysis (NRA)—using a corpus composed of reference materials, archaeological artifacts, and museum pieces. The results highlight both the strengths and limitations of LIBS for micrometric-scale carbon mapping and define the conditions required for obtaining dependable data. This work contributes to expanding the analytical tools available in archaeometallurgy by proposing a more accessible method for constrained environments (unique objects, museum collections, excavation sites, restoration contexts) and by deepening our understanding of the behavior and distribution of light elements in ancient ferrous alloys.