Studentské práce a projekty

Slitiny titanu jsou dlouhodobě jedním z nejpoužívanějších materiálů v medicíně, především jako totální endoprotézy velkých kloubů a fixační prvky. Nedávno vyvinuté beta slitiny Ti (tj. slitiny s kubickou prostorově centrovanou mřížkou) se zvýšeným obsahem kyslíku se vyznačují vysokou biokompatibilitou a nízkým modulem pružnosti, který je výhodný pro použití v ortopedii.

Z fyzikálního hlediska jsou tyto materiály zajímavé díky fázovým transformacím, kterými tyto materiály procházejí při tepelném zpracování.
Nabízený projekt je součástí výzkumu na Katedře fyziky materiálů v této atraktivní oblasti. Řešitel/ka se během řešení práce zorientuje v problematice slitin Ti pro využití v medicíně. Hlavní náplní práce je experimentální charakterizace mikrostruktury a mechanických vlastností slitin Ti s různým složením. Cílem je objasnit vliv chemického složení slitiny na její mechanické vlastnosti.

Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s některými experimentálními metodami (skenovací elektronová mikroskopie, měření mechanických vlastností, měření vnitřního tlumení). Předmětem projektu bude pozorování mikrostruktury slitin na bázi Ti-Nb-Zr-O s různými složením a různým zpracováním. Řešitel/ka samostatně provede měření mikrotvrdosti a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Studentský projekt je dobrým východiskem pro případnou následnou bakalářskou/diplomovou práci.

Slitiny titanu patří mezi nejprogresivnější materiály používané například v letectví nebo jako implantáty v medicíně. Na Katedře fyziky materiálů jsou v současnosti vyvíjeny moderní beta slitiny titanu (slitiny s kubickou prostorově centrovanou krystalovou mříží) určené speciálně pro využití v medicíně. Prášková metalurgie je alternativní metodou výroby kovových materiálů a patří v současnosti mezi jednu nejrychleji se rozvíjejících oblastí pro pokročilou přípravu moderních materiálů. Navzdory boomu v oblasti práškové metalurgie dosud byly těmito metodami metastabilní beta-slitiny titanu vyrobeny jen velmi omezeně.

Hlavní náplní projektu je experimentální charakterizace slitin titanu na bázi Ti-Nb-Zr-O připravených sintrováním elektirckým proudem a objasnění vztahu složením slitiny, mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi. Student/studentka se během řešení projektu zorientuje v problematice slitin Ti a v oblasti práškové metalurgie. V rámci projektu se řešitel/ka seznámí s prací na skenovacím elektronovém mikroskopu, seznámí se s dalšími experimentálními metodami a bude samostatně provádět měření mikrotvrdosti. Řešení projektu reprezentuje aktuální problematiku s jasným aplikačním potenciálem.
Řešitel/ka získané výsledky zpracuje do stručné závěrečné zprávy. Studentský projekt bude dobrým východiskem pro případnou následnou bakalářskou/diplomovou práci.

Zirkonium (Zr) je kov, který je známý především díky svému extrémně nízkému účinnému průřezu pro záchyt termálních neutronů. Z toho důvodu jsou Zr a jeho slitiny používány pro konstrukci prvků vnitřní vestavby jaderných reaktorů. Slitiny zirkonia ale nacházejí uplatnění i v chemickém průmyslu a biomedicíně, neboť se obecně vyznačují vysokou pevností, výbornou korozní a únavovou odolností a biokompatibilitou.

Ve většině aplikací se zatím využívá komerčně čisté zirkonium, případně slitiny Zr s malým množstvím Nb. Pokud ale slitina zirkonia obsahuje vyšší množství příměsových prvků, otevírá se možnost dosáhnout jiných typů mikrostruktury a jiného fázového složení. Modifikací mikrostruktury a ovlivněním typu a množství dalších fází lze dobře přizpůsobit mechanické a fyzikální vlastnosti slitiny pro požadovanou aplikaci. Cílem tohoto projektu je experimentálně charakterizovat vybrané slitiny zirkonia s dostatečným obsahem příměsových prvků zvyšujících stabilitu vysokoteplotní β fáze (např. Nb a Mo). Takové slitiny se označují jako metastabilní β slitiny a mají velký aplikační potenciál v chemickém průmyslu a v medicíně. Řešitel/ka se bude podílet na přípravě slitin (tavba malého množství materiálu v laboratorní obloukové peci) a provede základní experimentální charakterizaci - studium mikrostruktury pomocí mikroskopie, studium fázových transformací in situ metodami a měření mikrotvrdosti.

Řešitel/ka se v rámci projektu zapojí do výzkumu probíhajícího na katedře fyziky materiálů a bude se aktivně podílet na přípravě vzorků, provádění experimentů a jejich zpracování a interpretaci. Téma projektu je možné rozšířit na bakalářskou či diplomovou práci.

Literatura:
S. Banerjee, P. Mukhopadhyay. Phase Transformations: Examples from Titanium and Zirconium Alloys. Elsevier, 2010.
A. Veverková et al. Journal of Materials Research and Technology, vol. 23, pp. 5260-5269, 2023.

Slitiny na bázi Mg a Zn jsou biokompatibilní a vykazují slibné výsledky, pokud jde o biodegradaci. Přímé použití tenkých vláken z těchto slitin je však stále omezené kvůli jejich nízké pevnosti, tažnosti a tvářitelnosti. Mechanické vlastnosti vláken jsou řízeny mikrostrukturou (texturou) vytvořenou během výrobního procesu. Vztah mezi mikrostrukturou a výslednými mechanickými vlastnostmi bude stanoven kombinací pokročilých in-situ a ex-situ technik za různých podmínek zatěžování.

Jedná se o rozsáhlou problematiku, která umožňuje vypsání vice studentských projektů bez jejich nežádoucího tematického překryvu.

Metody: světelná a elektronová mikroskopie, deformační zkoušky, měření akustické emise, ...

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Zirkonium (Zr) a slitiny zirkonia se využívají zejména v jaderné energetice jako pokrytí paliva díky velmi nízkému účinnému průřezu pro záchyt neutronů. Nové slitiny zirkonia s vyšší pevností mohou mít nezanedbatelný aplikační potenciál. Fázové složení (tedy krystalické uspořádání) slitin Zr závisí na příměsových prvcích – např. niob zvyšuje stabilitu tzv. beta fáze (kubická prostorově centrovaná struktura). Slitiny, které obsahují dostatek takových prvků pro zachování beta fáze, se označují jako metastabilní beta slitiny Zr. Tyto pokročilé materiály jsou, navzdory svému aplikačnímu potenciálu, téměř neprozkoumané.

Předmětem projektu je základní charakterizace slitin na bázi Zr-Nb. Výzkum těchto slitin probíhá na školícím pracovišti v rámci projektu Technologické agentury ČR ve spolupráci s Centrem výzkumu Řež. Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s některými experimentálními metodami (skenovací elektronová mikroskopie, měření mechanických vlastností, dilatometrie). Předmětem projektu bude pozorování mikrostruktury Zr slitin s různými složením a různým tepelným zpracováním. Řešitel/ka samostatně provede měření mikrotvrdosti a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy.

Studentský projekt je dobrým východiskem pro případnou následnou bakalářskou/diplomovou práci.

V minulosti byly kovové slitiny běžně tvořeny jenom z jednoho nebo dvou základních kovů a příměsových prvků. Slitiny s vysokou entropií jsou pokrokovými současnými materiály, které se skládají ze stejného nebo přibližně stejného množství pěti nebo vice kovů. Tyto slitiny jsou kvůli výjimečným mechanickým vlastnostem v současnosti v přední pozornosti materiálového výzkumu. Některé tyto slitiny však vykazují plastické nestability, které mají negativní vliv na jejich mechanické chování. Deformační testy se souběžným záznamem akustické emise se osvědčily jako výjimečně citlivý a komplexní nástroj ke studování těchto jevů.

Zásady pro vypracování:

1) Nastudovat základy elastické/plastické deformace kovů a plastických nestabilit (PLC jev).
2) Seznámit se s experimentálním zařízením sloužícím k provedení deformačních experimentů se současným záznamem akustické emise (AE).
3) Seznámit se se softwarem sloužícímu k zpracování experimentálních dat (AEviewer, Noesis, Matlab, OriginLab).
4) Provést experimenty na zvolených slitinách. Zpracovat naměřená data z deformačních testů – vytvořit a časově korelovat deformační křivky a AE data (různé AE parametry)

Na výstupy projektu může navázat bakalářská/diplomová práce.

Obr. 1: Atypická nespojitá plastická deformace slitiny FeAlCrMo.

Vysokoteplotní komplexní koncentrované slitiny (refractory complex concentrated alloys, RCCAs) jsou rychle se rozvíjející rodinou materiálů se značným aplikačním potenciálem, např. pro letecké motory či fúzní technologie. Opouští paradigma klasických slitin spočívající v přidávání legujících příměsí do jednoho hlavního prvku, místo toho jsou použité prvky zastoupeny ve vyvážených poměrech. Vzhledem k obrovské šíři dostupného koncentračního prostoru jsou tyto slitiny dosud jen velmi málo prozkoumány. Nedostatek experimentálních informací o fázovém složení a základních mechanických vlastnostech je v současnosti limitujícím faktorem dalšího výzkumu.

Slitiny budou připraveny z elementárních prášků pomocí sintrování elektrickým proudem ve spolupráci s Ústavem fyziky plazmatu AV ČR. Hlavní náplní studentského projektu je tepelné zpracování těchto slitin a jejich následná experimentální charakterizace pomocí mikroskopických metod a měření mikrotvrdosti. Cílem je seznámení řešitele se základními metodami studia materiálů a jeho zapojení do aktuálních výzkumných projektu na Katedře fyziky materiálů. Studentský projekt je dobrým východiskem pro následnou bakalářskou práci.

Komplexní koncentrované slitiny jsou novou skupinou materiálů, které mají potenciál nahradit niklové superslitiny např. v leteckých motorech. Tyto slitiny, na rozdíl od konvenčně využívaných, neobsahují jeden hlavní prvek, ale několik různých prvků ve vysokých koncentracích. Existuje tak mnoho kombinací složení, z nichž je většina dosud zcela neprozkoumána. Jednou z limitujících vlastností pro potenciální využití je však jejich obecně nízká oxidační odolnost.

Obsahem projektu bude studium vysokoteplotní oxidace vybraných slitin, konkrétně příprava vzorků a jejich následná charakterizace před a po oxidaci. V průběhu řešení se bude mimo jiné využívat skenovací elektronový mikroskop, ze kterého pochází snímek připojený k dokumentu (příčný řez oxidickou vrstvou vzniklou na slitině FeAlCrNiV). Řešitel se v průběhu řešení seznámí se základními metodami studia materiálů a bude se moct dále zapojit do výzkumu na Katedře fyziky materiálů a také navázat na projekt bakalářskou prací.

Navrhovaný projekt je zaměřen na studium fyzikálních aspektů deformačních mechanismů v Mg slitinách připravených rychlou solidifikací. Tyto hořčíkové slitiny s vysokou pevností a tažností mají vysoký potenciál k využití v dopravním průmyslu či biomedicíně.

Metody: světelná a elektronová mikroskopie, měření mikrotvrdosti, deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

V projektu se využije nová komplexní metodologie, která kombinuje statistickou analýzu rozložení časových intervalů po sobě jdoucích událostí akustické emise (time series analysis) a shlukovou analýzu časových řad (adaptive sequential k-means (ASK) analysis). Akustická emise se zaznamená v průběhu plastické deformace hexagonálních kovů, kde pomocí statistických metod odhalíme dynamiku aktivních deformačních mechanismů a jejich vzájemnou korelaci.

Metody: statistické metody, měřeni akustické emise, deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Navrhovaná práce je součásti projektu zaměřeného na vývoj nové generace hořčíkových slitin s vysokou pevností a tažností s potenciálním využitím v dopravním průmyslu či biomedicíně. Na základě získané informace o vztahu mezi mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi budou specifikovány nejperspektivnější materiály a způsoby optimalizace jejich přípravy.

Metody: světelná a elektronová mikroskopie (SEM, TEM, EDX, EBSD), deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Cílové materiály jsou Mg slitiny obsahující fázi periodicky-vrstevnatě uspořádanou na dlouhou vzdálenost (angl. Long Period Stacking Ordered (LPSO) phase), a vrstevnaté poruchy se segregací příměsí. Charakterizace mikrostruktury v závislosti na složení materiálu a parametry zpracování bude provedena především elektronovou mikroskopií.

Metody: světelná a elektronová mikroskopie, zejména vysokorozlišovací TEM/STEM

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Deformační dvojčatění je jedním z hlavních deformačních mechanismů v hexagonálních slitinách (Mg, Ti, Zr). Hlavním cílem navrhované práce je objasnit vznik a vývoj deformačních dvojčat pomocí pokročilých 2D a 3D pozorovacích metod s ohledem na chemické složeni slitin a jejich předchozí deformaci. Studium se zaměří zejména na nukleaci dvojčat, mobilitu dvojčatových hranic, jejich vzájemnou interakci s dislokačním skluzem.

Metody: 2D a 3D elektronová mikroskopie (2D a 3D SEM/EBSD), vysokorozlišovací TEM/STEM, vysokorychlostní snímaní (up to 5M fps), deformační zkoušky,…

Řešitel/ka samostatně provede požadovaná měření a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Spojení hliníku s ocelí má velký potenciál pro uplatnění v průmyslu díky kombinaci výhodných vlastností jednotlivých materiálů – nízká hustota a dobrá odolnost vůči korozi hliníku a vysoká pevnost oceli. Během tepelného zpracování dochází na rozhraní hliníku a oceli k tvorbě intermetalické fáze, která může mít negativní vliv na pevnost a soudržnost materiálu.

Cílem projektu bude zkoumat tvorbu této fáze v materiálu připraveném metodou plynulého odlévání mezi válce. Bude použita hliníková slitina typu Al+Mg, která se vyznačuje nízkou hustotou. Bude určena kinetika růstu této fáze a její vliv na pevnost v tahu, a to jak během klasických experimentů, tak in-situ deformace ve skenovacím elektronovém mikroskopu.

Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s experimentálními metodami na katedře fyziky materiálů (optická a skenovací elektronová mikroskopie, měření mechanických vlastností). Řešitel/ka provede pozorování ve skenovacím elektronovém mikroskopu a deformační zkoušky. Získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Studentský projekt je dobrým východiskem pro případnou následnou bakalářskou práci.

Obrázek: Ukázka mikrostruktury ve skenovacím elektronovém mikroskopu a vzorek po in-situ deformaci.

V projektu budou zkoumány 2 typy hořčíkových slitin: Mg-Y-Li a Mg-Zn-Ca. Tyto materiály byly deformovány za velmi vysokého tlaku v torzi (HPT z angl. High Pressure Torsion) a tím bylo do materiálu uloženo extrémně velké deformační napětí (viz obr. 1). Deformace materiálů probíhá na partnerském pracovišti v Brazílii.

Obr. 1: Vložené deformační napětí po ½ a 1 otočce HPT.

Hořčíkové materiály po takto intenzivní plastické deformaci mají velmi jemnozrnnou mikrostrukturu a výrazně lepší mechanické vlastnosti. Příklad změny mechanických vlastností (mikrotvrdosti) na jiné hořčíkové slitině můžete pozorovat na obr. 2, kde jsou znázorněny mapy mikrotvrdosti pro vzorek po pouhém stlačení (obr. 2a) a po 1, 5 a 15 otočkách (obr. 2b, c a d).

 

Obr. 2: Mapa mikrotvrdosti po a) pouhém stlačení vzorku, b) po 1 otočce, c) po 5 otočkách a d) po 15 otočkách HPT.

Řešitel/ka samostatně provede potřebná měření (měření mechanických vlastností a studium mikrostruktury) a získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Kovové materiály sú kryštalické látky (skladajú sa z pravidelne usporiadaných atómov tvoriacich kryštalickú mriežku), ktoré obvykle vykazujú vysokú mechanickú pevnosť a tvárnosť, t.j. je možné ich plasticky deformovať bez toho, aby stratili svoju "integritu". Deformačné procesy v kovových materiáloch nie sú úplne intuitívne - jednoduchá predstava o pohybe a posune atómových rovín je z dôvodu vysokej energetickej náročnosti tohto procesu nesprávna. Naopak, deformácia je sprostredkovaná energeticky preferovanými procesmi, a to (i) existenciou a pohybom určitého typu porúch kryštalickej mriežky, tzv. dislokácií, a (ii), tzv. dvojčatením, pri ktorom dochádza k reorientácii časti kryštalickej mriežky.

Dislokačná dynamika, ad. (i), je pomerne podrobne zdokumentovaná. Naopak, dvojčatenie, ad. (ii), je proces, ktorý stále púta pozornosť vedeckej komunity. Dôvodom je hlavne chýbajúca teória, ktorá by jasne popísala predpoklady a dynamiku procesov dvojčatenia. Rozvoj experimentálnych techník v poslednom desaťročí avšak prináša nové možnosti skúmania týchto javov.

Naša katedra disponuje unikátnou kombináciou experimentálnych zariadení - miniaturizované deformačné stoly, svetelná a elektrónová mikroskopia, ultravysokorýchlostné kamery (záznam až do 2,1 miliónov obrázkov za sekundu) - ktoré umožňujú sledovať procesy nukleácie a šírenia dvojčiat s bezprecedentným časovým rozlíšením. Náš nedávny výskum (Obr. 1) ukázal, že rýchlosť šírenia dvojčiat v kovových zliatinách môže prekvapivo dosahovať až desiatky metrov za sekundu. Tento projekt si kladie za cieľ zmapovať dynamiku dvojčatenia vo vybraných čistých kovoch (horčík, titan a/alebo kobalt), čím výrazne prispeje k pochopeniu fyzikálnej podstaty týchto procesov.

Obr. 1: Tvorba dvojčaťa v zliatine Mg-Gd. Záznam rýchlosťou 700 tisíc obrázkov za sekundu [1].

 

Na projekt môže nadväzovať bakalárska alebo diplomová práca.

 

Pozn.: S ultravysokorýchlostnou kamerou si môžete vyskúšať aj "bežnejšie" experimenty: rozbitie vajíčka/skla, zapálenie zápalky, a pod. :-).

 

Literatúra:

[1] K. Máthis, A. Farkas, M. Knapek, et al. “The Influence of Gadolinium Concentration on the Twin Propagation Rate in Magnesium Alloys.” Journal of Alloys and Compounds 948 (2023) 169635.