Studentské práce a projekty

Titanové slitiny nacházejí široké uplatnění v medicíně, především jako materiály pro totální náhrady velkých kloubů a jako fixační komponenty. V současnosti se věnuje stále více pozornosti vývoji nových slitin, které by mohly nahradit dosud nejčastěji používanou slitinu Ti-6Al-4V. Jako slibní nástupci se jeví tzv. beta titanové slitiny, které představují moderní generaci titanových materiálů.

U kyčelního dříku (viz Obrázek) je ideální kombinace vysoké pevnosti v proximální (horní) části a nižšího modulu pružnosti v distální (dolní) části, která je vsazena do kosti. Mechanické vlastnosti titanu lze cíleně upravovat změnami chemického složení – i malé odchylky ve složení slitiny mohou významně ovlivnit její mechanické chování. Slitiny s postupně měnícím se chemickým složením se připravují pomocí aditivních technologií, zejména 3D tisku.

Navrhovaný projekt je součástí výzkumné činnosti Katedry fyziky materiálů a tematicky spadá do dynamicky rozvíjející se oblasti vývoje titanových slitin pro medicínské účely. Během projektu se student(ka) seznámí s problematikou titanových slitin určených pro biomedicínu, s důrazem na souvislost mezi chemickým složením, mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi materiálu.

Hlavním cílem práce bude experimentální zkoumání mikrostruktury a mechanických vlastností titanových slitin s odlišným chemickým složením. Projekt má za úkol objasnit, jak složení ovlivňuje konečné mechanické charakteristiky slitiny.

Student(ka) se naučí pracovat s vybranými experimentálními metodami, včetně skenovací elektronové mikroskopie (SEM), měření mechanických vlastností a měření kontaminace materiálu (kyslík, dusík). Součástí bude studium mikrostruktury slitin Ti-Nb-Fe-Sn s různým složením a různými způsoby zpracování, včetně samostatného měření mikrotvrdosti, mechanických vlastností a zpracování výsledků do stručné odborné zprávy.

Projekt nabízí vhodný vstup do experimentální práce v oblasti materiálového výzkumu a může sloužit jako kvalitní základ pro budoucí bakalářskou nebo diplomovou práci.

Kovové materiály jsou nepostradatelnou součástí moderní medicíny díky své pevnosti, odolnosti a biokompatibilitě. Vedle tradičních slitin, jako je titan či nerezová ocel, se stále větší pozornost věnuje biodegradovatelným kovům, které se po splnění své funkce v těle samy rozloží. Zinek představuje velmi perspektivní materiál pro tyto aplikace – jeho degradace neprodukuje plyny a probíhá kontrolovaněji než u hořčíku. Problémem však zůstává jeho nižší pevnost a tažnost.

 

Cílem projektu je vývoj zinkových materiálů s harmonickou mikrostrukturou, která kombinuje ultrajemnozrnnou a hrubozrnnou složku. Tato unikátní struktura slibuje spojení vysoké pevnosti a dobré tvárnosti díky synergickému efektu obou typů zrn. Projekt přináší inovativní přístup k optimalizaci mechanických vlastností zinkových slitin. Hlavní důraz bude kladen na studium mikrostruktury a mechanických vlastností připravených materiálů. Získané zkušenosti a data mohou následně posloužit jako podklad pro zadání bakalářské či diplomové práce.

Předmětem výzkumu je studium nových biodegradabilních implantátů na bázi hořčíkových slitin s povrchovou vrstvou připravenou metodou PEO (plasma electrolytic oxidation) a PLA (polylactic acid). Hořčík patří mezi biokompatibilní materiály, které je lidské tělo schopné plně absorbovat a následně vyloučit bez jakýchkoliv následků. Významný problém při využití hořčíkových slitin pro tyto účely však představuje nedostatečná schopnost řídit rychlost a homogenitu degradace implantátu.  

Proces degradace hořčíkového materiálu navrženého v tomto projektu bude kontrolován aplikací biodegradabilní vrstvy vyrobené pomocí PEO+PLA. Hlavní přínos této vrstvy spočívá v oddálení degradace hořčíkového materiálu, která ideálně nastane až po ukončení jeho funkce jako implantátu. Pro úspěšnou implementaci biodegradabilní ochranné vrstvy je nutné zjistit náchylnost této vrstvy k poškození při cyklickém zatížení. To umožní optimalizovat jednotlivé složky vrstvy a připravovat tyto vrstvy na míru pro různé implantáty s různou dobou využití.

Řešitel/řešitelka bude v rámci projektu studovat vliv cyklického namáhání na kvalitu připravených vrstev. Práce bude zaměřená na studium mechanických vlastností, korozní odolnosti a struktury vrstev pomocí skenovací elektronové mikroskopie. Projekt je možné rozšířit na bakalářskou nebo diplomovou práci.

Obrázek: Charakteristické snímky a) povrchu a b) příčného řezu PEO vrstvy připravené na hořčíkové slitině, pořízené pomocí skenovací elektronové mikroskopie.

 

Některé kovy se dokážou po výrazné deformaci vrátit zpět do původního tvaru. Tento jev, nazývaný superelasticita, souvisí s reverzibilní přeměnou krystalové struktury. Právě díky tomu se tyto uplatňují v medicíně - například ve stentech či ortodontických drátech, kde jsou klíčové mechanické vlastnosti, biokompatibilita a spolehlivost. Nová slitina Ti–11Nb–18Zr–3Sn patří mezi slibné bezniklové materiály s velkou vratnou deformací a dobrou biologickou snášenlivostí.

Cílem projektu je porovnat chování této slitiny při tahu a tlaku; a ukázat, že nejde jen o „opačný“ experiment. Při zatížení dochází k tzv. napětím indukované martenzitické přeměně z kubické fáze na méně symetrickou martenzitickou fázi, která je spojena s anisotropní (směrově závislou) deformací krystalové mřížky. Jednotlivé varianty martenzitu odpovídají různým smykovým deformacím, takže v tahu se preferenčně aktivují ty kompatibilní s prodloužením, zatímco v tlaku jiné. Transformace navíc závisí i na hydrostatické složce napětí a orientaci zrn, takže kritické podmínky nejsou v tahu a tlaku symetrické; současně se odlišně uplatňují i plastické mechanismy (skluz či dvojčatení). Výsledkem je, že stejný materiál může vykazovat rozdílné transformační napětí, velikost vratné deformace i stabilitu cyklické odezvy v tahu a v tlaku.

Naše dosavadní výsledky (Obr. 1) ukazují, že při cyklickém tahu má tato slitina velmi stabilní odezvu a dosahuje vysokou pevnost i superelasticitu v blízkosti tělesné teploty, což je ideální pro biomedicínské aplikace.

Obr. 1. Tahové deformační zkoušky na slitině Ti-11Nb-18Zr-3Sn za různých teplot vykazující kombinaci vysoké pevnosti a vratné deformace kolem pokojové teploty (černá křivka).

Projekt propojuje experimentální mechaniku, fyziku fázových přeměn a aplikace v medicíně. Student získá zkušenosti s mechanickým testováním a naučí se, proč se tentýž materiál může chovat zásadně odlišně v tahu a v tlaku, a jak toho lze využít při návrhu moderních „chytrých“ materiálů. Na výstupy projektu může navazovat bakalářská nebo diplomová práce a zapojení se do projektů probíhajících na katedře.

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 a jeho slitiny se široce využívají v různých průmyslových odvětvích díky své mimořádné korozní odolnosti a výborným mechanickým vlastnostem. Jejich nízký účinný průřez pro absorpci tepelných neutronů je činí zvláště vhodnými jako konstrukční materiály v jaderných reaktorech. V současnosti se používají především slitiny na bázi binárních systémů Zr–Sn (Zircaloy) a Zr–Nb. Komplexnější ternární systémy Zr–Nb–Fe/Cr/Al a Zr–Sn–Fe/Cr však zůstávají navzdory svému aplikačnímu potenciálu dosud nedostatečně prozkoumány.

Předmětem projektu je studium těchto nových zirkoniových slitin zpracovaných rotačním kováním, které patří mezi hlavní metody výroby komponent pro jaderné reaktory. Takto zpracované ternární slitiny vykazují velmi vysokou pevnost i výrazné deformační zpevnění; cílem projektu je proto zkoumat vliv jejich struktury na tyto vlastnosti.

Student bude seznámen s experimentálními metodami charakterizace kovových materiálů, jako je skenovací elektronová mikroskopie pro studium mikrostruktury či rentgenová difrakční analýza pro určování fázového složení a krystalografické textury (preferenční orientace zrn) a dalšími metodami jako měření mikrotvrdosti a CGHE.

Projekt zároveň představuje vhodný základ pro případnou navazující bakalářskou či diplomovou práci.Obrázek 1: Krystalografická textura Zr slitiny po rotačním kování.

Laser powder bed fusion je moderní způsob přípravy vzorků, během kterého se výsledný vzorek vyrábí vrstvu po vrstvě kompaktizací práškového materiálu pomocí laserového paprsku. Touto metodou lze nejen ovlivnit výsledný tvar, ale i mikrostrukturu, chemické složení, a tedy i mechanické vlastnosti.

Tradiční oceli (304, 316, oceli s vysokým podílem manganu) jsou velmi perspektivní pro použití v kombinaci s metodami 3D tisku. Tyto materiály se vyznačují speciálními deformačními mechanismy (martensitická transoframce/dvojčatění) které jim poskytují jedinečné mechanické vlastnosti. Tyto mechanismy jsou ovšem silně závislé na počáteční mikrostruktuře a na teplotě deformace.

V rámci projektu se budou zkoumat mechanické vlastnosti materiálů z různými mikrostrukturami za zvýšených a snížených teplot. Během mechanických zkoušek bude měřena současně i rezistivita vzorku, která je velmi citlivá na fázové složení materiálu.

Řešitel(ka) bude v rámci projektu zapojen(a) do probíhajícího výzkumu a aktivně se zapojí do přípravy vzorků, provádění experimentů i vyhodnocení získaných dat. Projekt je možné rozšířit na bakalářskou nebo diplomovou práci.

Obrázek 1. Mirostruktura oceli 304 po deformaci za pokojové teploty a za teploty suchého ledu.

Titanové slitiny patří mezi perspektivní konstrukční materiály díky kombinaci vysoké pevnosti, nízké hmotnosti a možnosti cíleně řídit jejich vlastnosti prostřednictvím mikrostruktury. Zvláštní skupinu představují metastabilní β titanové slitiny, jejichž mechanické chování je mimořádně citlivé na způsob zpracování a historii deformace. V posledních letech se proto zvyšuje zájem o jejich studium při využití moderních aditivních technologií, které vystavují materiál extrémním podmínkám zatížení. Metoda cold spray, založená na intenzivní plastické deformaci částic bez jejich natavení, otevírá nové možnosti, jak vytvářet unikátní mikrostruktury, které nelze klasickými technologiemi dosáhnout.

Navrhovaný studentský projekt je součástí probíhajícího výzkumu zaměřeného na cold spray additive manufacturing (CSAM), tedy aditivní výrobu v pevném stavu, která umožňuje vytvářet kompaktní kovové materiály bez natavení prášku. Projekt tematicky navazuje na výzkum v rámci výzkumných aktivit Katedry fyziky materiálů.

Hlavním cílem práce je experimentální studium mikrostruktury a vybraných mechanických vlastností β titanové slitiny Ti 5Al 5Mo 5V 3Cr (Ti 5553) připravené metodou cold spray. Důraz bude kladen na analýzu vývoje mikrostruktury při extrémní plastické deformaci během depozice a na hodnocení obsahu intersticiálních příměsí, zejména kyslíku a dusíku, které mohou významně ovlivnit výsledné vlastnosti materiálu.

Student(ka) se v průběhu projektu seznámí s přípravou metalografických vzorků a osvojí si vybrané experimentální metody, zejména světelnou a skenovací elektronovou mikroskopii (SEM), měření mikrotvrdosti a metodu horké extrakce nosným plynem pro stanovení kontaminace materiálu. Výsledky budou zpracovány a diskutovány ve formě odborné zprávy. Projekt představuje kvalitní vstup do experimentálního výzkumu pokročilých kovových materiálů a může sloužit jako základ pro navazující bakalářskou nebo diplomovou práci.

 

Niklové slitiny nachází uplatnění v leteckém průmyslu díky odolnosti při vysokých teplotách. Spojení s titanovými slitinami v méně namáhaných částech nabízí výrazné snížení hmotnosti komponenty. Spojení niklu a titanu však není přímočaré kvůli tvorbě intermetalických fází na rozhraní, jež způsobuje zhoršení mechanických vlastností. Tomu lze předejít použitím vhodných mezivrstev.

Cílem projektu bude zkoumat mikrostrukturu spoje niklové slitiny Inconel 718 s titanovou slitinou Ti-6Al-4V s mezivrstvami bohatými na měď a niob, připravené aditivní výrobou – 3D tisk. Pomocí skenovací elektronové mikroskopie budou popsány jednotlivé vrstvy na rozhraní. Jejich struktura bude korelována s měřením mikrotvrdosti jednotlivých vrstev.

Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s experimentálními metodami na katedře fyziky materiálů (skenovací elektronová mikroskopie, měření mechanických vlastností). Získané výsledky zpracuje do stručné zprávy. Studentský projekt je dobrým východiskem pro následnou bakalářskou práci.

 

Obrázek: Chemická analýza spoje Ni a Ti v raketové trysce.

V nedávném období se materiálový výzkum začal zaměřovat na novou skupinu kovových slitin zvaných komplexní koncentrované (nebo vysokoentropické) slitiny, které obsahují vysoké koncentrace čtyř a více kovových prvků. Tyto materiály vykazují řadu vynikajících vlastností, mezi něž patří zejména vysoká mechanická a korozní odolnost, a to i za velmi vysokých teplot. Na druhou stranu má však většina těchto slitin nízkou schopnost plastické deformace – jinými slovy, tyto materiály jsou poměrně křehké, což snižuje jejich aplikační potenciál.

Jednou z horkých témat v této oblasti se v posledních letech staly tzv. eutektické komplexní koncentrované slitiny, které díky specifickým mikrostrukturním vlastnostem mohou disponovat relativně vysokou plasticitou. Na Fig. 1 můžete vidět mikrostrukturu slitiny FeAlCrNi vyvíjené na naší katedře. Je tvořena dvěma fázemi, a to pevnou ale křehkou bcc fází bohatou na Al a Ni a plastickou B2 fází bohatou na Fe a V. Slitina má slibné mechanické i oxidační vlastnosti (Fig. 2) až do teplot dosahujících 800 °C.

Širším záměrem tohoto výzkumu je cílená modifikace mikrostruktury slitiny FeAlCrNi pomocí optimalizace složení a termo-mechanického zpracování, a to za účelem dosažení vlastností konkurujících současným slitinám používaným v praxi.

Cílem studentského projektu je příprava a charakterizace slitiny FeAlCrNi a příměsemi prvků B, C, Y, které mohou synergicky vést ke zlepšení požadovaných vlastností (pevnost, plasticita, oxidační vlastnosti) při teplotách alespoň do 800 °C. Student se během řešení projektu seznámí s přípravou materiálů pomocí metody “arc-melting“, s charakterizací mikrostruktury světelnou/elektronovou mikroskopií, a s mechanickým a oxidačním testováním připravených slitin.

Na výstupy projektu může navazovat bakalářská nebo diplomová práce a zapojení se do projektů probíhajících na katedře.

Projekt se zaměřuje na přípravu a detailní zkoumání prášků vysoce výkonných slitin typu RCCA (Refractory Complex Concentrated Alloys) připravených z kovových hydridů metodou Radio Frequency Plasma Spheroidization (RFPS). Hlavním cílem je získat homogenní, sférické prášky s optimální distribucí velikostí částic vhodných pro aditivní výrobu, přičemž se zachovávají jedinečné mikrostruktury vznikající při extrémně rychlém ochlazení až 10⁵ K/s.

Použití kovových hydridů místo čistých kovových prášků přináší řadu výhod – hydridy jsou cenově dostupnější a během RFPS lze provést in-situ dehydrogenaci, čímž vznikají čisté, sférické částice s minimem nečistot. Takto připravené prášky jsou ideální pro aditivní výrobu složitých komponent, protože umožňují přesně kontrolovat mikrostrukturu a mechanické vlastnosti výsledného materiálu – můžou být třeba vhodné pro inovativní metodu cold-spray additive manufacturing. Schematické znázornění postupu přípravy a následné použití prášku je na přiloženém obrázku.

 

Student se během projektu seznámí s přípravou vzorků, pokročilými experimentálními metodami a interpretací mikrostrukturálních dat. Bude analyzovat morfologii a mikrostrukturu prášků pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM), sledovat chemické složení a úroveň kontaminace kyslíkem či dusíkem a zároveň studovat proces in-situ dehydrogenace hydridových prášků během RFPS.

Tento výzkum poskytuje studentovi jedinečnou příležitost pracovat s moderními práškovými materiály, osvojit si pokročilé experimentální techniky a získat praktické zkušenosti s přípravou materiálů pro aditivní výrobu. Projekt tak může sloužit jako kvalitní základ pro bakalářskou nebo diplomovou práci a zároveň umožní podílet se na řešení aktuálních výzev materiálového inženýrství, jako je kontrola mikrostruktury, mechanických vlastností a čistoty vysoce výkonných slitin.

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.

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.

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.

Textura, tedy krystalografická orientace jednotlivých zrn v materiálu, výrazně ovlivňuje mechanické vlastnosti kovových materiálů. V některých materiálech (např. oceli, slitiny Ti), dochází během plastické deformace k významné změně textury, jež je úzce spjata s aktivací specifických deformačních mechanismů, jako je dvojčatění nebo TRIP efekt.

Tento projekt se zaměřuje na vyhodnocení vývoje textury během tahových a tlakových zkoušek pomocí analýzy 2D synchrotronových difrakčních dat. Difrakční záznamy byly pořízeny v DESY photon science center a budou vyhodnoceny pomocí programu GSAS-II. 2D difrakční záznamy budou integrovány do klasických dat intenzit v závislosti na úhlu 2Θ pro různé azimutální směry. Následně bude provedena analýza vývoje textury v průběhu deformace.

Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s pokročilými metodami vyhodnocení difrakčních záznamů. Na základě výstupů ze studentského projektu je možné připravit téma pro bakalářskou/diplomovou práci.

Obrázek 1. Postup vyhodnocení změny textury během deformace z dat ze synchrotronu.

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 válcování za tepla – hot-roll bonding. Výchozími materiály jsou hliníková slitina typu AA1070 a ocel 304. Materiály jsou spojeny válcováním za dvou různých teplot – 450 a 500 °C. Bude určena kinetika růstu intermetalické  fáze mezi hliníkem a ocelí pomocí skenovacího elektronového mikroskopu. Bude provedeno měření mikrotvrdosti k vyhodnocení vlivu žíhání na vývoj jednotlivých vrstev. Bude vyhodnocen vliv teploty válcování na chování materiálu.

Řešitel/ka se v rámci projektu seznámí s experimentálními metodami na katedře fyziky materiálů (skenovací elektronová mikroskopie, měření mechanických vlastností). Řešitel/ka provede pozorování ve skenovacím elektronovém mikroskopu a měření mikrotvrdosti. 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 ve skenovacím elektronovém mikroskopu.

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.

Moderní austenitické oceli, vyrobené metodou 3D tisku jsou perspektivní materiály pro širší užití v průmyslu. Jejich jedinečné vlastnosti, které kombinují vysokou pevnost a tažnost jsou dány specifickými deformačními mechanismy, jako je dvojčatění nebo martenzitická transformace. Ty jsou pak spojeny se směrem namáhání a počáteční texturou.

V rámci tohoto projektu budeme deformovat různě texturované vzorky do malých deformací a budeme pozorovat vývoj mikrostruktury. U některých zrn budeme pozorovat, že transformovala, případně se v nich objevila dvojčata. Protože dvojčatění i transformace mají pevně dané krystalografické vazby, můžeme zrekonstruovat původní mikrostrukturu. Našim cílem pak bude udělat statistiku transformovaného podílu v závislosti na krystalografické orientaci zrn.

Řešitel(ka) bude v rámci projektu zapojen(a) do probíhajícího výzkumu a aktivně se zapojí do přípravy vzorků, provádění experimentů i vyhodnocení získaných dat. Projekt je možné rozšířit na bakalářskou nebo diplomovou práci.

Obrázek 1. Deformovaná mikrostruktura, zrekonstruovaná mikrostruktura a transformovaný objem v závislosti na orientaci zrna.