Studentské práce a projekty

PANACEA je patentovaná ocelová slitina s nízkým obsahem niklu. Duplexní oceli s nízkým obsahem niklu jsou velmi perspektivní při použití v medicíně, protože nehrozí alergická reakce na nikl ani další zdravotní komplikace při uvolňování niklových iontů do lidského těla. Zároveň mají dobré mechanické vlastnosti, se kterými lze manipulovat ať už způsobem výroby tak následným tepelným zpracováním.

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.

V rámci projektu bude analyzována změna fázového složení v závislosti na parametrech tisku a způsobu žíhání. Fázové složení bude vyhodnoceno analýzou dat z difrakčních měření provedených na synchrotronu, dále pak bude zkoumána mikrostruktura pomocí elektronové mikroskopie, konkrétně metodami EBSD a EDX.

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.

Hořčík a jeho slitiny obsahující biokompatibilními prvky představují perspektivní materiál pro určité biomedicínské aplikace. Modul pružnosti hořčíku je srovnatelný s hodnotami lidských kostí, což je výhodou pro přípravu ortopedických implantátů. Pro využití na poli přechodných ortopedických implantátů je dále atraktivní možnost využití kontrolovaného procesu degradace hořčíkových biomplantátů, který eliminuje potřebu následné operace k odstranění vloženého implantátu.

Pro rozšíření aplikací bioimplantátů na bázi hořčíku je, nicméně, mimo jiné, nutné zlepšení mechanických vlastností těchto materiálů. Limitaci přitom představuje zejména nedostatečná pevnost a tažnost využívaných slitin. Tyto nedostatky jsou způsobené vlastnostmi hexagonální mřížky s těsným uspořádáním, v níž se hořčík přirozeně vyskytuje. Tento typ krystalografické mřížky za tělesné teploty neposkytuje dostatečný počet snadno aktivovatelných nezávislých deformačních mechanismů, čímž komplikuje homogenní plastickou deformaci hořčíkových materiálů. Vhodná kombinace biokompatibilních legujících prvků a termomechanického zpracování může vést k výraznému zlepšení mechanických vlastností, a to jak na základě modulace parametrů krystalografické mřížky, tak v důsledku vzniku určitých žádoucích mikrostrukturních stavů či texturních komponent.

V rámci projektu bude zkoumán vliv kombinace biokompatibilních příměsových prvků Li a Y na aktivaci jednotlivých deformačních mechanismů v extrudovaných hořčíkových slitinách. Využity přitom budou pokročilé in-situ experimentální metody, kdy bude deformace materiálu doplněna záznamem signálu akustické emise a vysokorychlostní snímáním povrchu deformovaného materiálu s následným vyhodnocením digitální korelace obrazu.

Řešitel/řešitelka bude v rámci projektu zapojena do probíhajícího výzkumu a bude se aktivně zapájet do přípravy vzorků, provádění experimentů i vyhodnocení získaných dat. Projekt je možné rozšířit na bakalářskou nebo diplomovou práci.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

V rámci projektu budou zkoumány mechanické vlastnosti pomocí analýzy dat z neutronové difrakce. Mikrostruktura tištěných a deformovaných vzorků bude zkoumána pomocí elektronové mikroskopie.
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.