Vedoucí: Jan Čupera

Materiálový výzkum budoucnosti: Ovládni elektronovou mikroskopii a MATLAB! Zajímá tě, jak vypadá svět kovů s rozlišením, kam už lidské oko nedohlédne? Chceš se naučit pracovat s nejmodernějšími mikroskopy TESCAN a Zeiss a zároveň proniknout do světa programování v MATLABu?

V rámci této SOČ na ÚMVI VUT v Brně se staneš součástí týmu, který vyvíjí inovativní metodu ECCI pro analýzu struktury kovových materiálů. Naučíme tě vzorky nejen připravit a nasnímat, ale i softwarově zpracovat a validovat výsledky pomocí pokročilé EBSD analýzy. Pokud hledáš téma, které kombinuje precizní laboratorní práci s moderním programováním a chceš získat unikátní náskok pro své budoucí studium, toto téma je právě pro tebe!

Vedoucí: Miroslava Horynová

Cílem práce bude hodnocení vlivu výroby na strukturní heterogenitu a korozní rychlost tenké stěny vyrobené metodou WAAM z hořčíkové slitiny. Jedná se o velkoobjemovou metodu 3D tisku kovů, při které se využívá obloukového navařovaní. Za pomoci robotického ramene se součást postupně staví vrstvu po vrstvě díky odtavování drátové elektrody. Tato technologie umožňuje rychlou výrobu součásti s minimálním odpadem a oproti aditivním technologiím s pracovní komorou není limitovaná pro stavbu velkých součástí. Nevýhodou je, že takto vyrobený materiál vykazuje anizotropii vlastností a strukturní heterogenitu, která může dále ovlivňovat vlastnosti a použití vyrobené součásti.

Student se seznámí s technologií WAAM a připraví vzorky pro mikrostrukturní analýzu a korozní zkoušky. Koroze bude hodnocena na vzorcích z různých částí tenké stěny pomocí metody založené na měření vývoje vodíku. V rámci mikrostrukturní analýzy bude student hodnotit tvar a velikost zrna, porozitu, typ a množství fází a změny v jednotlivých částech vzorku vzhledem k procesu výroby (jednotlivé vrstvy, spodní, střední a horní část stěny).

Výsledky budou sloužit k ověření optimalizace procesu, student je zpracuje a porovná s dříve provedenými pilotními testy a dostupnou literaturou.

Vedoucí: Roman Štěpánek

Grafitické litiny nachází široké uplatnění i v pokročilých aplikacích. Kombinace jejích mechanických vlastností a výrobních nákladů z ní dělají např. jeden z vhodných materiálů pro výrobu skříní plynových turbín. V závislosti na použitém plynu ovšem v této aplikaci hrozí tzv. vodíková křehkost, kdy daný materiál ztratí svou houževnatost při činnosti v prostředí bohatém na vodík, což může vést v krajním případě až k havárii. Přestože grafitické litiny jsou méně náchylné na vodíkové zkřehnutí než jiné materiály, rizika zde existují.

V rámci tohoto projektu se student seznámí s podstatou samotné problematiky vodíkové křehkosti a bude analyzovat vliv vodíkového prostředí na reálnou součástku. V rámci analýzy budou prováděny zkoušky tahem a následně bude prováděna fraktografická analýza na získaných lomech. Dále bude student také analyzovat mikrostrukturu, aby odlišil vliv vodíkové prostředí od strukturních vlivů. Výsledky budou kvantifikovány, a bude posouzena míra rizik a vhodnost dané aplikace.

Vedoucí: Petr Havlík

Titanové slitiny jsou běžně známé především jako materiál pro kosmický a letecký průmysl. Své uplatnění však nacházejí v řadě dalších oborů. To je dáno specifickými vlastnostmi titanových slitin, mezi které patří vysoká pevnost, nízká hustota, korozní odolnost a biokompatibilita. Rozšíření použití titanových slitin je podpořeno možností tepelného zpracování vybraných titanových slitin. Jde především o dvoufázové titanové slitiny, mezi které patří nejrozšířenější slitina Ti-6Al-4V. Tento typ slitin umožňuje tepelné zpracování s překrystalizací čímž lze získat široké spektrum výsledných mikrostruktur a tím také možnost rozšířit spektrum mechanických vlastností titanových slitin. Důležitá je tedy znalost vlivu teploty a rychlosti ochlazování při tepelném zpracování na výslednou mikrostrukturu titanové slitiny.

Během tohoto projektu bude student seznámen a zapojen do problematiky tepelného zpracování titanových slitin. Náplní projektu bude zhotovení vybraných postupů tepelného zpracování na dvoufázové titanové slitině. Dalším krokem bude metalografické hodnocení pomocí světelné a elektronové mikroskopie a měření tvrdosti pro vyhodnocení vlivu tepelného zpracování na výslednou mikrostrukturu titanové slitiny. Výsledky projektu budou dále použity jako studijní materiál při výuce problematiky titanových slitin v rámci studia materiálového inženýrství. Projekt tak nabízí jedinečnou možnost získat praktické zkušenosti, rozvíjet své technické dovednosti a prvotní průnik do studia materiálového inženýrství.

Vedoucí: Ondřej Adam

Jak se materiál mění při zahřívání? A jak tyto změny ovlivňují jeho vlastnosti? Porozumět těmto procesům je klíčem například k návrhu správného postupu tepelného zpracování nebo k zjištění maximální bezpečné aplikační teploty. Reakce, ke kterým v materiálu dochází lze popsat nejen teplotou, ale také jejich rychlostí – kinetikou. Studium kinetiky umožňuje pochopit mechanismus, kterým reakce probíhá, a také vytvářet simulace průběhu reakce při různých teplotních cyklech.

Cílem projektu bude vytvořit modelový příklad kinetické analýzy popouštění kalené oceli a určit aktivační energii této reakce – tedy údaj, který říká, jak „snadno“ daná reakce probíhá při zvýšené teplotě. Pro určení kinetických parametrů budou porovnány dva přístupy. V klasickém postupu se využije sada vzorků popouštěných při různých teplotách a časech. Ze vzorků budou připraveny metalografické výbrusy a pomocí mikrostrukturní analýzy se vyhodnotí množství popuštěného martenzitu. Druhý přístup bude založen na měření pomocí diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) a zpracování získaných dat ve specializovaném kinetickém softwaru.

Oba způsoby budou vzájemně porovnány a kvalita získaných kinetických parametrů bude ověřena simulací tepelného zpracování. Projekt tak umožní pochopit nejen teorii, ale i praktické postupy používané v moderní materiálové vědě. Výsledky projektu budou využity jako základ pro laboratorní úlohy a výuku zaměřenou na termodynamiku a kinetiku fázových přeměn.

Vedoucí: Karel Němec

Cílem práce je seznámení se studenta s problematikou výroby a provozu rámů jízdních kol ze slitin hliníku. Důležité je pochopení problematiky svařování těchto materiálů a jejich tepelného zpracování a z toho plynoucí výhody a omezení při použití slitin hliníku ve veloprůmyslu. Především je třeba určit rizikové faktory pro vznik poškození u výrobků z těchto slitin, konkrétně rámů kol. Praktickým výstupem tohoto projektu bude analýza prasklého rámu jízdního kola za využití strukturního rozboru materiálu v oblasti poškození a také stanovení základních charakteristik mechanických vlastností materiálu.

Vedoucí: Simona Hutařová

Je to tak. I korozně odolné oceli korodují. Jde o to, jak rychle korodují a v jakém prostředí. Jsou různé druhy korozně odolných ocelí, které se hodí na určité aplikace, mají své výhody a nevýhody.

Nemagnetická austenitická ocel AISI304L je jedna z nejpoužívanějších ocelí v praxi v oblasti korozivzdorných ocelí. Je velmi tvárná, snadno zpracovatelná a dobře svařitelná. Díky svému chemickému složení má výbornou korozní odolnost a minimální riziko vzniku mezikrystalové koroze po svařování. Je široce používaná ve zdravotnictví, potravinářském a chemickém průmyslu. Pokud ji nevyrobíme konvenční cestou (tj. tvářením), ale např. moderní aditivní technologií, může to mít vliv na korozní vlastnosti této oceli.

Cold spray, tj. studená kinetická depozice, je moderní pokročilá aditivní technologie tvorby nástřiků, kde je kovový prášek (např. kulaté částice oceli) unášen v plynu a deponován na povrch nadzvukovou rychlostí. Jednotlivé částice takto nanesené na povrch se zdeformují, zaklesnou do sebe a tak postupně tvoří vrstvu. Protože se tato technologie používá na tvorbu povlaků, k renovaci opotřebovaných součástek nebo k tvorbě nových konstrukčních dílů se složitou architekturou je žádoucí studovat i případnou změnu v korozním chování materiálu.

V rámci tohoto projektu bude student/ka porovnávat korozní odolnost oceli AISI 304L vyrobenou konvenčním tvářením (plech) a aditivní technologií Cold Spray v prostředí chloridů, tj. v prostředí mořské vody. Předem připravené vzorky budou ponořeny do mořské vody a po několika týdnech budou postupně vyjímány z tohoto korozního prostředí. Student/ka bude měřit hmotnostní úbytky na základě vážení vzorků před expozicí a po expozici a stanoví tak rychlost koroze. Také bude studovat, jak se koroze projevuje a jak se šíří vzorkem pomocí pozorování na světelném a elektronovém mikroskopu. Výstupem práce bude určení korozní rychlosti a vyhodnocení, zda aditivní technologie ovlivňuje korozní odolnost jinak korozně odolné oceli 304L. Výsledky budou sloužit jako podklad pro další výzkum a budou použity v rámci výuky.

Vedoucí: Klára Částková

Cílem práce bude příprava vícemateriálových struktur na bázi Ca-P pomocí 3D tisku s potenciální aplikací v oblasti inženýrství kostních tkání.

Výzkum v oblasti materiálů pro náhradu kostí směřuje k přípravě struktur napodobující přirozené tkáně se složitou strukturou poskytující optimální biologickou odezvou a současně mechanickou oporu. Keramické materiály jako anorganické materiály, chemicky a mechanicky stabilní, netoxické jsou ideálními adepty pro tyto náhrady. Pokrokové aditivní technologie, které umožňují vytvářet složité a přesné struktury a současně kombinovat různé materiály v rámci jednoho objektu, jsou pak perspektivní pro výrobu těchto komplexních materiálů. Výzkumná práce se proto bude zabývat syntézou a kombinací keramických materiálů a jejich zpracováním pomocí 3D tisku (metoda DLP – Digital Light Processing) a vyhodnocením výsledné mikrostruktury a fázového složení připravené keramiky.

Budou zkoumány zejména možnosti (parametry) chemické syntézy a kombinace syntetizovaných materiálů na bázi fosforečnanů vápenatých pro přípravu tisknutelných suspenzí. Bude testován tisk těchto suspenzí pomocí DLP technologie, teplotní zpracování vytištěných struktur a stanovena jejich mikrostruktura a složení. Budou vyhodnoceny vztahy mezi procesními a strukturními parametry s návrhem optimalizace procesu pro vznik bezdefektní keramické struktury vhodné pro náhrady pevných tkání.

Vedoucí: Lukáš Řehořek

Moderní bezpečnostní a armádní složky vyžadují lehkou, ale vysoce účinnou balistickou ochranu. Ústav materiálových věd a inženýrství (ÚMVI FSI VUT) vyvíjí novou generaci pancířů pomocí inovativní technologie Cold Spray. Tyto kompozitní povlaky kombinují lehkou a pevnou titanovou matrici (Ti6Al4V) s extrémně tvrdými keramickými částicemi karbidu křemíku (SiC), které mají za úkol efektivně tříštit dopadající projektily. Pro maximalizaci balistické odolnosti je materiál následně vysokoteplotně zpracován (>1000 °C), čímž dochází k masivní difuzi a vzniku zcela nových fázových struktur (např. Ti5S3 a TiC). Vizualizace těchto fází je však kvůli vysoké chemické odolnosti titanu a přítomnosti niklové mezivrstvy značně obtížná.

Předkládaná práce se zaměřuje na vyřešení tohoto kritického bodu výzkumu: experimentální optimalizaci selektivního chemického leptání a následnou identifikaci nově vzniklých fází pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM). Výstupem je optimalizovaný metalografický protokol, který umožní hlubší pochopení vztahu mezi strukturou a balistickou odolností těchto pokročilých materiálů.

Vedoucí: Jakub Judas

3D tisk kovů a jejich slitin představuje v současné době velmi perspektivní způsob výroby pokročilých materiálů a strojních součástí. Tato technologie umožňuje vytvářet komponenty přímo ve finálním tvaru, čímž se značně snižuje potřeba následného, často nákladného a časově náročného obrábění. Jednou z nejpopulárnějších metod 3D tisku kovů je technologie LPBF (Laser Powder Bed Fusion), jejíž princip je založen na postupném nanášení tenkých vrstev kovového prášku, které jsou následně přetavovány a svařovány pomocí skenujícího laseru.

Slitiny připravené touto technologií vykazují unikátní vnitřní strukturu, která se výrazně odlišuje od mikrostruktury materiálů vyrobených konvenčními metodami (tváření, lití). Opakované přetavování kovového prášku laserovým paprskem vede ke vzniku velkého množství mikrosvarů ve struktuře materiálu. To spolu s extrémními rychlostmi ochlazování v průběhu procesu tisku přispívá ke vzniku velmi jemnozrnné a kompaktní mikrostruktury, která výslednému materiálu poskytuje pozoruhodnou kombinaci mechanických a fyzikálních vlastností.

Práce bude zaměřena na stanovení únavové odolnosti 3D tištěné hliníkové slitiny (AlSi9Cu3Ni), která sehrává významnou roli zejména v oblasti automobilového průmyslu. Cyklické testování bude probíhat na moderním únavovém stroji s pohonem na bázi lineárního motoru s cílem stanovit únavovou životnost připravených zkušebních vzorků. Únavové zkoušky budou dále doplněny o pozorování získaných lomových ploch pomocí elektronového mikroskopu za účelem identifikace mechanismu porušování slitiny. Součástí činnosti bude také průběžná práce v metalografické laboratoři, kde budou připraveny vzorky pro pozorování mikrostruktury studované hliníkové slitiny.

Vedoucí: Martin Zelený

Algoritmy strojového učení zažívají v současné době velký rozvoj a nachází své uplatnění i v materiálových vědách. S jejich využitím je možné získat informace o vazbách mezi atomy, které lze následně využít k počítačovým simulacím reálných systémů a předpovídat například teploty tání nových materiálů bez nutnosti jejich experimentální přípravy. Aplikace těchto algoritmů vyžaduje rozsáhlé databáze dat, na kterých může strojové učení probíhat. Tyto data lze získat s pomocí ab initio metod, které efektivně simulují jednoduché systémy pouze na základě znalosti základních přírodních zákonů a nepotřebují žádné vstupy z experimentů.
Cílem práce je naprogramování automatizovaných procedur v jazyce Python pro spouštění ab initio výpočtů a vytvoření databáze vazebných sil mezi různými atomy v krystalických látkách, která bude vhodná pro strojové učení.

Vedoucí: Lukáš Řehořek

Technologie Cold Spray je moderní nástroj v oblasti povrchových úprav, který umožňuje vytváření pevných povlaků na různé materiály bez nutnosti vysokých teplot. Tato metoda pracuje na principu stříkání mikroskopických částic materiálu na povrch substrátu pomocí vysokorychlostního proudu plynu, což vede k jejich mechanickému a metalurgickému zakotvení a vytvoření pevného kompozitního nástřiku. Jelikož proces nepotřebuje vysoké teploty, nedochází k významnému tepelnému poškození substrátu. To umožňuje aplikaci na širokou škálu materiálů, včetně těch tepelně citlivých.
Využití technologie Cold Spray je široké, od oprav poškozených dílů v leteckém a automobilovém průmyslu, přes vytváření ochranných povlaků v energetice, až po aplikace v biomedicíně pro výrobu implantátů. Její flexibilita a efektivita otevírají nové možnosti pro materiálové inženýrství a výrobu.
V rámci tohoto projektu bude student přímo zapojen do výrobního procesu pomocí technologie Cold Spray. Získá příležitost seznámit se s principy této inovativní metody, přičemž si prakticky vyzkouší tvorbu kompozitních materiálů. Hlavním úkolem bude studium materiálového složení kompozitů, kde se bude věnovat zkoumání vzájemné depoziční efektivity jednotlivých složek. Pomocí metalografických výbrusů bude analyzovat mikrostrukturu vytvořených kompozitů a pomocí mikrotvrdoměru a nanoindentoru zjišťovat základní mechanické vlastnosti nástřiků, jako je tvrdost a moduly pružnosti. Projekt nabízí studentům jedinečnou možnost získat praktické zkušenosti, rozvíjet své technické dovednosti a hlouběji porozumět materiálovému inženýrství.