Vývoj a charakterizace žárupevných komplexně koncentrovaných slitin pro pokročilé aplikace

• Název práce v češtině: Vývoj a charakterizace žárupevných komplexně koncentrovaných slitin pro pokročilé aplikace
• Název v anglickém jazyce: The design and characterization of refractory complex-concentrated alloys for advanced applications
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky materiálů (32-KFM)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Ing. Michal Knapek, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Doktorand během řešení disertační práce:
1) Vypracuje rešerši dostupné literatury se zaměřením na deformační chování kovových materiálů (zejména komplexních koncentrovaných slitin ve srovnání s tradičními materiály).
2) Bude provádět charakterizaci deformačních procesů ve vybraných perspektivních systémech pokročilých komplexních koncentrovaných slitin (např. slitiny s dvoufázovou mikrostrukturou podobnou superslitinám) za využití kombinace mechanických testů s in-situ monitorováním akustické emise, digitální obrazové korelace a mikroskopických pozorování. Kromě toho bude využívat další doplňkové experimentální metody (zejména transmisní elektronová mikroskopie, rentgenová a neutronová difrakce) i v spolupráci s partnerskými institucemi.
3) Pro komplexní charakterizaci deformační dynamiky bude využívat pokročilé metody analýzy získaných dat.
4) Bude se aktivně podílet na vylepšování (pokročilá optimalizace mikrostruktury) a návrhu nových komplexních koncentrovaných slitin (složení/termomechanické zpracování) s cílem dosažení kombinace vysoké pevnosti a tažnosti za pokojové a zejména vysoké teploty.
5) Bude diskutovat dosažené výsledky s cílem porozumět mechanismům plastické deformace v komplexních koncentrovaných slitinách, což bude vést k možnosti systematického návrhu nových slitin s požadovanými mechanickými vlastnostmi.

Seznam odborné literatury

M.C. Gao, J.-W. Yeh, P.K. Liaw, Y. Zhang, eds., High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications, Springer International Publishing, Cham, Switzerland, 2016.

E.P. George, W.A. Curtin and C.C. Tasan, High entropy alloys: A focused review of mechanical properties and deformation mechanisms, Acta Materialia 188, pp. 435-474, 2020.

M. Knapek, J. Pešička, P. Lukáč, P. Minárik, R. Král, Peculiar serrated flow during compression of an FeAlCrMo medium-entropy alloy, Scripta Materialia 161, pp. 49-53, 2019.

D.B. Miracle, O.N. Senkov, A critical review of high entropy alloys and related concepts, Acta Materialia 122, pp. 448-511, 2016.

B.S. Murty, J.-W. Yeh, S. Ranganathan, High-entropy Alloys, Butterworth-Heinemann (Elsevier), London, UK, 2014.

O.N. Senkov, G.B. Wilks, D.B. Miracle, C.P. Chuang, P.K. Liaw, Refractory high-entropy alloys, Intermetallics. 18, pp. 1758–1765, 2010.

O.N. Senkov, D.B. Miracle, K.J. Chaput, J.-P. Couzinie, Development and exploration of refractory high entropy alloys—A review, J. Mater. Res. 33, pp. 3092–3128, 2018.

Předběžná náplň práce

Komplexně koncentrované slitiny (complex-concentated alloys - CCA) a jejich podmnožina známá jako slitiny s vysokou entropií (high-entropy alloys - HEA) jsou nové kovové materiály založeny na několika klíčových prvcích ve vysoké koncentraci (v případě rigorózní definice HEA se musí jednat o 5 a víc prvků s koncentrací 5 až 35 at.%). Tyto slitiny představují nový směr v materiálovém výzkumu ve srovnání s tradičními slitinami založenými na jednom nebo dvou klíčových prvcích a nízké koncentraci příměsí.

Slitiny s vysokou entropií mají obyčejně kubickou krystalickou strukturu (fcc/bcc) s náhodně obsazovanými pozicemi krystalické mříže atomy jednotlivých prvků. Vysoká konfigurační entropie slitiny stabilizuje náhodný substituční tuhý roztok, což vede k atraktivním fyzikálním vlastnostem, jako např. výborná pevnost, vysoká odolnost vůči radiačnímu poškození a dobrá oxidační stabilita. Podskupina těchto materiálů charakterizovaná složením převážně z přechodových kovů III. až VI. skupiny periodické tabulky se nazývá žárupevné komplexně koncentrované slitiny. Tyto materiály vykazují extrémní pevnost při vysokých teplotách, přičemž limitujícími faktory jsou obvykle nižší tažnost a vysoká hustota.

Cílem práce je lepší pochopení deformačního chování těchto mikrostrukturálně složitých systémů, kde již klasické teorie deformačního chování neposkytují dostatečnou oporu. Práce naváže na relativně nový výzkum v této oblasti v posledním desetiletí a zkoumané slitiny budou částečně vycházet ze současných trendů ve vědecké literatuře. Současně bude kladen důraz na eliminaci externalit neefektivní metody „pokus-omyl“ a složení slitin bude cíleně voleno na základě dostupných experimentálních dat a teoretických znalostí (např. modelování fázových diagramů pomocí CALPHAD). Výsledkem bude optimalizace složení (zejména substituce těžkých vhodnými lehkými prvky) a mikrostruktury (termomechanické zpracování) vedoucí k systematickému zlepšení mechanických a dalších vlastností žárupevných komplexně koncentrovaných slitin. Charakteristiky těchto materiálů budou roveň kriticky srovnány s materiály, které nesplňují rigorózní definice žárupevnosti (prvky III. až VI. skupiny) a vysoké entropie (5+ prvků, 5 až 35 at.%).

Disertační práce má kombinovaný teoretický i experimentální charakter. Školící pracoviště disponuje moderním vybavením pro experimentální studium pokročilých kovových materiálů, kterých výzkum je předmětem disertační práce.

Předpokládané znalosti: Znalosti z fyziky materiálů odpovídající požadavkům magisterského studia oboru Fyzika kondenzovaných soustav a materiálů na MFF UK. Znalosti fyziky materiálů lze doplnit v prvním ročníku doktorského studia.