Rozvoj a využití moderních in-situ metod pro komplexní charakterizaci mechanických vlastností pokročilých kovových materiálů

• Thesis title in Czech: Rozvoj a využití moderních in-situ metod pro komplexní charakterizaci mechanických vlastností pokročilých kovových materiálů
• Thesis title in English: The development and application of modern in-situ techniques for complex characterization of mechanical properties of advanced metallic materials
• Key words: mechanické vlastnosti|deformace|in-situ metody|akustická emise|zpracování obrazu
• English key words: mechanical properties|deformation|in-situ techniques|acoustic emission|digital image correlation
• Academic year of topic announcement: 2021/2022
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Physics of Materials (32-KFM)
• Supervisor: RNDr. Ing. Michal Knapek, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 22.09.2021
• Date of assignment: 22.09.2021
• Confirmed by Study dept. on: 22.09.2021
• Advisors: doc. PhDr. RNDr. Josef Stráský, Ph.D.

Guidelines

Doktorand během řešení disertační práce:
1) Vypracuje rešerši dostupné literatury se zaměřením na pokročilé metody zkoumání deformačního chování kovových materiálů.
2) Bude podrobně charakterizovat deformační procesy ve vybraných pokročilých kovových materiálech (slitiny s vysokou entropií, funkčně gradované materiály, materiály s deformačně indukovanou martenzitickou transformací, apod.) Za tímto účelem bude realizovat mechanické testy v kombinaci 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 mechanických vlastností bude využívat pokročilé metody analýzy získaných (objemných) dat.
4) Bude se aktivně podílet na návrhu a vylepšování metodologie zmiňovaných in-situ experimentálních technik pro charakterizaci deformačního chování na mikroškále (časové i prostorové).
5) Bude diskutovat využitelnost a limity těchto in-situ experimentálních technik pro důkladné fyzikální porozumění mechanismům plastické deformace v kovových materiálech.

References

1. Kratochvíl P., Lukáč P., Sprušil B. : Úvod do fyziky kovů I, SNTL Praha, Czech Republic, 1984.
2. Gottstein G., Physical Foundations of Materials Science, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2004.
3. Practical Acoustic Emission Testing. The Japanese Society for Non-Destructive Inspection (eds.), Springer, Japan, 2016.
4. Blaber, J., Adair, B., Antoniou, A., 2015. Ncorr: Open-Source 2D Digital Image Correlation Matlab Software. Experimental Mechanics 55, 1105–1122.
5. Máthis, K., Chmelík, F., 2012. Exploring plastic deformation of metallic materials by the acoustic emission technique. Acoustic Emission, InTech, Rijeka 2012 23–48.
6. Knapek M., 2016. Study of cooperative dislocation phenomena in solids by the acoustic emission technique, Ph.D. diss., Charles University, Prague.
7. Čapek, J., Knapek, M., Minárik, P., Dittrich, J., Máthis, K., 2018. Characterization of Deformation Mechanisms in Mg Alloys by Advanced Acoustic Emission Methods. Metals 8, 644.
8. Drozdenko, D., Bohlen, J., Chmelík, F., Lukáč, P., Dobroň, P., 2016. Acoustic emission study on the activity of slip and twin mechanisms during compression testing of magnesium single crystals. Materials Science and Engineering: A 650, 20–27.

Preliminary scope of work

Mechanické vlastnosti (zejména deformační chování) kovových materiálů jsou jednou ze základních charakteristik kovových materiálů určujících jejich využití pro funkční a strukturální aplikace. Pro studium mechanických vlastností se léta využívaly konvenční metody jedno/více-osého zatěžování, měření (mikro)tvrdosti, lomové houževnatosti a únavových charakteristik. S rozvojem pokročilých metod, které zaznamenávají doplňkové informace během deformačních zkoušek (in-situ), je možné v současnosti zkoumat i další aspekty a fyzikální podstatu mechanismů plastické deformace na mikroškále.

Mezi tyto metody řadíme kupříkladu in-situ elektronovou mikroskopii, in-situ světelnou mikroskopii s ultra-rychlým obrazovým záznamem a in-situ metodu akustické emise. V průběhu řešení dizertační práce budou využity také velké výzkumné infrastruktury – studium plastické deformace in-situ s využitím synchrotronového záření (např. synchrotron Petra, DESY, Hamburg) či neutronové difrakce (ÚJF AV ČR, Řež u Prahy). Zatímco standardní mechanické zkoušky poskytují „globální“ informaci o odezvě materiálu na mechanické zatížení, zmiňované metody zaznamenávají lokální mikrostrukturní procesy doprovázející plastickou deformaci materiálu, a to s extrémně vysokým prostorovým a/nebo časovým rozlišením. Metoda akustické emise detekuje elastické vlny vznikající v materiálu v důsledku aktivace elementárních deformačních mechanismů – dislokačního skluzu a dvojčatění – v řádu zlomků mikrosekund. Ultra-vysokorychlostní kamerový záznam (miliony fps) v kombinaci se světelnou mikroskopií je pak schopen při obdobném časovém rozlišení zaznamenat dynamiku těchto procesů přímým pozorováním, které může být následně zpracováno prostřednictvím pokročilých algoritmů analýzy obrazu (např. digitální korelace obrazu – DIC) pro jejich přesnou časovou a prostorovou lokalizaci. Metody in-situ elektronové mikroskopie (deformační zařízení je umístněné přímo v mikroskopu) v neposlední řadě umožňují sledovat elementární deformační procesy až na atomární úrovni - v tomto případe je limitujícím faktorem omezené časové rozlišení a lokálnost metody, a proto je vhodné tuto metodu kombinovat s dalšími zmiňovanými metodami.

Na rozdíl od většiny disertačních prací vypisovaných Katedrou fyziky materiálů se tato práce nezaměřuje na vývoj v konkrétní oblasti materiálů (např. lehké a/nebo biokompatibilní slitiny, kterými se pracovníci a doktorandi KFM intenzivně zabývají), nýbrž na rozvoj metodologie in-situ experimentálních technik pro studium mechanismů plastické deformace v různých typech materiálů. Vypracování disertační práce vyžaduje důkladné porozumění mechanismům plastické deformace v materiálech s různou krystalickou strukturou, fázovým složením a materiálech dosud málo prozkoumaných. Mezi tyto materiály patří slitiny s vysokou entropií (HEA), slitiny vyrobené sintrováním elektrickým proudem, kompozitní, „pěnové“, hybridní či architekturované materiály, funkčně gradované materiály a materiály vykazující deformačně indukovanou martenzitickou transformaci (tzv. TRIP).

Disertační práce má výrazně experimentální charakter. Školící pracoviště disponuje veškerým vybavením pro experimentální studium materiálů, jejichž pokročilé využití a rozvoj je předmětem disertační práce. Na školícím pracovišti je studována řada unikátních moderních výše uvedených materiálů, které budou využity při řešení disertační práce. Předkládané téma disertační práce je součástí výzkumu na školícím pracovišti.