Název projektu
Komplexní hodnocení vlivu výrobních a zpracovatelských technologií a degradačních mechanismů na vlastnosti konstrukčních materiálů
Kód
SP2026/053
Předmět výzkumu
V rámci projektu budou řešeny dílčí výzkumná témata:
1. Studium vztahu mezi výrobními a zpracovatelskými procesy a technologickými vlastnostmi konstrukčních materiálů včetně možností jejich recyklace;
2. Mikrostrukturní změny konstrukčních materiálu a jejich vliv na výsledné vlastnosti;
3. Snížení životnosti materiálů vlivem degradačních mechanismů.
Výzkumné aktivity budou realizovány na pracovištích Katedry materiálového inženýrství a recyklace. Složení řešitelských týmů a zapojení jednotlivých členů jsou detailně specifikovány v příloze projektu. Společným jmenovatelem všech výzkumných oblastí je studium vztahu mezi mikrostrukturou a užitnými vlastnostmi materiálů, a to v závislosti na aplikovaných výrobních a zpracovatelských procesech a na podmínkách jejich následného provozního zatížení. Pro charakterizaci mikrostruktury budou využity metody optické a elektronové mikroskopie, přičemž získané mikrostrukturní parametry budou korelovány zejména s mechanickými, korozními a technologickými vlastnostmi.
Jednotliví řešitelé z řad akademických pracovníků a doktorandů se budou podílet na více výzkumných aktivitách a v současné době již úzce spolupracují. Nedílnou součástí úspěšné realizace projektu je rovněž aktivní zapojení studentů navazujícího magisterského studia, kteří tímto způsobem získají cenné a prakticky orientované zkušenosti s vědeckovýzkumnou činností.
Za účelem zvýšení bezpečnosti, provozní spolehlivosti a životnosti energetických zařízení je nezbytné detailně studovat vliv technologických parametrů svařování, zejména teploty předehřevu, na mikrostrukturní vývoj teplem ovlivněné oblasti (TOO) heterogenních svarových spojů. Nevhodně zvolené podmínky předehřevu mohou vést k tvorbě nežádoucích mikrostruktur, které se projeví výraznými změnami tvrdosti a lokálních mechanických vlastností, a tím i zvýšeným rizikem vzniku defektů při provozu za zvýšených teplot. Systematické sledování vztahu mezi teplotou předehřevu, mikrostrukturou a tvrdostí TOO umožní predikci chování svarových spojů v kritických provozních podmínkách a přispěje k optimalizaci svařovacích postupů. Vzhledem k širokému uplatnění svařování v energetice i dalších průmyslových odvětvích je této problematice věnována zvýšená pozornost také v rámci studentských prací, a to jak z hlediska technologického provedení svařování, tak z pohledu materiálového chování heterogenních spojů.
S ohledem na stále se rozšiřující průmyslové využití aditivní výroby kovových komponent metodou selektivního laserového tavení (SLM) je nezbytné detailně hodnotit vliv následného tepelného zpracování na vlastnosti takto připravených materiálů. Materiály vyrobené metodou SLM se vyznačují specifickou, často metastabilní mikrostrukturou, která je citlivá nejen na volbu režimu tepelného zpracování, ale také na působení degradačních mechanismů, mezi něž patří i vodíková křehkost. Proto budou v rámci projektu probíhat také detailní analýzy vztahů mezi podmínkami tepelného zpracování, mikrostrukturou a výslednými mechanickými vlastnostmi slitiny takto připravených materiálů, a současně posoudit jejich citlivost k jejich degradaci. Získané poznatky umožní lépe porozumět chování 3D tištěných materiálů v prostředích s rozdílných agresivních prostředích a přispějí k optimalizaci postprocessingu aditivně vyráběných dílců pro jejich bezpečné a spolehlivé využití v náročných provozních podmínkách.
V návaznosti na aktuální výzkumné směry v oblasti pokročilých kovových materiálů bude pozornost zaměřena na interakci vodíku s titanovými slitinami a na možnosti řízeného ovlivnění jejich vlastností prostřednictvím povrchového a strukturního inženýrství. Zvláštní důraz bude kladen na elektrochemické povrchové zpracování slitiny Ti6Al4V, které může významně ovlivnit stav povrchu, mikrostrukturu podpovrchových vrstev a výsledné mechanické i korozní vlastnosti materiálu, včetně jeho chování v prostředí s přítomností vodíku. Současně bude studován vliv vodíku jako stabilizátoru β fáze na tvařitelnost titanových slitin, přičemž hodnoceny budou mikrostrukturní změny a jejich dopad na deformační chování materiálu. Cílem je komplexně posoudit vztah mezi elektrochemickým zpracováním, interakcí s vodíkem, mikrostrukturou a výslednými užitnými vlastnostmi titanových slitin s potenciálním uplatněním v energetických a technologicky náročných aplikacích.
V souladu s cílem projektu propojovat moderní výrobní technologie s výslednými materiálovými a technologickými vlastnostmi bude výzkumná činnost zaměřena na využití aditivní výroby při zpracování vybraných odpadních materiálů. Pozornost bude věnována možnostem jejich přípravy a úpravy pro 3D tisk komponent určených pro vysokoteplotní aplikace, včetně hodnocení zpracovatelnosti, mikrostrukturního vývoje a stability materiálů při zvýšených teplotách. Součástí řešení bude rovněž analýza vlivu výrobních parametrů aditivního procesu na výsledné mechanické a tepelně-fyzikální vlastnosti vytištěných dílců s cílem posoudit jejich potenciál pro technické využití a přispět k rozvoji udržitelných výrobních přístupů.
V návaznosti na principy cirkulární ekonomiky, které jsou nedílnou součástí strategických dokumentů v oblasti vědy a výzkumu, bude projekt rovněž zaměřen na problematiku sekundárního využití odpadů na bázi stabilních a netoxických izolačních materiálů. Tato část výzkumu se bude soustředit především na metody separace minerálních izolačních vláken od ostatních složek odpadu a na jejich další zpracování jako cenné druhotné suroviny.
V návaznosti na požadavky na stabilní a spolehlivé funkční vlastnosti keramických pozistorů bude pozornost zaměřena na optimalizaci sintračního procesu s cílem řízeného ovlivnění jejich mikrostruktury a elektrických charakteristik. Studován bude vliv průběhu sintrační křivky, zejména rychlosti ohřevu, výdrží na maximální teplotě a způsobu ochlazování, na vývoj velikosti zrna, pórovitosti a homogenity struktury. Cílem bude analyzovat vztah mezi parametry sintrání, mikrostrukturou a výslednými funkčními vlastnostmi pozistorů, především stabilitou odporové charakteristiky a dlouhodobou provozní spolehlivostí.
Vzhledem k vysokým nárokům na bezpečnost, spolehlivost a dlouhodobou životnost komponent primárního okruhu jaderných elektráren je nezbytné detailně hodnotit jejich lokální mechanické vlastnosti. Pozornost bude zaměřena na využití instrumentované indentace jako metody umožňující stanovení pevnostních charakteristik s vysokým prostorovým rozlišením, a to i v oblastech s omezenou dostupností vzorků. Cílem práce je analyzovat vztah mezi naměřenými indentačními parametry, mikrostrukturou materiálu a jeho pevnostními vlastnostmi, a posoudit vliv provozního zatížení a degradačních procesů na chování kritických komponent primárního okruhu.
Vzhledem k vysokým požadavkům na mechanické vlastnosti a provozní spolehlivost kolejnicových ocelí bude pozornost zaměřena na studium vlivu intenzity ochlazování při tepelném zpracování na mikrostrukturní vývoj a výslednou tvrdost materiálu. Zvláštní důraz bude kladen na vztah mezi mezilamelární vzdáleností perlitu a dosaženými mechanickými vlastnostmi, jelikož tato mikrostrukturní charakteristika zásadním způsobem ovlivňuje odolnost kolejnic vůči opotřebení a únavě. Cílem práce je analyzovat závislost mezi podmínkami ochlazování, formováním perlitické struktury a výslednou tvrdostí kolejnic s cílem přispět k optimalizaci technologických postupů výroby a tepelného zpracování kolejnicových materiálů.
Vzhledem k širokému využití borových ocelí typu 23MnB3 v konstrukčních a bezpečnostních aplikacích bude pozornost zaměřena na studium vlivu výchozí velikosti austenitického zrna a stupně deformace za studena na mikrostrukturní vývoj během procesu kalení. Tyto parametry zásadním způsobem ovlivňují průběh fázových přeměn, zejména tvorbu martenzitické struktury, a tím i výsledné mechanické vlastnosti materiálu. Cílem práce je analyzovat vztah mezi předchozím tvářecím zpracováním, austenitizačními podmínkami, mikrostrukturou po kalení a dosaženými pevnostními charakteristikami, s cílem přispět k optimalizaci technologických postupů zpracování této oceli.
Všechna řešená témata, stejně jako témata diplomových prací, která s řešením projektu úzce souvisí, jsou v souladu se Strategickým záměrem FMT VŠB-TUO na období 2021-2027.
Některá výše uvedené téma jsou mimo jiné řešená také s partnery z praxe, např. Třinecké železárny a.s., ČEZ a.s., Medin a.s., VÚHŽ Dobrá apod.
Řešení projektu je koncipováno tak, aby do něj byli systematicky zapojeni studenti navazujícího magisterského i doktorského studia, a to zejména v rámci experimentálních činností přímo navázaných na zpracování jejich diplomových a disertačních prací. Jejich participace bude zahrnovat komplexní přípravu materiálových vzorků, realizaci měření a vyhodnocování experimentálních dat, včetně interpretace získaných výsledků v širším materiálově-inženýrském kontextu. Pro experimentální část projektu bude plně využito technické a přístrojové zázemí Katedry materiálového inženýrství a recyklace, zejména v oblasti metalografické přípravy, světelné mikroskopie a pokročilé digitální analýzy obrazu.
Detailní charakterizace mikrostruktury bude realizována v laboratořích elektronové mikroskopie za využití řádkovacích i prozařovacích elektronových mikroskopů, doplněných o analytické a difrakční metody, jako jsou energiově disperzní rentgenová spektroskopie (EDX) a difrakce zpětně odražených elektronů (EBSD), včetně specializovaných zařízení určených pro přípravu tenkých a cíleně orientovaných preparátů.
Hodnocení korozního chování moderních technických materiálů, včetně jejich citlivosti k vodíkovému poškození, bude probíhat v rámci specializovaného laboratorního zázemí pro korozní zkoušky. Korozní odolnost bude posuzována prostřednictvím elektrochemických metod v prostředích simulujících lokalizované formy koroze, přičemž pozornost bude věnována rovněž stanovení míry strukturního zcitlivění v teplem ovlivněných oblastech svarových spojů pomocí metody EPR-DL. Náchylnost materiálů k vodíkové křehkosti bude vyhodnocována zátěžovými zkouškami při nízkých rychlostech deformace (SSRT), zatímco transportní vlastnosti vodíku budou analyzovány pomocí permeačních technik.
Pro řešení závěrečných prací v rámci studijních programů Materiálové inženýrství, Materiály pro energetiku (navazující studium) a Materiálové vědy a inženýrství (doktorské studium), jsou výše uvedené experimentální metody pro hodnocení struktury a mechanických vlastností nezbytné. Řešitelské týmy a zapojení jednotlivých členů jsou podrobněji popsány v příloze.
Realizace projektu povede k systematickému zkvalitnění výuky a zároveň podpoří rozvoj odborných kompetencí jak studentů, tak akademických pracovníků v oblasti charakterizace struktury a vlastností moderních materiálových systémů. Významná pozornost bude věnována kritickému vyhodnocení a interpretaci experimentálních výsledků, které budou prezentovány formou odborných publikací v mezinárodně uznávaných impaktovaných časopisech a ve sbornících prestižních vědeckých konferencí. Přímé zapojení studentů navazujícího magisterského studia do řešení projektu se projeví zvýšením odborné úrovně jejich kvalifikačních prací a současně přispěje k posílení odborné reputace fakulty.
Zároveň se předpokládá, že zkušenosti získané v rámci řešení projektu SGS budou pro studenty motivačním impulzem k pokračování ve studiu v doktorských studijních programech. Koncepce navrhovaného projektu přitom částečně vychází z osvědčených metodických přístupů a výsledků dosažených v rámci předchozích projektů SGS, na něž dále rozvíjejícím způsobem navazuje.
Rok zahájení
2026
Rok ukončení
2026
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel
