Pokročilé kovové materiály a kompozity na bázi kovů - Jan Klusák
Ústav fyziky materiálů, Akademie věd ČR Ústav fyziky materiálů,…
Pokročilé kovové materiály a kompozity na bázi kovů - Jan Klusák

Vedení

doc. Ing. Jan Klusák, Ph.D. doc. Ing. Jan Klusák, Ph.D.
Vedoucí výzkumné skupiny

Výzkumné oblasti

 

  • Základní mechanismy creepu, únavy, křehkého lomu a jejich kombinace ve vztahu k mikrostruktuře pokročilých kovových materiálů a kompozitů.
  • Teoretické studie chování trhlin v kovech, kompozitech a součástech z nich vyrobených.
  • Víceúrovňové simulace procesů deformace a lomu, kvantitativní fraktografie a predikce únavové životnosti při vícerém zatížení.
  • Řešení problémů spojených s únavou, creepem a křehkým porušením materiálů v současnosti používaných i vyvíjených pro průmyslové aplikace.
  • Studium mechanické odezvy krystalů, rozhraní a tenkých povrchových vrstev na víceosé namáhání s užitím atomárních a víceúrovňových modelů, výpočetní analýza elektronové struktury a magnetismu v pevných látkách.

Hlavní cíle

Vlastnosti inženýrských materiálů je nezbytné stále vylepšovat, pro dosažení vyšších účinností a zároveň vyšší bezpečnosti a spolehlivosti konstrukcí a zařízení. Hlavním cílem aktivit výzkumné skupiny je studium vztahu mezi strukturou a vlastnostmi materiálů, zejména mechanickými. Výzkum je zaměřen na únavu, creep, jejich vzájemné kombinace a lomové vlastnosti pokročilých materiálů a kompozitů na bázi kovu, používaných nebo v současné době vyvíjených pro použití v energetice, dopravě i medicíně. Očekávané výsledky zahrnují jak generování materiálových dat nezbytných pro bezpečné a spolehlivé aplikace inženýrských konstrukcí a součástí v provozu, tak rozšíření základních znalostí v oblasti mechanizmů porušování.


Výzkumné zaměření

Pro dosažení cílů uvedených v předcházející části Se zaměřujeme na rozsáhlý výzkum vlastností (převážně mechanických, elektrických a magnetických) vybraných moderních materiálů ve vztahu k jejich mikrostruktuře. Další oblastí výzkumné činnosti je studium mechanismů degradačních procesů v pokročilých kovových materiálech a kompozitech za podmínek simulujících provozní zatížení.

Mezi současné konkrétní výzkumné činnosti patří:

Mechanické vlastnosti pokročilých materiálů

Současný výzkum se zaměřuje na základní mechanismy působící v materiálech při creepu, únavě a křehkém lomu, a to ve vztahu k jejich mikrostruktuře. Mezi prováděné zkoušky mechanických vlastností patří zkoušky creepu, únavy materiálů, tahové zkoušky, lomové zkoušky, stejně jako kombinované testy; např. zkoušky při zatížení creep-únava. Výzkumná skupina je vybavena rozsáhlou sadou zkušebních zařízení, takže testy mohou být prováděny v širokém rozmezí teplot, rychlostí deformací a dalších externích parametrů. Nedílnou součástí výzkumné činnosti skupiny jsou teoretické studie chování trhlin v homogenních nebo složených materiálech a součástech. Tyto studie využívají standardní výpočetní metody, jako je MKP.

Mikrostruktura, difúze a termodynamika pokročilých kovových materiálů

Skupina se zaměřuje na výzkum vztahu mezi strukturou materiálů a jejich termodynamickými a difúzními vlastnosti. Struktura je sledována na několika úrovních počínaje atomovými vazbami, přes krystalografickou mřížku a její nedokonalosti, až po velikost a morfologii krystalitů (zrn) v materiálu. Výzkumná skupina disponuje téměř veškerým potřebným vybavením a know-how pro prováděný výzkum.

Víceosá únava pokročilých kovových materiálů

Výzkum v této oblasti se zaměřuje na chování moderních kovových materiálů používaných za zvýšených teplot ve vysoce namáhaných součástech turbín a spalovacích motorů se zvláštním zaměřením na letectví. Superslitiny na bázi niklu nebo lehké titanové intermetalické slitiny jsou často vystaveny komplexním zatěžovacím podmínkám od vnějšího zatížení, náhlým změnám geometrie, teplotním gradientům a obsahují vady materiálů. Získání počítačem řízeného víceosého testovacího systému umožňuje vysokoteplotní cyklické víceosé namáhání, a tím studium mechanismu poškození a získání parametrů charakterizujících odolnost studovaných pokročilých materiálů. Zkušební zařízení umožňují podrobit materiály obdobným podmínkám, které lze najít v kritických místech komponent a konstrukcí v dopravě, výrobě energie a dalších odvětvích. Závislosti změn vnitřní struktury a poškození vyvinutých při únavě materiálu jsou studovány pomocí transmisní a skenovací elektronové mikroskopie a mikroskopie atomárních sil s cílem zlepšení odolnosti nových pokročilých materiálů a možnosti předpovědět jejich únavovou životnost za kritických vnějších podmínek.

Víceosá únava materiálů s ochrannými povrchovými vrstvami

Mechanické poškození inženýrských materiálů a součástí je nejčastěji způsobeno jejich víceosým cyklickým namáháním. Náš výzkum je zaměřen na predikci únavové životnosti polykrystalických a povrchově zpevněných kovových materiálů zatěžovaných tímto způsobem a zahrnuje formulaci kritérií víceosé únavové životnosti, testování vzorků při kombinovaném cyklickém tahu-tlaku/krutu a ohybu/krutu a 3D kvantitativní fraktografickou analýzu.

Molekulárně dynamické a ab initio simulace deformace a lomu na atomární úrovni.

Vývoj pokročilých materiálů, kompozitů a různých ochranných vrstev často využívá výhod počítačem podpořeného návrhu materiálů. Moderní ab initio metody pro výpočty elektronové struktury představují mocný nástroj pro materiálové designéry. Takové metody mohou předpovídat nejen fyzikální vlastnosti, ale I mechanické charakteristiky (jako pružnost a pevnost) navrhovaných materiálů bez nutnosti je syntetizovat, což činí takový design a vývoj levnějším. Porozumění základním mechanismům deformace a lomu je rovněž usnadněno atomistickým modelováním.

Naše skupina využívá těchto přístupů při studiu strukturních transformací a deformace monokrystalů,  nanokompozitů, tenkých vrstev a paměťových slitin. Atomistické metody jsou propojovány se sofistikovanými kontinuálními přístupy, založenými na konečných prvcích, ve víceúrovňových modelech lomových procesů v nano, mikro a makro vzorcích těchto materiálů.