Doctoral Thesis

Cyclic plasticity of materials produced by SLM technique

Final Thesis 10.9 MB Summary of Thesis 2.37 MB

Author of thesis: Ing. Klára Nopová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Stanislava Fintová, Ph.D., prof. Ing. František Nový, Ph.D.

Abstract:

The present study focuses on the processing of the Mg alloy AZ91D using selective laser melting (SLM). Through systematic testing and optimization of individual process parameters, a relative material density exceeding 99 % was achieved without change in the alloy’s chemical composition. Owing to the very low porosity and fine-grained microstructure, the alloy exhibited relatively high mechanical properties, with an ultimate tensile strength UTS=305 MPa, a 0.2 % proof stress          YS =181 MPa, and an elongation EL=5.2 %. Under cyclic loading, the SLM-processed alloy demonstrated cyclic stability. During the initial few cycles, cyclic softening was observed because of stress relaxation, followed by cyclic hardening associated with the formation and accumulation of dislocations. Based on data obtained in the high – cycle fatigue regime, the fatigue limit was determined to be 102.5 MPa, which successfully competes with that of extruded Mg alloys of the same grade. Fractographic analysis revealed that crack initiation sites were, in all cases, located in regions containing pores near the surface.

Keywords:

AZ91D, selective laser melting, process parameters, mechanical properties, grain size, misorientation angle, kernel average misorientation, fatigue test, cyclic plasticity

Date of defence

04.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Zaměření práce s ohledem na zvolený materiál, použité metodiky a dosažené výsledky je vysoce aktuální. Získané výsledky i jejich fyz. metalurgická interpretace svědčí o schopnosti naplánovat experiment, experimentální zručnosti a vysoké úrovni teoretické připravenosti k samostatné tůvrčí činnosti v oblasti materiálového výzkumu. Získané poznatky a jejich interpretace představují významný přínos k rozvoji vědy v oblasti materiálů.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Materials Sciences (D-MAT-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc. (předseda)
doc. Ing. Vít Jan, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. František Nový, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislava Fintová, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Ludvík Kunz, CSc., dr. h. c. (člen)

Ing. Klára Nopová zahájila doktorské studium v září 2019 pod vedením doc. L. Pantělejeva a školitele specialisty doc. P. Hutaře. Školicím pracovištěm byl Ústav materiálových věd a inženýrství FSI VUT v Brně.

V průběhu studia si Ing. Nopová osvojila nezbytné metody studia materiálů pro úspěšné zpracovávání řešené problematiky. V prvních dvou letech studia úspěšně absolvovala předměty předepsané studijním plánem, postupně se aktivně zapojila do řešení problematiky materiálů zpracovávaných technologií SLM v projektech specifického výzkumu reg. č. FSI-S-17-4424 (doba řešení 2017–2019, participace v letech 2018 a 2019), Mechanické a mikrostrukturní charakteristiky kovových materiálů připravených technologií SLM, dále do projektu reg. číslo FSI-S-20-6290 (doba řešení 2020–2022, participace po celou dobu projektu), Vlastnosti materiálů připravovaných aditivními technologiemi (AM). Zapojena byla také do projektu TAČR Zéta reg. č. TJ04000314 (doba řešení 2020–2022, participace po celou dobu projektu), Aditivní výroba komponent turbínového motoru z žárupevné slitiny IN939. V souvislosti s projektem TAČR Zéta byl připraven článek s názvem „Effect of Preheating on the Residual Stress and Material Properties of Inconel 939 Processed by Laser Powder Bed Fusion“, jehož je doktorandka spoluautorkou (Materials, 2022, vol. 15, no. 18, ISSN: 1996-1944.). Výsledky získané při zpracovávání disertace prezentovala na mezinárodních konferencích (SIRAMM 2022 – 2nd Winter School on Trends on Additive Manufacturing for Engineering Applications, METAL 2022) a mezinárodních online workshopech v rámci spolupráce ÚMVI FSI VUT v Brně a Dipartimento di Meccanica, POLIMI, Itálie (leden 2021 – Multimateriálová rozhraní v reálných aplikacích, duben 2022 – Additive technologies (SLM, CS) and surface treatment). V roce 2023 pak publikovala výsledky své dosavadní práce jako hlavní autor v časopise s impaktním faktorem (Applied Sciences, 2023, vol. 13, no. 1, ISSN: 2076-3417.)

Na období září až prosinec 2022 byla také plánována, z důvodu pandemie COVID-19, odložená stáž na Politecnico di Milano, Itálie, v rámci projektu MEMOV II, nicméně tato byla znovu odložena, tentokráte z důvodu nástupu doktorandky na mateřskou dovolenou (září 2022 až srpen 2024). Z důvodu tzv. „uznané doby rodičovství“ byla povinná stáž následně prominuta.

V rámci experimentální části své práce doktorandka navázala úspěšnou spolupráci s Ústavem konstruování a zapojila se do prací v laboratoři doc. Koutného (příprava vzorků procesem SLM), kdy s ohledem na téma své disertační práce je pod vedením školitele také členkou týmu mezinárodního projektu Interreg reg. č. ATCZ229 (ReMaP – Research of Magnesium Alloys for Additive Manufacturing of Structural and Biomedical parts). V rámci spolupráce s ÚK se také podílela na přípravě článku zabývajícího se Mg-slitinou WE 43 (Advanced Engineering Materials, 2025, vol. 27, no. 7, p. 1-15. ISSN: 1527-2648.) Dále je spoluautorkou funkčního vzorku Komponenta turbínového stupně z žárupevné slitiny Inconel 939 – statorové kolo (RIV/00216305:26210/22:PR36246).

Během svého doktorského studia byla Ing. Nopová zapojena do pedagogického procesu v rámci zajišťování cvičení v předmětech BUM – Úvod do materiálových věd a inženýrství, 3SV – Struktura a vlastnosti materiálů, 3VT – Výrobní technologie II. Získané zkušenosti velmi úspěšně zúročila při vedení bakalářské práce s názvem Mikrostruktura Mg-slitin zpracovaných technologií SLM (Handl Jiří, Bc., obhájeno v roce 2021) a vypracování oponentního posudku k bakalářské práci s názvem Mikrostruktura slitiny AlSi9Cu3 zpracovaná technologií SLM (Rychnovský Daniel, Bc., obhájeno v roce 2021).

Odbornou náplní disertace je tedy problematika Mg slitin zpracovávaných pomocí technologie LPBF (Laser Powder Bed Fusion) se zaměřením na únavové vlastnosti jak v oblasti vysokocyklové, tak nízkocyklové, kdy doktorandka získala množství původních výsledků, které v odborné literatuře dosud chybí. Jedná se tedy o významný příspěvek do této oblasti poznání. Na základě získaných únavových dat je pak v současnosti připravována další publikace v časopise s impaktním faktorem.

Závěr:

Ing. Klára Nopová v průběhu doktorského studia prokázala nejen schopnost samostatné vědecko-výzkumné činnosti, ale také, že je schopna účinně se zapojit do vědeckého týmu. Získané poznatky je schopna formulovat a dávat do souvislostí se stávajícími znalostmi, prezentovat je před odbornou veřejností a publikovat v odborných časopisech. Na základě úspěšného průběhu doktorského studia, získaných původních výsledků a předložené práce doporučuji, aby byl po úspěšné obhajobě Ing. Kláře Nopové udělen titul Ph.D. v oboru Materiálové inženýrství.

Grade proposed by supervisor: A

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,99 MB

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 509,46 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová