studijní program

Materiálové vědy

Fakulta: FSIZkratka: D-MAT-PAk. rok: 2021/2022

Typ studijního programu: doktorský

Kód studijního programu: P0719D270004

Udělovaný akademický titul: Ph.D.

Jazyk výuky: čeština

Akreditace: 18.2.2020 - 18.2.2030

Forma studia

Prezenční studium

Standardní doba studia

4 roky

Garant programu

Oborová rada

Oblasti vzdělávání

Oblast Téma Podíl [%]
Strojírenství, technologie a materiály Bez tematického okruhu 100

Cíle studia

Cílem doktorského studia je:
• Zabezpečit výchovu graduovaných tvůrčích pracovníků v oblasti fyziky materiálů a materiálových věd pro jejich působení v akademické sféře, ústavech základního a aplikovaného výzkumu a odborech výzkumu a vývoje průmyslových společností.
• Umožnit doktorandovi rozvoj talentu k tvůrčím aktivitám a další rozvoj vědecké či inženýrské osobnosti. Zajistit rozvoj jeho schopností zpracovávat vědecké poznatky ve studovaném oboru a oborech souvisejících, a to jak literární, tak vlastní získané teoretickou nebo experimentální prací.
• Vytvořit návyky potřebné pro tvůrčí činnost v oblasti materiálových věd a příbuzných oborů a pro komunikaci s vědeckou obcí.
• Doktorské studium je primárně zaměřeno na základní výzkum souvislostí mezi strukturou, chováním a vlastnostmi materiálů ve vazbě na parametry jejich přípravy se zaměřením na materiály na bázi kovů, polymerů, a keramiky a jejich kompozitů.
• Smyslem výzkumu realizovaného doktorandy je rovněž vývoj nových materiálů, optimalizace užitných vlastností materiálů a predikce jejich provozní životnosti na základě teoretických a výpočetních metod podložených experimenty.

Profil absolventa

• Pojetí a obsah studia odpovídá stanoveným cílům a umožňuje dosažení profilu absolventa, vychází ze soudobého stavu vědeckého poznání a tvůrčí činnosti v oblasti fyziky materiálů a materiálových věd.
• Absolventem studia je vyzrálá osobnost, tvůrčím způsobem myslící, schopná formulovat a realizovat výzkumné projekty teoretické a experimentální povahy, příp. rozvíjet a aplikovat poznatky těchto projektů ve výrobní praxi.
• Doktorand získá široké teoretické a experimentální znalosti v oblasti moderních materiálů a metod jejich vývoje, přípravy, studia jejich chování při mechanickém, tepelném či korozním namáhání a vlastností ve vazbě na strukturu.
• Absolventem bude odborník schopný exaktních popisů zpracovatelských procesů, návrhů velmi složitých výrobků z kovů, keramik a polymerů i kompozitů s těmito matricemi, nástrojů pro jejich výrobu, matematických simulací zpracovatelských procesů, modelování mechanického chování materiálů či predikcí jeho vlastností a životnosti.
• Absolventi budou vybaveni širokými znalostmi o vlastnostech a chování konstrukčních keramik, polymerů, kovových materiálů a kompozitů a procesech při zpracování na finální výrobky a nástroje a to na úrovni teoretické, ale i praktické.
• U absolventů se předpokládá uplatnitelnost na vedoucích pozicích spojených s technickou a technologickou přípravou výroby, kde budou na základě studiem získaných znalostí schopni rozvíjet výrobní procesy a jejich navrhování.
• Absolventi se též uplatní jako výzkumní a vývojoví pracovníci v centrech aplikovaného výzkumu, a po navazující vědecko-pedagogické a zahraniční praxi i jako akademičtí pracovníci univerzit a akademických pracovišť.

Charakteristika profesí

• Doktorský program „Materiálové vědy“ je postaven tak, aby absolvent byl samostatně jednající materiálový specialista uplatnitelný v řadě oblastí, schopný formulovat a realizovat výzkumné, rozvojové a aplikační projekty.
• S ohledem na úlohu materiálů ve všech konstrukčních aplikacích a technologiích tvůrčí pracovníci v oblasti materiálových věd a inženýrství najdou vždy odpovídající uplatnění doma i v zahraničí mj. v následujících oblastech.
- V rámci postdoktorských projektů na řadě zahraničních pracovišť pro absolventy s ambicí aktivně působit v oblastech vědeckého výzkumu.
- V podobě přímého zapojení do výzkumných týmů akademických pracovišť a pracovišť aplikovaného výzkumu.
- V odborech výzkumu a vývoje průmyslových podniků, resp. interdisciplinární týmech těchto pracovišť.
• Ve všech uvedených případech lze přitom předpokládat plnohodnotné zapojení nejen v ČR, ale i na zahraničních pracovištích.

Podmínky splnění

Viz platné předpisy, Směrnice děkana Pravidla pro organizaci studia na fakultě (doplněk Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně).

Vytváření studijních plánů

Pravidla a podmínky pro tvorbu studijních programů určují:
ŘÁD STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT,
STANDARDY STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT,
STUDIJNÍ A ZKUŠEBNÍ ŘÁD VUT,
SMĚRNICE DĚKANA Pravidla pro organizaci studia na fakultě (doplněk Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně),
SMĚRNICE DĚKANA FSI Jednací řád oborových rad doktorských studijních programů FSI VUT v Brně.
Studium v DSP se neuskutečňuje v kreditovém systému. Klasifikační stupně jsou „prospěl“, „neprospěl“, u obhajoby disertační práce je výsledek „obhájil“, „neobhájil“.

Dostupnost pro zdravotně postižené

Na VUT jsou zohledněny potřeby rovného přístupu k vysokoškolskému vzdělávání. V přijímacím řízení ani ve studiu nedochází k přímé či nepřímé diskriminaci z žádných důvodů. Studujícím se specifickými vzdělávacími potřebami (poruchy učení, fyzický a smyslový handicap, chronická somatická onemocnění, poruchy autistického spektra, narušené komunikační schopnosti, psychická onemocnění) je poskytováno poradenství v poradenském centru VUT, které je součástí Institutu celoživotního vzdělávání VUT. Podrobně tuto problematiku řeší Směrnice rektora č. 11/2017 „Uchazeči a studenti se specifickými potřebami na VUT“. Rovněž je vytvořen funkční systém sociálních stipendií, který popisuje Směrnice rektora č. 71/2017 „Ubytovací a sociální stipendium“.

Návaznost na další typy studijních programů

Doktorský studijní program navazuje na bakalářské a magisterské vzdělání ve specializaci Materiálové inženýrství (B-MTI) a magisterského programu Materiálové inženýrství (M-MTI). V jeho průběhu je studentům poskytován vyvážený základ teoretických a inženýrských disciplín doplněných o laboratorní výuku s maximálně možným využitím nejmodernější přístrojové a výpočtové techniky.
U adeptů jiných se vzděláním dosaženým na jiných universitách musí být absolvované magisterské vzdělání obsahově prostupné s obory Materiálové vědy a inženýrství, Fyzika materiálů, Fyzika pevné fáze, Chemie materiálů apod.
Doktorský program „Materiálové vědy“ nahrazuje stávající doktorský studijní program „Fyzikální a materiálové inženýrství“. Oba programy jsou koncepčně shodné a po přidělení souhlasného stanoviska s akreditací programu „Materiálové vědy“ dokončí doktorandi svá studia v rámci aktuálně akreditovaného programu.

Vypsaná témata doktorského studijního programu

  1. Chemická nehomogenita u tvářených austenitických Cr–Ni korozivzdorných ocelí: Její původ a vliv na mikrostrukturní stabilitu

    Tvářené Cr–Ni austenitické korozivzdorné oceli (AISI 300) si díky svým mimořádným korozním, mechanickým a technologickým vlastnostem dosud udržují privilegovanou pozici v rámci pěti známých základních typů korozivzdorných ocelí. Paramagnetická austenitická struktura s f.c.c. mřížkou je u většiny těchto materiálů metastabilní, tj. může během ochlazování či plastické deformace částečně transformovat na feromagnetický '-martenzit s b.c.c. mřížkou. V absolutní většině dosavadních studií zabývajících se strukturní stabilitou tvářených austenitických korozivzdorných ocelí jsou tyto materiály s ohledem na intenzivní protváření během výroby považovány za chemicky homogenní. Na přítomnost lokálních fluktuací chemického složení ve formě chemické pásovitosti u různých typů polotovarů tvářených austenitických ocelí (tyče vs. plechy) a její nezanedbatelnou roli při destabilizaci struktury a rovněž tak jejich vodíkovém zkřehnutí bylo poukázáno zcela nedávno. Navrhovaná komplexní studie bude zahrnovat tři následující hlavní cíle. (i) Podrobné studium vzniku chemické pásovitosti u austenitických Cr–Ni ocelí v jednotlivých technologických krocích jejich průmyslové produkce – od kontinuálně lité bramy přes tlustý plech válcovaný za tepla až po finální tenký plech válcovaný za studena. (ii) Systematické monitorování chemické homogenity u austenitických nerezavějících ocelí typu AISI 300 (AISI 304, 316, 321) ve formě různých průmyslově vyráběných polotovarů (válcové tyče, tlusté a tenké plechy) a jejího dopadu na tvorbu '-martenzitu při monotónním a cyklickém zatěžování za různých externích podmínek. (iii) Vyjasnění vlivu '-martenzitu na vodíkové zkřehnutí a lomové chování austenitických ocelí během tahového zatěžování v podmínkách externího a interního vodíku s ohledem na tvar polotovarů použitých pro výrobu zkušeních vzorků a na lokální chemické složení. Pro zviditelnění chemické heterogenity napříč celým průřezem různých polotovarů tvářených ocelí a dendritické struktury kontinuálně lité bramy bude využito techniky barevné metalografie; pro kvantitativní charakterizaci techniky EDS popř. WDS. Pro ohodnocení objemového podílu DIM napříč tloušťkou deformovaného plechu bude využito techniky rentgenové difrakce (X-ray) a výsledky budou konfrontovány s feritoskopickými měřeními. Mikrostruktura deformovaných ocelí vč. distribuce DIM bude na makroskopické úrovni zviditelněna pomocí barevné metalografie (Beraha II); pro detailní charakterizaci na mikroskopické úrovni budou využity moderní techniky s vysokým rozlišením (SEM–FEG, ECCI, EBSD a TEM).

    Školitel: Man Jiří, Ing., Ph.D.

  2. Mikroskopické procesy na špici únavové trhliny

    Šíření únavových trhlin je proces, který je popsán makroskopicky pomocí veličin jako je rozkmit faktoru intenzity napětí, J-integrálu nebo plastické části J-integrálu. Existuje mnoho modelů šíření trhlin na mikroskopické úrovni, které uvažují plastickou deformaci v okolí špice trhliny, ale které se liší v detailech. Pokrok v experimentálních metodách umožňuje přesnější a detailnější experimentální studium těchto procesů a následně jejich přesnější popis i modelování pomocí pokročilých metod molekulární statiky a dynamiky. Cílem práce bude shromáždit co nejvíce detailů o dějích na špici únavové trhliny během jejího růstu moderními metodami: digital image correlation (HR DIC) s vysokým rozlišením, electron chanelling contrast imaging (ECCI), electron backscatter diffraction s vysokým rozlišením (HR EBSD) a pozorováním lamel připravených s využitím techniky focused ion beam v transmisním elektronovém mikroskopu. Pozorování budou doplněna simulací mikroskopických dějů pomocí molekulární dynamiky nebo diskrétní dislokační dynamiky. Metody měření budou nejprve ověřeny na oceli 316L a poté aplikovány na materiály zpevněné oxidickou disperzí (ODS) a připravené pomocí aditivních technologií.

    Školitel: Kuběna Ivo, Ing., Ph.D.

  3. Mikroskopické procesy na špici únavové trhliny

    Šíření únavových trhlin je proces, který je popsán makroskopicky pomocí veličin jako je rozkmit faktoru intenzity napětí, J-integrálu nebo plastické části J-integrálu. Existuje mnoho modelů šíření trhlin na mikroskopické úrovni, které uvažují plastickou deformaci v okolí špice trhliny, ale které se liší v detailech. Pokrok v experimentálních metodách umožňuje přesnější a detailnější experimentální studium těchto procesů a následně jejich přesnější popis i modelování pomocí pokročilých metod molekulární statiky a dynamiky. Cílem práce bude shromáždit co nejvíce detailů o dějích na špici únavové trhliny během jejího růstu moderními metodami: digital image correlation (HR DIC) s vysokým rozlišením, electron chanelling contrast imaging (ECCI), electron backscatter diffraction s vysokým rozlišením (HR EBSD) a pozorováním lamel připravených s využitím techniky focused ion beam v transmisním elektronovém mikroskopu. Pozorování budou doplněna simulací mikroskopických dějů pomocí molekulární dynamiky nebo diskrétní dislokační dynamiky. Metody měření budou nejprve ověřeny na oceli 316L a poté aplikovány na materiály zpevněné oxidickou disperzí (ODS) a připravené pomocí aditivních technologií.

    Školitel: Pantělejev Libor, doc. Ing., Ph.D.

  4. Nízkocyklová únava austenitické korozivzdorné oceli AISI 316L připravené technologií selektivního laserového tavení (SLM)

    Cyklická plasticita a nízkocyklové únavové chování budou podrobně studovány u korozivzdorné oceli 316L připravené nejčastěji používanou aditivní technologií – selektivním laserovým tavením (SLM). Válcové zkušební vzorky vyrobené s téměř finální geometrií za různých procesních podmínek (nepoužitý/použitý prášek, ochranná atmosféra dusík/argon) budou po následné aplikaci dodatečného tepelného zpracování (žíhání na odstranění vnitřního pnutí, rozpouštěcímu žíhání) podrobeny za pokojové teploty únavovému zatěžování s konstantními amplitudami celkové deformace. Mimořádná pozornost bude věnována zlepšení integrity vnějšího povrchu aplikací elektrolytického leštění a jejímu dopadu na únavovou životnost. Změny mikrostruktury v objemu materiálu a mechanismy iniciace a růstu krátkých únavových trhlin budou u oceli s unikátní ale nerovnovážnou hierarchickou solidifikační SLM strukturou podrobně charakterizovány pomocí mikroskopických technik s vysokým rozlišením (SEM–FEG, TEM, AFM, FIB, EBSD). Výsledky experimentálního studia budou porovnány s údaji relevantními pro tvářený materiál vyrobený tradičním postupem.

    Školitel: Man Jiří, Ing., Ph.D.

  5. Teoretické studium magnetických stavů v Heuslerových slitinách

    Kvantově-mechanické výpočty se v minulých desetiletích staly jedním ze standardních nástrojů při zkoumání vlastností materiálů. Vyznačují se vysokou spolehlivostí, přesností a univerzální použitelností na velmi široké spektrum zkoumaných systémů. Tyto tzv. ab initio výpočty také dokonale doplňují pokročilé experimentální metody zkoumající strukturu materiálů, protože kvantová mechanika popisuje hmotu na délkových škálách, na které nestačí ani elektronová mikroskopie s nejvyšším rozlišením. Konkrétně v případě modelování magnetických materiálů mají ab initio metody zcela jedinečné postavení, protože magnetismus je svou podstatou kvantově-mechanický jev spojený s elektronovou strukturou zkoumaných materiálů. Cílem práce bude aplikovat kvantově-mechanické metody při studiu různých magnetických stavů v Heuslerových slitinách s různou mírou uspořádání, jak chemického, tak magnetického, a různými druhotnými defekty. Výpočty se zaměří na magnetické slitiny s tvarovou pamětí, které jsou velmi perspektivní z hlediska jejich budoucích aplikací. K výpočtům bude použita metoda projekcemi přidružených vln implementovaná v programu VASP.

    Školitel: Friák Martin, Mgr., Ph.D.

  6. Únavové vlastnosti ocelí s řízenou mikrostrukturou připravené pomocí selektivního tavení laserem

    Aditivní technologie slouží v současnosti jako efektivní nástroj pro návrh a rychlou výrobu prototypů v různých průmyslových odvětvích. V budoucnosti naleznou uplatnění při malo- či středně-sériové výrobě součástek s nejnáročnějšími požadavky. Obecně tyto technologie nabízí nové a revoluční možnosti výroby z hlediska tvarové komplexnosti, nedosažitelné současnými konvenčními výrobními postupy. Jednou z nejrozšířenějších metod je tzv. selektivní tavení laserem, kde vstupní materiál je ve formě prášku, který se řízeným pohybem laseru taví a při následném tuhnutí tvoří požadované struktury. V posledních letech se objevují studie, kde pomocí změn parametrů výkonu a pohybu laserového paprsku lze ovlivňovat způsob tuhnutí nataveného prášku. Díky tomu lze dosáhnout ovlivnění výsledné struktury materiálu z hlediska krystalografické orientace jednotlivých zrn. Tento princip otevírá novou možnost pro průmysl v podobě výroby tvarově složitých dílů s optimalizovanou strukturou pro předpokládané namáhání. Téma disertační práce je zaměřeno na optimalizaci výrobního procesu selektivního tavení laserem s cílem získat materiály s usměrněnou krystalografií a následnou charakterizaci vlivů různých krystalografických orientací na únavovou odezvu a životnost. Student bude v úzkém kontaktu s pracovníky výzkumného centra NETME a bude se podílet na optimalizaci výrobních parametrů. Dále si osvojí práci s rastrovacím elektronovým mikroskopem (REM), který bude využíván k analýze připravených struktur. Únavové zkoušky budou provedeny na moderních zkušebních strojích Instron a MTS. Získaná data budou dána do relace s podrobnou analýzou probíhajících deformačních mechanismů nalezených pomocí optické a elektronové mikroskopie. Získané výsledky významně přispějí k hlubšímu pochopení únavové odolnosti ocelí vyrobených pomocí technologie selektivního tavení laserem.

    Školitel: Šmíd Miroslav, Ing., Ph.D.

  7. Vliv defektů na únavovou životnost niklových superslitin

    Tématem práce bude charakterizovat vliv licích defektů a konstrukčních vrubů představujících koncentrátory napětí na únavovou životnost součástí z niklových superslitin. Bude se sledovat zejména souvislost mezi mikrostrukturou superslitiny a její tolerancí k defektům při cyklickém zatěžování za vysokých teplot. Únavové testy budou provedeny na tělesech bez i s konstrukčními vruby. Na základě analýz testovaných vzorků pomocí skenovací a transmisní elektronové mikroskopie bude kvantifikován vliv defektů na iniciaci únavových trhlin a jejich další šíření. Výsledky práce rozšíří poznatky o vlivu defektů na únavovou životnost součástí z niklových superslitin a pomohou predikovat jejich únavovou životnost.

    Školitel: Fintová Stanislava, doc. Ing., Ph.D.

  8. Vliv frekvence zatěžování na mechanismus únavového poškození

    Dizertační práce bude zaměřena na identifikaci mechanismů únavového poškození kovových materiálů v závislosti na rychlosti zatěžování. Bude se zaměřovat zejména na únavové zkoušky při různých frekvencích zatěžování, s důrazem na vysokofrekvenční testy a jejich interpretaci. Pomocí rastrovací a transmisní elektronové mikroskopie budou studovány mechanismy únavového poškození kovových materiálů při různé frekvenci (rychlosti) zatěžování a z výsledků bude možné odvodit vztah mezi tradičními únavovými testy a testy vysokofrekvenčními. Výsledky práce pomohou k hlubšímu pochopení vlivu rychlosti zatěžování na mechanismus únavového poškození kovových materiálů a přispějí k predikci únavové životnosti na základě vysokofrekvenčních zkoušek.

    Školitel: Fintová Stanislava, doc. Ing., Ph.D.

  9. Vývoj hybridních kompozitů kompenzující pyrolýzní smrštění

    Hlavním cílem doktorské práce bude návrh a charakterizace hybridních kompozitů využívajících například plniva k potlačení/řízení smrštění matrice při částečné pyrolýze. Práce se bude skládat z analýz mikrostrukturních změn hybridních materiálů na bázi polysiloxanových pryskyřic, optimalizace přípravy kompozitů a jejich charakterizace. Dále ze stanovení vlivu způsobu kompenzace smrštění při pyrolýze na výsledné vlastnosti matrice. Také bude studováno použití takto připravených prekurzorů matrice na přípravu vlákny vyztužených kompozitů. Zde bude studován vliv kompenzace smrštění na mikromechanismy porušení a dalších vlastností připravených hybridních kompozitních materiálů. Vzhledem ke komplikované mikrostruktuře a množství rozhraní bude nezbytné vyvinout postup umožňující získání lokálních vlastností popisujících rozhraní pro účely numerických simulací, tak aby mohlo být predikováno rozložení napětí vytvořených při přípravě. V rámci práce bude nezbytné zvládnout problematiku vztahující se k ovlivnění okolní matrice přítomností plniv, tj. lokálními změnami mikrostruktury, stavu napjatosti a podobně, a vliv těchto změn na globální charakteristiky. Zapojení pokročilých technik elektronové mikroskopie, mikroskopie atomárních sil, akustické emise, nanoindentace apod. bude nezbytné pro dosažení stanovených cílů.

    Školitel: Chlup Zdeněk, Ing., Ph.D.

Struktura předmětů s uvedením ECTS kreditů (studijní plán)

1. ročník, zimní semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Pov.Uk.Hod. rozsahSk.Ot.
9AIVAb initio výpočty v materiálových vědáchcs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9ALMAplikovaná lomová mechanikacs (en)0DoporučenýdrzkP - 20ano
9DATDepoziční a aditivní technologiecs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9DMDDislokační mechanismy plastické deformacecs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9FMPFraktografie a mikromechanismy porušovánícs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MOMModelování materiálůcs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MEMPokročilé metody elektronové mikroskopiecs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9SAEStatistická analýza a experimentcs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9SVKStruktura a vlastnosti kovových materiálůcs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MMMVíceúrovňové modelování materiálůcs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9VFMVybrané statě z fyziky materiálucs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9ZMVZkoušení mechanických vlastnostícs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
1. ročník, letní semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Pov.Uk.Hod. rozsahSk.Ot.
9DPPDegradační procesy a predikce životnostics, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9FZMFyzikální základy mezních stavů materiálucs (en)0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MEKMechanika kompozitůcs (en)0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MIKSvětelná mikroskopiecs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
1. ročník, celoroční semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Pov.Uk.Hod. rozsahSk.Ot.
9AJJazyk anglický pro doktorské studiumen0PovinnýdrzkCj - 60ano
9KPCKoloidní a povrchová chemiecs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MEOMetalurgie ocelics, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9ESMModelování termodynamické stability a fázových transformacícs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MMNModerní metalurgie neželezných kovů a slitincs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9NTKNedestruktivní testování a řízení kvalitycs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9NKMNekovové materiálycs (en)0DoporučenýdrzkP - 20ano
9PKTPokročilé keramické technologiecs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9PTSProgresivní technologie ve svařovánícs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9SKESlinováni keramických materialůcs, en (en)0DoporučenýdrzkP - 20ano
9WTFTeorie fázových přeměncs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9VMSVybrané metody strukturní analýzycs (en)0DoporučenýdrzkP - 20ano