Experimentální metody v materiálovém inženýrství (FSI-WEM)

Akademický rok 2022/2023
Garant: Ing. Lenka Klakurková, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMVI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem kurzu je poskytnout studentům přehled a teoretické základy všech nejběžnějších metod využívaných pro komplexní strukturní a fázovou analýzu strojírenských materiálů v současné technické praxi (fyzikální principy metod, parametry přístrojů, aplikační využití metod atd.), včetně přípravy vzorků pro jednotlivé metody.
Výstupy studia a kompetence:
Znalost principů a aplikační možnosti základních metod strukturní a fázové analýzy, včetně postupů odběru a přípravy vzorků. Samostatné hodnocení strukturních složek pro všechny studované druhy materiálů a posuzování souvislostí mezi technologií výroby, strukturou a užitnými vlastnostmi materiálů.
Prerekvizity:
Studium experimentálních metod používaných pro analýzu struktury (morfologie a fázového složení) materiálů vyžaduje základní znalosti fyziky a matematiky na úrovni poskytované v průběhu bakalářského studia, a také znalosti materiálových věd a inženýrství - alespoň na úrovni absolventa bakalářského studia strojního inženýrství.
Obsah předmětu (anotace):
Základy experimentálních metod strukturní a fázové analýzy kovových a nekovových materiálů.
Pozornost je věnována převážně studiu mikrostruktury s využitím nejmodernějších zobrazovacích technik světelné a elektronové mikroskopie a analytickým metodám studia fázové analýzy, chemického složení a fyzikálních vlastností materiálu (RTG analýza, spektroskopie, dilatometrie, atd.).
Studenti jsou seznámeni s hodnocením jednotlivých materiálových parametrů a charakteristik v souladu s platnými normami.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Výuka je doplněna laboratorním cvičením.
Způsob a kritéria hodnocení:
Písemná a ústní zkouška.
Podmínky k udělení zápočtu: úplná a aktivní účast na cvičení, zápočtový test
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Povinná účast na cvičeních. Absence na cvičeních je řešena individuálně.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  9 × 3 hod. povinná                  
    Cvičení  4 × 3 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Základy světelné mikroskopie
- rozdělení, světelné zdroje, parametry, BF, DF, DIC, NIC, atp.
- výhody a nevýhody jednotlivých systémů, aplikační využití
2. Příprava materiálografických preparátů
- barevná metalografie v praxi (přirozený f. k. x barevné leptání)
- možná úskalí při přípravě a vyhodnocování metalografických preparátů
3. Obrazová analýza - hodnocení mikrostrukturních parametrů
- výhody a nevýhody využití systémů OA (rozlišení, prahování, atp.)
- příklady využití OA (kvantifikace fází, morfologické hodnocení, měření tlouštěk, hodnocení velikosti zrna, litin, mikročistoty, atp.)
4. Úvod do elektronové mikroskopie TEM, REM, EBSD,FIB, atd.
- princip, funkční bloky, tvorba obrazu, detekované signály, vlastnosti signálů, typy kontrastu
- využití TEM, REM - typické aplikace, požadavky na vzorky LV SEM, ESEM)
- odvozené techniky, SEM/FIB
5. Mikroanalýza chemického složení pomocí EDS, WDS, EBSD, atd.
- techniky lokální chemické a krystalografické analýzy pro SEM – přehled
- kvalitativní a kvantitativní analýzy EDS/WDS, korekce ZAF/PhiRoZ
6. Rentgenostrukturní fázová analýza (popis, použití)
- vznik RTG záření, interakce RTG záření s hmotou, difrakce RTG
- rentgenové difrakční metody
- kvalitativní a kvantitativní RTG difrakční analýza - požadavky na vzorky, detekční limity, typické aplikace, omezující faktory měření
7. Metody spektroskopické chemické analýzy
- přehled metod - výhody, nevýhody, detekční limity, rozsahy ap. využití
- opticko-emisní spektrometrie – rozdělení, fyz. princip, instrumentace
- optická emisní spektrometrie s doutnavým výbojem
- optická spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem + nové směry
- atomová absorpční spektrometrie – fyz. principy, měření absorpce
- spalovací analyzátory – analýza C, S, O, N, H v kovových materiálech
8. Dilatometrie
- základní fyz. princip, požadavky na vzorky, det. limity, aplikace,
- praktické měření + vyhodnocení
9. Hodnocení základních mikrostrukturních parametrů I.
- makročistota
- mikročistota materiálu (typy vměstků, hodnocení dle ASTM, ISO a DIN)
- hodnocení velikosti zrna dle ČSN, ASTM a ISO
- metalografické hodnocení ocelových plechů a pásů ČSN 42 0469
- hodnocení karbidické fáze dle SEP 1520
10. Hodnocení základních mikrostrukturních parametrů II.
- hodnocení karbidické fáze dle SEP 1520
- hodnocení litin dle ISO, ČSN
- hodnocení DAS a pórovitosti
11. Měření tvrdosti/mikrotvrdosti, Hodnocení vrstev po tepelném, resp. chemicko-tepelném zpracování, hodnocení svarových spojů
- hodnocení vrstev: nitridace, cementace, hloubka prokalení, atd.
- hodnocení kvality svarových spojů na základě makro a mikrostruktury
- ČSN EN ISO 6520-1, ČSN EN ISO 5818, ČSN EN 1321
12. DSC (+ DTA)
- základní fyz. princip, požadavky na vzorky, detekční limity, typické aplikace, omezující faktory měření
- praktické měření + vyhodnocení
13. Exkurze - návštěva laboratoří spřízněných pracovišť VUT
    Laboratorní cvičení 1. Aplikace fyzikálních metod (dilatometrie, rezistometrie, magnetometrie)
2. Aplikace lokální chemické mikroanalýzy v TEM a REM (EDS, WDS)
3. Rtg fázová analýza - ukázky aplikací, výpočty parametrů mřížek atd.,
4. Použití spektroskopické chemické analýzy v praxi – ukázky aplikací
5. Úvod do kvantitativní metalografie, hodnocení struktury litin
6. Hodnocení vad tvářených polotovarů a odlitků, makročistota a mikročistota materiálů – praktické aplikace
7. Hodnocení mikrostrukturních parametrů, praktické aplikace
8. stanovení velikosti zrna ocelí a neželezných slitin pomocí různých norem a metod
9. Praktické aplikace hodnocení mikrostrukturních parametrů s využitím dostupných modulů obrazové analýzy (Olympus – StreamMotion)
    Cvičení 1. Příprava vzorků pro světelnou a elektronovou mikroskopii
2. Praktické pozorování a vyhodnocování struktury materiálů pomocí SM (užití barevného kontrastu)
3. Příklady využití TEM (substruktura, poruchy, difrakce)
4. Závěrečný test, zápočet
Literatura - základní:
1. ASM INTERNATIONAL. ASM handbook. Volume 9, Metallography and microstructures. Materials Park, Ohio: ASM International, 2004, xiii, 1184 s. : il., čb. a bar. fot., tabulky, grafy. ISBN 0-87170-706-3.
2. ASHBY, M. F a David R. H. (David Rayner Hunkin) JONES. Engineering materials: an introduction to their properties and applications. Oxford: Pergamon Press, 1980, x, 278 s. : il. ISBN 0-08-026139-6.
3. LI, James C. M. (James Chen-Min). Microstructure and properties of materials. Singapore: World Scientific, 2000, xvi, 436 s. : il., čb. fot. ; 23 cm. ISBN 981-02-4180-1.
4. BHADESHIA, H. K. D. H. (Harshad Kumar Dharamshi Hansraj) a R. W. K. (Robert William Kerr) HONEYCOMBE. Steels: microstructure and properties. 3rd ed. Oxford ; Burlington: Butterworth-Heinemann ; Elsevier, 2006, xi, 344 s. : il. ISBN 0-7506-8084-9.
5. FLEWITT, P. E. J a Robert K WILD. Physical methods for materials characterisation. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1994, xvi, 517 p. : il. ISBN 0-7503-0320-4.
6. JONES, David R. H. a Michael F. ASHBY. Engineering Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design. 4. Elsevier Science, 2011. ISBN 0080966659.
7. JONES, David R. H. a Michael F. ASHBY. Engineering Materials 2: An Introduction to Microstructures and Processing. 4. Elsevier Science, 2012. ISBN 0080966683.
8. GRUNDY, Philip James a Grenville Arthur JONES. Electron microscopy in the study of materials. London: Edward Arnold, 1976, 174 p. ISBN 0-7131-2522-5.
9. NĚMCOVÁ, Irena, Ludmila ČERMÁKOVÁ a Petr RYCHLOVSKÝ. Spektrometrické analytické metody I. 2. vyd. Praha: Karolinum, 2004, 166 s. ISBN 80-246-0776-X.
10. GOLDSTEIN, I. Joseph. Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis. 3rd ed. New York: Kluwer, 2003, xix, 689 s. : il. + 1 CD-ROM. ISBN 0-306-47292-9.
11. SKOČOVSKÝ, Petr a Tomáš PODRÁBSKÝ. Farebná metalografia zliatin železa. Žilina: Žilinská univerzita, 2001. ISBN 80-7100-911-3.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 1 1 Z
B-ZSI-P prezenční studium MTI Materiálové inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 1 2 Z