Fraktografický atlas

Katedra materiálů Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického v Praze vytvořila pro nové zaměření Fyzikální inženýrství materiálů výukovou aplikaci - Fraktografický atlas lomů. Nejen studenti, ale všichni zájemci o fyziku materiálů a zejména fraktografii jej mohou najít a využívat na stránce http://fraktografie.fjfi.cvut.cz/atlas.html. Mikrosnímky z řádkovacího elektronového mikroskopu jsou rozdělené podle druhu porušení materiálu - např. štěpný lom, tvárný lom, tečení (creep), únava, korozní praskání, atd. a jsou doplněny popisem, jak ke vzniku lomových ploch došlo. Atlas je průběžně doplňován a na jeho tvorbě se podílejí i studenti v rámci svých studentských prací.

Fraktografický atlas je neocenitelnou pomůckou při analýzách provozních lomů. Poskytuje podklady, které pomáhají zjistit, proč dané havárie nastaly a následně provést opatření, aby už k nim v budoucnosti nedocházelo.

Fraktografie

Fraktografie je nauka o lomech. Patří k základnímu i aplikovanému výzkumu ve fyzice pevných látek a ve fyzikální metalurgii. Zabývá se studiem a popisem vlastností nových povrchů, které vzniknou v pevném tělese porušením. Studuje také mechanismy porušování, vlastnosti materiálu a další faktory, které vyvolaly a ovlivnily proces porušování. Je zdrojem informací o mikromechanismech porušování v souvislosti s vnitřní stavbou – mikrostrukturou – pevných látek. Uplatňuje se také při výzkumu lomových vlastností nově vyvíjených materiálů.

Fraktografická analýza

Analýza lomů, trhlin a defektů (obecně porušení) je zcela zásadním a v řadě případů nenahraditelným zdrojem poznání o procesech porušování probíhajících ve zkušebních tělesech či konstrukčních dílcích. Má nezastupitelnou roli při zjišťování příčin různých provozních poruch v průmyslu, dopravě, energetice apod. Výsledky se pak mohou použít preventivně při odstraňování příčin havárií (např. vhodnými zásahy do technologie) nebo při odhadu životnosti konstrukcí. Odolnost proti porušování určuje míru bezpečnosti mechanických soustav a konstrukcí, nosnost, apod. Je zřejmé, že jak vývoj nových materiálů a technologií, tak i průmyslová výroba se bez této metody ani v budoucnosti neobejdou.

Historický vývoj fraktografie

Původně se fraktografie zabývala pouze lomem kovů, v současnosti se zaměřuje i na další materiály jako jsou keramiky, plasty, skla, kompozity, dřevo nebo dokonce biologické tkáně. Už ve středověku se vzhled lomu používal pro zjištění kvality kovu např. pro zvony nebo děla. Hodnocení kujnosti železa podle jeho lomového chování popsal např. již Georgius Agricola ve své knize De Re Metallica z r. 1556. První doložené použití mikroskopu pro pozorování lomu je obrázek lomu vápence, který v roce 1665 pořídil Robert Hooke. Prvním, kdo použil mikroskop pro hodnocení lomů kovů, byl v roce 1722 René-Antoine Ferchault de Réaumur, který ve své knize ilustroval makroskopické i mikroskopické znaky lomových ploch železných a ocelových těles (dnešními slovy bychom řekli, že sestavil první atlas lomů). Vizuální hodnocení lomů se používalo pro hodnocení kvality materiálu (např. ve vojenství pro hodnocení porušených hlavní děl). K rozvoji fraktografie významně přispěl A. Martens, který sledoval povrch lomů a současně vyleštěné a naleptané výbrusy (zabýval se studiem vazby mezi mikromorfologií lomu a mikrostrukturou materiálu). Popsal makroskopické charakteristiky lomů získaných při namáhání tahem, ohybem a krutem a při únavě.

V druhé polovině dvacátého století následoval bouřlivý rozvoj fraktografie. V řádkovacím (rastrovacím) elektronovém mikroskopu bylo možné pozorovat i poměrně rozměrné vzorky obsahující lomovou plochu.

Fraktografické pracoviště katedry materiálů FJFI

Vědeckovýzkumná činnost katedry materiálů se odehrává v základním i v aplikovaném výzkumu (v rámci spolupráce s průmyslem). Je založena na komplexním studiu porušování těles a konstrukcí, zahrnujícím fyzikálně metalurgické aspekty, aplikace lomové mechaniky, matematické modelování polí napětí a deformace, výzkum procesů porušování i pravděpodobnostní přístup ke studiu spolehlivosti systémů. Fraktografické pracoviště katedry bylo založeno v roce 1973 prof. Ing. Ivanem Nedbalem, CSc., a bylo vybaveno prvním řádkovacím elektronovým mikroskopem na ČVUT a jedním z prvních v tehdejším Československu. Zřízení fraktografické laboratoře umožnilo začít se intenzivně věnovat studiu vlastností materiálů v mikroobjemu, jak to vyžadovala a stále vyžaduje technická praxe, především pro účely výzkumu procesů porušování. Fraktografické pracoviště má statut autorizované zkušebny českého leteckého průmyslu a bylo zařazeno do seznamu unikátních vědeckých pracovišť ČVUT - viz http://www.cvut.cz/unikatni-vedecka-pracoviste.

Další výsledky fraktografického pracoviště

Náplň výzkumných i expertizních úkolů řešených na fraktografickém pracovišti vychází z aktuálních požadavků vědeckovýzkumných organizací a průmyslu. Nejvýznamnější výsledky byly získány při řešení projektů pro letecký průmysl a energetiku.

Z metodického hlediska lze za nejvýznamnější považovat vývoj a ověření nové originální metody fraktografické rekonstrukce rozvoje únavových trhlin. Znalost časového průběhu únavového porušování je důležitá zejména pro odhad životnosti (resp. délky bezpečného provozu) např. letadel nebo turbín či proudových motorů. Fraktografická analýza byla úspěšně použita při experimentálním průkazu únavové životnosti draků letadel čs. výroby L39MS, L159 a L410 UVP. V současné době probíhají ověřovací experimenty pro testování draku nově vyvíjeného letounu L39NG. (Pozn.: drak letadla tvoří nepostradatelné pevné části konstrukce: trup, křídla, ocasní plochy, podvozek a soustava řízení.)

Na přelomu století se fraktografické pracoviště významně zapojilo do výzkumných aktivit spojených s jadernou energetikou. Pro Électricité de France a Joint Research CenterPetten v Nizozemí byl realizován rozsáhlý experimentální program ověření vlivu teploty a prostředí na kinetiku šíření trhlin v materiálech pro jadernou energetiku. Vzhledem k vysoké kvalitě předběžné studie bylo fraktografické pracoviště FJFI vybráno i pro další spolupráci v rámci EU. Podílí se na řadě expertiz provozních poruch různých částí energetických zařízení (lopatek turbín, potrubí, parogenerátorů atd.) zadávaných jak elektrárnami (ČEZ), tak výrobci turbín (Doosan Škoda Power, Siemens). Velmi významné byly např. analýzy poruch lopatek obou původních turbín jaderné elektrárny Temelín. Výsledky analýz přispěly k zajištění spolehlivého provozu turbín mezi odstávkami elektrárny a byly využity i při návrzích nových turbín, které pracují od roku 2015.

Jedním z hlavních výstupů fraktografického pracoviště jsou právě zmíněné fraktografické atlasy. Fraktografické atlasy se připravovují v rámci výzkumných úkolů a jsou spojeny jednak s jednotlivými materiály, jednak s módy zatěžování (statickým, dynamickým, cyklickým, za vysokých teplot atd.). Fraktografické atlasy obsahují často stovky snímků a jejich tvorba představuje mnoho hodin mravenčí práce. Většina z těchto výstupů však podléhá firemnímu tajemství a nelze je publikovat. Fraktografický atlas zpřístupněný na stránkách http://fraktografie.fjfi.cvut.cz/atlas.html by měl sloužit jako informační základ pro zájemce nejen z řad studentů katedry materiálů FJFI ČVUT.

Perspektivní obor pro studenty

Fraktografické pracoviště se stalo nedílnou součástí pedagogické činnosti katedry materiálů FJFI. Významně se podílí na výuce nového zaměření Fyzikální inženýrství materiálů (např. v předmětech Fraktografie a mikroanalýza, Únava materiálů a Analýza poruch). Doposud zde bylo vypracováno více než 70 diplomových a 20 disertačních prací. Přínos fraktografie a řádkovací elektronové mikroskopie pro kvalitu těchto prací dokumentuje i skutečnost, že řada prací byla oceněna Českou nukleární společností (např. v roce 2009 M. Négyesi, v roce 2013 J. Štefan nebo v roce 2015 A. Janča). Oceněny byly i disertační práce Ing. M. Négyesiho, Ph.D. (Cena rektora ČVUT II. stupně za rok 2013) a disertační práce Ing. M. Kadlece, Ph.D. (Cena prof. Jaapa Schijveho za rok 2015, kterou uděluje International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity za nejlepší disertační práci na světě v oboru letectví). Profil absolventa nabízí široké možnosti uplatnění v základním a aplikovaném výzkumu nebo při výzkumné a vývojové činnosti v průmyslové praxi. Podrobnosti o možnostech studia lze nalézt na domovských stránkách katedry.