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Einführung in die Funktionswerkstoffe1 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Vorbereitung Demonstrationsobjekte mitnehmen: -FGL-Demonstrator -Stent.

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Präsentation zum Thema: "Einführung in die Funktionswerkstoffe1 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Vorbereitung Demonstrationsobjekte mitnehmen: -FGL-Demonstrator -Stent."—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Funktionswerkstoffe1 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Vorbereitung Demonstrationsobjekte mitnehmen: -FGL-Demonstrator -Stent

2 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 4: thermische Formgedächtniswerkstoffe Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh

3 Einführung in die Funktionswerkstoffe3 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Lernziele Kapitel 4: thermische Formgedächtniswerkstoffe Welche Voraussetzungen müssen für den Formgedächtniseffekt erfüllt sein? Was genau passiert beim Einweg-/Zweiweg-Effekt? Was versteht man unter Superelastizität? Wie prägt man die verschiedenen Effekte auf? Wie trainiert man den Zweiweg-Effekt?

4 Einführung in die Funktionswerkstoffe4 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Welche Voraussetzungen müssen für den Formgedächtniseffekt erfüllt sein? 1. Kompatibilität: neue Phase muss sich in Matrixphase bilden können d.h. ohne Mikrobrüche Gitterähnlichkeit muss vorhanden sein! Atomabstände, Symmetrie, Koordination z.B. krz-kfz, krz-hdp, kfz-hdp. 2.Geringe Diffusion: Umwandlungstemperatur T muss in einem T-Bereich liegen, in dem die Sprungzeit t 0 für atomare Platzwechsel groß ist. Hierbei ist t 0 = b 2 /D mit D(T) = Diffusionskoeffizient in m 2 /s und b dem kleinsten Atomabstand! Typischerweise: T 1/3 T m 3.Reversibilität: Bei Erwärmung ( - Umwandlung) muss die ursprüngliche -Struktur möglichst fehlerfrei wiederhergestellt werden können!

5 Einführung in die Funktionswerkstoffe5 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe LegierungUmwandlungVolumeneffekt CuZn - 0 NiTi - 0 FeNi FeMn - (hdp) Martensittransformation Die Rolle der Phasenumwandlung

6 Einführung in die Funktionswerkstoffe6 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Historie Historisch: Entdeckung des gummiartigen Effektes (Pseudoelastizität) an Au-47 at. % Cd 1932 durch Ölander et al. ~ 1950 Chang & Read entdecken Einwegeffekt an vorheriger Legierung William Buehler: Memory-Effekt an NiTi (NITINOL-NiTiNaval Ordnance Lab) Erzielbare Formänderungen liegen bei 6-8%! Was genau passiert beim Einwegeffekt? a)Ausgangspunkt ist ein austenitischer Einkristall. b)Abkühlen unter M s liefert Martensit mit bis zu 24 Varianten (Warum?) c)Externe mechanische Spannung führt zum Wachstum günstig orientierter Martensitvarianten. Es entsteht schließlich ein martensitischer Einkristall! d)Erwärmung über A s überführt wieder die Martensitphase in die hochsymmetrische, kubische Austenitphase (Warum wandelt sich der Martensit nicht in einen Multivarianten-Austenit um?).

7 Einführung in die Funktionswerkstoffe7 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Einwegeffekt Schematische Darstellung

8 Einführung in die Funktionswerkstoffe8 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Einwegeffekt

9 Einführung in die Funktionswerkstoffe9 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Einwegeffekt [Quelle: Kaack et al.]

10 Einführung in die Funktionswerkstoffe10 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Martensitplateau

11 Einführung in die Funktionswerkstoffe11 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Verknüpfung Martensittransformation & Einwegeffekt

12 Einführung in die Funktionswerkstoffe12 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Pseudoelastizität [Quelle: Kaack et al.] Video: Stent

13 Einführung in die Funktionswerkstoffe13 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe T AsAs MfMf AfAf MsMs Kritische Spannung zum Induzieren von Martensit c1 c2 Formgedächtniseffekt Superelastizität

14 Einführung in die Funktionswerkstoffe14 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Abb. F30: Schematische Darstellung thermodynamischer und mechanischer Eigenschaften beim Unterkühlen der Hochtemperaturphase. a)Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie der Phasen und b)Oberhalb von M s kann die Umwandlung durch eine äußere Schubspannung herbeigeführt werden. c)Die Streckgrenze von nimmt infolge spannungsinduzierter Umwandlung ab. Folgende Temperaturbereiche können unterschieden werden: I Plastische Verformung im Martensit II Spannungsinduzierte Umwandlung in III Umwandlung von zuvor plastisch verformtem IV Plastische Verformung von Formgedächtniswerkstoffe

15 Einführung in die Funktionswerkstoffe15 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Vergleich mit - Diagramm des Austenits [Quelle: Thienhaus et al.] - Diagramm des Austenits

16 Einführung in die Funktionswerkstoffe16 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Zweigeffekt [Quelle: Kaack et al.] Video: SMA-2way

17 Einführung in die Funktionswerkstoffe17 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Zweigeffekt Wie trainiert man den Werkstoff? Durch Shape Memory Effect Training (SME-Training): Die Formgedächtniswerkstoffe werden bei tiefer Temperatur verformt und anschließend über A f erwärmt. Diese Behandlung wird mehrfach durchgeführt, bis bei der Martensitbildung eine bevorzugte Variante entsteht. Durch Stress Induced Martensite Training (SIM-Training): Mehrfache Verformung oberhalb A f. Dabei entsteht spannungsinduzierter Martensit mit einer bevorzugten Orientierung. Nach einigen Zyklen sind diese Varianten stabilisiert, so dass die Form im Niedertemperaturbereich ohne äußere Kraft eingenommen wird. Kombiniertes SIM + SME-Training: Legierungen werden bei hoher Temperatur verformt und im eingespannten Zustand abgekühlt. Aufgrund von Ausscheidungen: In Nickel-Legierungen mit ca at. % Ni scheiden sich bei thermischer Alterung oberhalb von 600 °C intermetallische Phasen Ni 4 Ti 3 in linsenförmiger Gestalt aus. Bei Abkühlung entstehen elastische Spannungsfelder um diese Ausscheidungen, die das Wachstum bestimmter Martensitvarianten favorisieren.

18 Einführung in die Funktionswerkstoffe18 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Einüben des Zweigeffekt Shape Memory Effect Training (SME-Training)

19 Einführung in die Funktionswerkstoffe19 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Einüben des Zweigeffekt Shape Memory Effect Training (SME-Training)

20 Einführung in die Funktionswerkstoffe20 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Zweigeffekt Wie trainiert man den Werkstoff? Durch Shape Memory Effect Training (SME-Training): Die Formgedächtniswerkstoffe werden bei tiefer Temperatur verformt und anschließend über A f erwärmt. Diese Behandlung wird mehrfach durchgeführt, bis bei der Martensitbildung eine bevorzugte Variante entsteht. Durch Stress Induced Martensite Training (SIM-Training): Mehrfache Verformung oberhalb A f. Dabei entsteht spannungsinduzierter Martensit mit einer bevorzugten Orientierung. Nach einigen Zyklen sind diese Varianten stabilisiert, so dass die Form im Niedertemperaturbereich ohne äußere Kraft eingenommen wird. Kombiniertes SIM + SME-Training: Legierungen werden bei hoher Temperatur verformt und im eingespannten Zustand abgekühlt. Aufgrund von Ausscheidungen: In Nickel-Legierungen mit ca at. % Ni scheiden sich bei thermischer Alterung oberhalb von 600 °C intermetallische Phasen Ni 4 Ti 3 in linsenförmiger Gestalt aus. Bei Abkühlung entstehen elastische Spannungsfelder um diese Ausscheidungen, die das Wachstum bestimmter Martensitvarianten favorisieren.

21 Einführung in die Funktionswerkstoffe21 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Einüben des Zweigeffekt Stress Induced Martensite Training (SIM-Training) Mehrfache Verformung oberhalb A f. spannungsinduzierter Martensit bevorzugten Orientierung. Varianten stabilisieren sich

22 Einführung in die Funktionswerkstoffe22 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Zweigeffekt Wie trainiert man den Werkstoff? Durch Shape Memory Effect Training (SME-Training): Die Formgedächtniswerkstoffe werden bei tiefer Temperatur verformt und anschließend über A f erwärmt. Diese Behandlung wird mehrfach durchgeführt, bis bei der Martensitbildung eine bevorzugte Variante entsteht. Durch Stress Induced Martensite Training (SIM-Training): Mehrfache Verformung oberhalb A f. Dabei entsteht spannungsinduzierter Martensit mit einer bevorzugten Orientierung. Nach einigen Zyklen sind diese Varianten stabilisiert, so dass die Form im Niedertemperaturbereich ohne äußere Kraft eingenommen wird. Kombiniertes SIM + SME-Training: Legierungen werden bei hoher Temperatur verformt und im eingespannten Zustand abgekühlt. Aufgrund von Ausscheidungen: In Nickel-Legierungen mit ca at. % Ni scheiden sich bei thermischer Alterung oberhalb von 600 °C intermetallische Phasen Ni 4 Ti 3 in linsenförmiger Gestalt aus. Bei Abkühlung entstehen elastische Spannungsfelder um diese Ausscheidungen, die das Wachstum bestimmter Martensitvarianten favorisieren.

23 Einführung in die Funktionswerkstoffe23 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Abb. F23: All-Round-Effekt a)martensitische -NiTi-Probe b)Probe verformt und in Zwangslage thermisch gealtert c)Abgekühlt auf T < M f d)Erwärmt ins Austenit-Gebiet Formgedächtniswerkstoffe Einüben des Zweigeffekt Erzeugung von Ausscheidungen

24 Einführung in die Funktionswerkstoffe24 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Zweigeffekt Erzeugung von Ausscheidungen Ni 4 Ti 3 Ausscheidungen haben eine rhomboedrische Struktur. Jeweils 8 Nickel und 6 Titan- Atome bilden eine Elementarzelle. Ausscheidungen entstehen als fein verteilte Plättchen in der Austenitmatrix. Große Spannungsfelder durch Schrumpfung um 2.7 % in [111]-Richtung und senkrecht dazu um 0.3 %. Ab einer Größe von 10 nm verlieren die Teilchen ihre Kohärenz zur Matrix [Kaack et al.].

25 Einführung in die Funktionswerkstoffe25 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Thermische Formgedächtnislegierungen Das System NiTi [Quelle: Kaack et al.]

26 Einführung in die Funktionswerkstoffe26 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Ergänzungen: Das System NiTi war lange Zeit umstritten. Aufgeklärt wurde es durch Massalski und Otsuka et al.. Technologisch interessant ist der mittlere Bereich um eine Ni-Konzentration von 50 at. %, da nur hier der Phasenübergang beobachtet wird. Außerhalb des Homogenitätsbereiches beginnt eine Entmischung, die besonders auf der Ni-reichen Seite interessant ist. Bei Konzentrationen oberhalb 50.5 at. % findet man Ausscheidungen mit den Zusammensetzungen Ni 4 Ti 3, Ni 3 Ti 2 und Ni 3 Ti, die in dieser Reihenfolge mit fortdauerndem Altern bei höheren Temperaturen entstehen [Quelle: Kaack et al.]. Die Hochtemperaturphase der stöchiometrischen Verbindung Ni 50 Ti 50 besitzt eine B2-Struktur, d.h. geordnet kubisch-raumzentriert! Die Löslichkeit auf der Ti-reichen Seite beträgt bei allen Temperaturen nicht mehr als 0.5 at. % Ti-Überschuss in der B2-Matrix, während sie auf der Ni- reichen Seite bei T> 600 °C relativ schnell wächst. Thermische Formgedächtnislegierungen Das System NiTi

27 Einführung in die Funktionswerkstoffe27 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Thermische Formgedächtnislegierungen Das System NiTi Die Abhängigkeit der Umwandlungstemperatur von der Zusammensetzung I [Quelle: Kaack et al.][Quelle: Thienhaus et al.]

28 Einführung in die Funktionswerkstoffe28 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Weitere Legierungseinflüsse Substitution des Titans durch V, Cr, Mn und Al führt zu einer Absenkung der Transformationstemperaturen. Substitution des Nickels durch Co und Fe verringert ebenfalls die Umwandlungstemperaturen. Die Zugabe von Hf oder Pd erhöht die Transformationstemperaturen auf 300 bis 500 °C! Eine Variation der Hysteresebreite ist über die Zugabe von Nb möglich. T beträgt in diesem Fall bis zu 145 °C. Cu erniedrigt hingegen drastisch die Breite der Hysterese auf 4 °C. Thermische Formgedächtnislegierungen Das System NiTi

29 Einführung in die Funktionswerkstoffe29 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Anwendungen Ventile für Hochgeschwindigkeitszüge (Bild: Shinkansen in Japan) Rohrkupplungen Gefäßstents Endoskope Roboter Zahnspangen

30 Einführung in die Funktionswerkstoffe30 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Formgedächtniswerkstoffe Eigenschaften verschiedener Legierungen [Quelle: Musolff et al. 2005]

31 Einführung in die Funktionswerkstoffe31 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Die Abhängigkeit der Umwandlungstemperatur von der Zusammensetzung II Ergänzungen: Die Martensitstarttemperatur M s hängt beim System NiTi stark von der Ni-Konzentration ab. Für Konzentrationen > 50 at. % Ni sinkt M s mit mehr als 150 K pro at. % Ni. Bei ca at. % Ni lässt sich kein martensitischer Phasenübergang mehr beobachten!! Auf der Ti-reichen Seite des Phasendiagramms steigen die Umwandlungstemperaturen nicht so stark an, aber dennoch beobachtet man eine erhöhte Sensitivität dieser gegenüber dem Ti- Gehalt. Ein zu hoher Ti-Gehalt fällt in Form von Ti 2 Ni Ausscheidungen aus. Im reinen System NiTi sind keine Umwandlungstemperaturen oberhalb von 350 K möglich. Substituiert man Nickel durch Kupfer, so wird die zuvor beschriebene Sensitivität stark reduziert! Mit steigendem Cu-Gehalt nimmt die Hysteresebreite zunächst ab und bleibt bei etwa 8 at. % Cu nahezu konstant. Die geringsten Hysteresebreiten im Bulk werden hierbei mit 4°C angegeben [Quelle: Thienhaus et al.]. Bis zu 30 at. % Cu bleibt die martensitische Transformationsfähigkeit erhalten. Der Einfluss des Kupfers liegt in einer Gitteraufweitung des NiTi. Durch Zulegieren wird das NiTi-Gitter um ca. 1.5 % geweitet (bei einer Zugabe von ~ 10 at. % Cu!). Thermische Formgedächtnislegierungen Das System NiTi


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