Zwillingselastizität von Formgedächtnislegierungen - eine wenig erforschte Alternative zur Pseudoelastizität mit hohem Anwendungspotential
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt wurden die mechanischen Eigenschaften von vorverformten martensitischen Formgedächtnislegerungen auf Basis von NiTi untersucht. Die Arbeiten zielten darauf ab, einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der sogenannten „Zwillingselastizität“ oder „linearen Pseudoelastizität“ zu leisten. Dieser Effekt erlaubt eine sehr hohe reversible Verformbarkeit und ist für viele technologische Anwendungen attraktiv. Im Projekt wurde Probematerial mit verschiedenen Zusammensetzungen und Mikrostrukturen hergestellt und anschließend metallkundlich charakterisiert. Dabei wurde ein großer Parameterraum betrachtet und es wurden verschiedene moderne Untersuchungsmethoden (hochauflösende Zugversuche, Dynamisch Mechanische Analyse und Digital Image Correlation) angewendet. Die folgenden Schlüsselergebnisse konnten erarbeitet werden: I) Es wurden Zusammensetzungen und Mikrostrukturen identifiziert, die eine relativ hohe reversible Verformbarkeit erlauben. Im Fall von stark vorverformten NiTiCu-Legierungen konnte eine hohe mechanische Stabilität erreicht werden. II) Für die Verformbarkeit des Materials spielt die Mobilität von Martensit-Zwillingsgrenzen eine elementare Rolle. Die kritische Spannung, die überschritten werden muss, um Veränderungen der martensitischen Mikrostruktur zu erzielen, ist stark von der Temperatur, von der Zusammensetzung, aber auch von Mikrostrukturen abhängig. Die Zugabe von Cu zu binärem NiTi erleichtert die Verschiebung von Zwillingsgrenzen. Eine hohe Dichte von Austenit-Korngrenzen, sowie feine Ausscheidungsteilchen, behindern die Beweglichkeit von Zwillingsgrenzen. III) Die mit der Verformung des Probenmaterials verbundene Textur-Änderung wurde in-itu durch Neutronenbeugungsversuche im Forschungsreaktor FRMII in Garching charakterisiert. In den Versuchen wurde beobachtet, dass die Änderungen der Mikrostruktur beim Beund Entlasten sehr komplex ist. Entgegen der vorherrschenden Meinung, dass in ZE-NiTi nur Verbund-Zwillinge entstehen, wurde zusätzlich die Bildung von Typ I- und Typ II-Zwillingen eindeutig nachgewiesen. Es wurde darüber hinaus beobachtet, dass die Änderungen der Martensit-Textur überraschend gering sind. Ein großer Teil der Verformung beim Belasten von ZE-NiTi basiert somit auf einer rein elastischen Verformung des Martensits.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Untersuchung zur Zwillingselastizität in NiTi(Cu)-Formgedächtnislegierungen“, Doktorarbeit, Ruhr-Universität Bochum, Dez. 2015
T. Birk
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„Twinning-Induced Elasticity in NiTi Shape Memory Alloys“, Shape Memory and Superelasticity 2 (2016), 145-159
T. Birk , S. Biswas, J. Frenzel, G. Eggeler
