Mehrskalen Modellierung von Formgedächtnislegierungen: Molekulardynamische Untersuchungen und FEM-Modellierung und Simulation auf der Grundlage des Müller/Achenbach/Seelecke Modells.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Oliver Kastner
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 33933982

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit dem Projekt sollte laut Antrag ein Beitrag zur skalenübergreifenden Modellierung und Simulation von Formgedächtnislegierungen (FGL) geleistet werden. Auf der mikroskopischen Skala ging es dabei um die Erforschung der strukturellen Evolutionen von Phasenübergängen in Festkörpern mit der Methode der molekulardynamischen (MD) Simulation auf der Grundlage eines Lennard-Jones basierten MD Modells mit dem Ziel, das prinzipielle Verständnis der Entstehung der materialtypischer Mikrostrukturen und deren Auswirkung auf die Prozessdiagrammen zu verbessern. Diese Arbeiten standen in engen Zusammenhang mit einem vorangegangenen DFG Projekt des Hauptantragstellers, welches bereits erfolgreich abgeschlossen ist. Der Schwerpunkt des vorliegenden Projekts lag auf der Modellierung und Simulation des thermo-mechanischen Materialverhaltens von FGL auf der makroskopischen Längenskala. Hier ging es um numerische Berechnungen auf der Grundlage des Materialmodells von Müller, Achenbach und Seelecke (MAS) mit der Finite-Elemete-Methode (FEM). Dabei wurde eine anwendungsorientierte Implementierung des MAS Modells in eine geeignete FEM-Umgebung durchgeführt und das Modell auf zweiaxiale Spannungszustände erweitert. Der Vorteil des MAS Modells ist eine physikalisch abgeleitete, thermo-mechanische Kopplung der Zustandsgleichung für FGL. Es eignet sich daher besonders gut für Designstudien von Aktoren und Strukturelementen, deren Einsatzbedingungen gekoppelte Temperatur-/Spannungseffkte implizieren. Dank seiner naturwissenschaftlichen Fundierung läßt das Modell aufschlußreiche Studien über die inneren Struktur des Material zu. Im Rahmen des Projekts konnten diese Fähigkeiten bei der theoretische Aufarbeitung experimenteller materialwissenschaftlicher Experimente demonstriert werden. Das wesentliche Ziel der Projektarbeit war die erfolgreiche Implemeniertung und Verifizierung des Modells in die finite-Elemente Plattform ABAQUS. Mit diesem Modell wurden eine Reihe von Testrechnungen durchgeführt. Die projektierte geometrische Erweiterung des MAS Materialmodells wurde durchgeführt. Mit dem implementierten ABAQUS Modell liegt nun ein neues Simulationstool für die Berechnung von gekoppelten Feldproblemen in FGL Bauteilen vor. Auf der Ebene der atomistischen Modellierung wurden in Kooperation mit Prof. Ackland von der Universität Edinburgh eine Reihe von Ergebnissen erarbeitet. Die angestrebte skalenübergreifende Verknüpfung der erzielten Ergebnisse auf der Makro- und der Atomskala gelang in Rahmen des Projekts jedoch nur ansatzweise. Hier liegt weiterer Forschungsbedarf vor. In der Diplomarbeit von Frau Dipl.-Ing. Stefanie Jaeger konnten einige MAS Modelleigenschaften hinsichtlich thermischer Austenit-Martensit Phasenübergange herausgearbeitet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit führten auf neue Fragestellungen. Hier geht es um eine theoretische Studie zu Größenordnungseffekten in FGL, die experimentell am Lehrstuhl für Werkstoffe der Mikrotechnik am Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum in nanoskaligen Dünnschichtfolien beobachtet wurden. In Bauteilen dieser Größenordnung bewirken thermische und chemische Inhomogenitäten ein abweichendes Materialverhalten. In Simulationsstudien sollen diese Effekte mit dem MAS Modell nachgewiesen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Finite-element-simulations of polycrystalline shape memory alloys. In Smart Structures and Materials and Nondestructive Evaluation and Health Monitoring 2008, San Diego, CA, USA, March 09-13 2008
  F. Richter
  
• Implementation of the Müller-Achenbach-Seelecke model for shape memory alloys in ABAQUS. J. Mat. Eng. Perform., 18(5-6):626–630, 2009. Special issue containing contributions from the Shape Memory and Superelastic Technology Conference, Stresa, Italy, September 21-25, 2008
  F. Richter, O. Kastner, and G. Eggeler
  
• Finite - element model for simulations of fully coupled thermomechanical processes in shape memory alloys. In ESOMAT 2009. EDP Sciences, 2009
  F. Richter, O. Kastner und G. Eggeler
  
• Mesoscale kinetics produces martensitic microstructure. J. Mech. Phys. Solids, 57(1), 109-121, 2009
  O. Kastner and G.J. Ackland.
  
• Multivariant formulation of the thermomechanically coupled Müller-achenbach-seelecke-model for shape memory alloys. In Proc. of the ASME 2009 Conference on Smart materials, adaptive structures and intelligent systems, Oxnard, CA, USA, Sep. 20-24 2009. ASME
  O. Kastner, F. Richter, and G. Eggeler
  
• A molecular dynamics view of hysteresis and functional fatigue in martensitic transformations. Preprint Series Weierstraß Institut for Applied Analysis and Stochastics. Preprint 1497, 2010
  O. Kastner, G.J. Ackland, G. Eggeler and W. Weiss
  
• Principle molecular dynamics simulations study on lattice transformations in shape memory alloys. Habilitationsschrift, Ruhr-Universität Bochum 2010
  O. Kastner
  
• Finite-element simulation of the anti-bucklingeffect of a shape memory alloy bar. J. Mater. Eng. Perform., 29, 719–739, 2011
  F. Richter, O. Kastner und G. Eggeler
  
• Molecular dynamics simulations of the evolution of microstructure during cyclic martensitic transformations. J. Mech. Phys. Solids
  O. Kastner, G. Eggeler, W. Weiss and G.J. Ackland