Martensitische Phasenumwandlungen und Zwillingsbildung in epitaktisch gewachsenen Nickel-Titan-Schichten

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Sebastian Fähler; Professor Dr.-Ing. Martin Franz-Xaver Wagner
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383432286

Dieses Projekt befasst sich mit der Formgedächtnislegierung NiTi in Form von gezielt hergestellten epitaktischen Schichten. Die dünnen Schichten mit Dicken von ca. 100 Nano- bis zu einigen Mikrometern werden gezielt als Modellsystem eingesetzt, um hochgenaue und grundlegende Untersuchungen zu martensitischen Umwandlungen, wie beispielsweise eine Analyse der auf verschiedenen Längenskalen selbstähnlichen martensitischen Gefüge, in NiTi durchzuführen. Insbesondere wird in dem geplanten Forschungsvorhaben die Fragestellung betrachtet, ob die Morphologie der martensitischen Mikrostrukturen in NiTi primär durch thermodynamische Gleichgewichtsprozesse oder durch die am einfachsten zugänglichen Transformationspfade bestimmt wird. Die geplanten experimentellen Arbeiten befassen sich mit dem epitaktischen Wachstum von NiTi-Schichten auf verschiedenen MgO- und Al2O3-Substraten sowie mit der röntgenographischen, rasterkraft- und elektronenmikroskopischen Analyse der verzwillingten Mikrostrukturen und der dabei entstehenden Texturen. In in-situ-Untersuchungen wird die martensitische Phasenumwandlung, vor allem mit Blick auf Keimbildungsmechanismen, mittels AFM während der Abkühlung dokumentiert. Die spannungsinduzierte Umwandlung wird gezielt durch Nanoindentation und in Zugversuchen an freitragenden Schichten ausgelöst; die dabei aktivierten Zwillingssysteme werden unter Berücksichtigung der elastischen Anisotropie der Hoch- und Tieftemperaturphasen anhand mikro- und kontinuumsmechanischer Rechnungen analysiert. Mit den am Modellsystem gewonnen Erkenntnissen werden die Mechanismen bei der martensitischen Gefügebildung in NiTi skalenübergreifend beschrieben. So soll gezielt der Einfluss unterschiedlicher Zwillingsgrenzenenergien auf die Bildung des hierachischen martentischen Gefüges berücksichtigt sowie ein Vergleich und eine Abgrenzung zum mehrstufigen Nukleationsmodell, bei dem die Kinetik der Gefügebildung jeweils durch den Pfad mit der niedrigsten Energiebarriere bestimmt ist, durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen