Systematische Untersuchung des abnormalen Kornwachstums in Folge einer zyklischen Wärmebehandlung anhand von Fe-Mn-Al-Ni-X (X = Cr, Ti) Formgedächtnislegierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400008732

Die Erschließung neuer Anwendungsfelder durch Formgedächtnislegierungen (FGL) setzt die Erforschung und Entwicklung von kostengünstigen Alternativen zu dem aktuell vorwiegend zum Einsatz kommenden Nitinol (Ni-Ti) voraus. Besonders für Anwendungen mit hohem Materialbedarf, wie z.B. für Dämpfungselemente von Bauwerken, ist die kostenintensive und komplexe Herstellung von Ni-Ti, verbunden mit den relativ hohen Materialkosten, ein nicht überwindbares Hindernis. Eisenbasierte Formgedächtnislegierungen haben durch die Nutzung von aus der Stahlerzeugung bekannten Prozessrouten und durch die relativ geringen Materialkosten großes Potential, solche Anwendungsfelder zu erschließen. Insbesondere die in den letzten Jahren entwickelten Legierungssysteme Fe Ni Co Al X (X = Ta, Nb, Ti) und Fe-Mn-Al-Ni-X (X = Ti, Cr) zeigen FGL-Eigenschaften, die vergleichbar mit Ni-Ti sind. Eine der größten Herausforderungen für den Einsatz beider Legierungen in der Praxis ist die Einstellung einer geeigneten Mikrostruktur, vor allem hinsichtlich der auftretenden Phasenanteile sowie der Korngröße, -morphologie und -orientierung. So hängt das pseudoelastische Verhalten in Fe-Mn-Al-Ni-X stark von der relativen Korngröße (im Verhältnis zum Probenquerschnitt ab). Ein gutes pseudoelastisches Verhalten kann nur mit Hilfe von Korngrößen die den Querschnitt übersteigen, d.h. oligokristallinen Zuständen, erzielt werden. Ein vielversprechendes Verfahren über das solche Mikrostrukturen gezielt eingestellt werden können, ist das abnormale Kornwachstum (AGG) induziert durch eine zyklische Wärmebehandlung.Besondere Vorteile dieses neuartigen Verfahrens im Vergleich zu bekannten Formen der sekundären Rekristallisation sind die Maßhaltigkeit der Bauteilgeometrie und die problemlose Wiederholbarkeit über mehrere Wärmebehandlungszyklen hinweg. Allerdings fehlt bis jetzt ein tiefgreifendes Verständnis über die grundlegenden Mechanismen des derartig induzierten AGG sowie über entscheidende Einflussfaktoren. Erste Studien weisen bereits auf den starken Einfluss der Größe der sich entwickelnden Substrukturen in den Körnern hin. In eigenen Vorarbeiten konnten darüber hinaus erste Indizien für die Abhängigkeit des AGG von der chemischen Zusammensetzung im Fe-Mn-Al-Ni-X System herausgestellt werden.Ziel des Forschungsvorhabens ist daher ein grundlegendes Verständnis über das durch eine zyklische Wärmebehandlung induzierte AGG zu erlangen. Hierzu sollen verschiedene kritische Parameter des Prozesses für Fe-Mn-Al-Ni-X variiert werden, um deren Auswirkungen auf das AGG zu erforschen und so ausschlaggebende Kenngrößen zu identifizieren. Ein weiterer wesentlicher Aspekt des Forschungsvorhabens ist es, die Auswirkung relativ geringer Mengen der Legierungselemente Chrom und Titan auf das abnormale Kornwachstum im Vergleich zum quaternären Ursprungssystem zu erforschen. Abschließend sollen die Erkenntnisse in ein Modell zur Beschreibung des AGG induziert durch zyklische Wärmebehandlung einfließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen