Offene Fragen zur Zwillingsbildung in funktionellen und strukturellen Ingenieurwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Franz-Xaver Wagner
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 40116301

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In der Emmy Noether-Gruppe „Zwillingsbildung“ wurden umfangreiche experimentelle und theoretische/ numerische Untersuchungen zum Materialverhalten von NiTi-Formgedächtnislegierungen und von TiAl durchgeführt. Dabei stand die Zwillingsbildung in diesen als Modellwerkstoffen ausgewählten Materialien im Vordergrund. Zwillinge entstehen durch elementare Verformungs- oder Transformationsmechanismen (mechanische bzw. Umwandlungszwillinge) unter Scherung, so dass innerhalb eines Kristallits Bereiche (sog. Varianten) mit unterschiedlichen, zueinander wohldefinierten Orientierungen entstehen. Durch unsere Arbeiten konnten Fragestellungen zum elastischen Verhalten verschiedener Phasen in NiTi und zu Lokalisierungsphänomenen in pseudoelastischen Legierungen geklärt werden. So konnte gezeigt werden, dass B19’-Martensit eine ausgeprägte elastische Anisotropie aufweist, und dass der grundlegende Elastizitätsmodul von B19’ deutlich über dem aus experimentellen Messungen erwarteten Wert liegt. Sowohl die Dehnungs- und Phasenverteilungen in den Grenzbereichen zwischen Martensit- und Austenit-Bändern bei der Verformung von pseudoelastischem NiTi als auch die Spannungszustände in diesen Bereichen konnten experimentell (DIC-Verfahren, in situ-Beugung) bzw. numerisch (FEM) genau analysiert werden. Mechanische Zwillingsbildung bei der Kriechverformung von TiAl wurde dokumentiert und in Relation zu den dominierenden Verformungsmechanismen (wie Korngrenzgleiten und konventioneller Versetzungsplastizität) gesetzt. Dabei wurden unterschiedliche Ausprägungen der Zwillingsbildung in globularen und lamellaren Bereichen charakterisiert. Die Eigenschaften und das Verformungsverhalten von verzwillingten martensitischen Strukturen in NiTi konnten mikromechanisch beschrieben werden. Mit dem neu aufgestellten anisotropen Modell können erstmals die in den einzelnen Varianten auftretenden Kompatibilitätsspannungen und damit auch weitere Verformungsmechanismen besser beschrieben werden. Diese theoretischen Arbeiten wurden durch umfangreiche Untersuchungen zur Umwandlung in kleinen Probenvolumina ergänzt. Durch meinen Wechsel an die TU Chemnitz erwies es sich schließlich als sinnvoll, mechanische Zwillingsbildung zudem in Mg-Legierungen zu untersuchen und dabei die in Chemnitz verfügbaren apparativen Aufbauten und experimentellen Methoden einzubeziehen. Die Ergebnisse der Emmy Noether-Gruppe bilden sie die Grundlage für weitere Arbeiten, die derzeit an der TU Chemnitz durchgeführt werden, und in denen es unter anderem um Zwillinge in Mg-Legierungen, NiTi-Dünnschichten und das thermo-mechanische Verhalten von NiTi unter komplexen Spannungszuständen geht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Lattice stability, elastic constants and macroscopic moduli of NiTi martensites from first principles. Acta Materialia 56, 2008, 6232- 6245
  M.F.-X. Wagner, W. Windl
  
• Grain Boundary Sliding in a TiAl Alloy with Fine-Grained Duplex Microstructure during 750°C Creep. Materials Science and Engineering A510-511, 2009, 359-363
  D. Peter, G.B. Viswanathan, M.F.-X. Wagner, G. Eggeler
  
• Microstructural and mechanical challenges in biomedical NiTi. Proc. of ICSMA 2009, Journal of Physics: Conference Series 240, 012004
  M.F.-X. Wagner
  
• Microstructural anisotropy, uniaxial and biaxial creep behavior of Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C. Materials Science and Engineering A510-511, 2009, 368-372
  D. Peter, J. Pfetzing, M.F.-X. Wagner, G. Eggeler
  
• Microstructural evolution during multi-axial deformation of pseudoelastic NiTi studied by first-principles-based micromechanical modelling. Acta Materialia 57, 2009, 3856-3867
  R. Heinen, K. Hackl, W. Windl, M.F.-X. Wagner
  
• Nanoindentation of pseudoelastic NiTi shape memory alloys: Thermo-mechanical and microstructural aspects. International Journal of Materials Research 100, 2009, 936-942
  J. Pfetzing, A. Schäfer, Ch. Somsen, M.F.-X. Wagner
  
• A finite element study on localized deformation and functional fatigue in pseudoelastic NiTi strips. Materials Science and Engineering A527, 2010, 1172-1178
  C. Grossmann, A. Schaefer, M.F.-X. Wagner
  
• Microstructural characterization of lamellar features in TiAl by FIB imaging. Advanced Engineering Materials 12, 2010, 447- 452
  D. Peter, G. Eggeler, M.F.-X. Wagner
  
• Microstructure, crystallographic texture and mechanical properties of the magnesium alloy AZ31B after different routes of thermo-mechanical processing. International Journal of Plasticity 35, 2012, 155-166
  S. Seipp, M.F.-X. Wagner, K. Hockauf, I. Schneider, L.W. Meyer, M. Hockauf
  
• On the crystallographic anisotropy of nanoindentation in pseudoelastic NiTi. Acta Materialia 61, 2013, 602-616
  J. Pfetzing-Micklich, C. Somsen, A. Dlouhy, C. Begau, A. Hartmaier, M.F.-X. Wagner, G. Eggeler