Entwicklung neuer Gusswerkstoffe mit gezielt eingestelltem hohem Dämpfungsvermögen für innovative Anwendungen im Schiffs- und Maschinenbau
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mehrphasige Proben, in denen Austenit und ein oder mehrere Martensite nebeneinander vorliegen, weisen eine sehr hohe Dämpfung auf Cu-Al-Mn-Legierungen mit austenitischem Grundgefuge weisen im Temperaturbereich der sparmungsinduzierten Martensitbildung zwischen der Martensit-Starttemperatur Ms und MD (maximale Temperatur für die Bildung von spannungsinduziertem Martensit) eine besonders hohe Dämpfung auf Diese wird umso höher, je näher die Temperatur an Ms liegt und je geringer der Mangangehalt der Legierung ist (untersucht wurde bis minimal 3 Gew.-% Mangan). Dabei wird ein rascher Anstieg der dehnungsabhängigen Dämpfung mit der Dehnungsamplitude beobachtet. Bei besonders hoch dämpfenden Proben tritt in der Regel ein Maximum im Verlauf der von der Dehnungamplitude abhängigen Dämpfung auf Rein martensitische Proben weisen eine deutlich geringere Dämpfung auf, als mehrphasige (austenitisch/martensitische Proben). Die geringste Dämpfung wird in Proben mit Austenit als vorherrschender Phase ohne spaimungsinduzierte Martensitbildung erzielt. Diese Legierungen köimen nicht als hochdämpfend bezeichnet werden. Durch intensive Untersuchung der Abhängigkeit der Martensit- und Austenit-Starttemperatur vom Aluminiumgehalt sind neue Erkenntnisse über die im Vergleich zu anderen Formgedächtnislegierungen wenig erforschten Cu-Al-Mn-Legierungen gewonnen worden. Es wurde festgestellt, dass sich der in Legierungen mit etwa 5 Gew.-% Mangan und 11,4 Gew.- % Alimiiniimi mit steigenden Alimiiniumgehalten einsetzende Wechsel der Martensitstruktur von 18R hin zu 2H unmittelbar aufden Verlauf von Ms auswirkt. Mit einem neu entwickelten Verfahren wird das Dämpfimgsmaximum im Bereich von Ms durch Gießen herzustellender Werkstücke anwendungsspezifisch auf die Einsatztemperatur eingestellt. Dazu werden die charakteristischen Temperaturen der martensitischen Phasenumwandlung parallel zum Schmelzbetrieb schnell und exakt an einer aus der Schmelze entnommenen Probe bestimmt und anschließend durch definierte Zugabe von Legierungselementen auf die Zieltemperatur eingestellt. Die Umwandlungstemperaturen werden während eines definierten Temperatur-Zeit-Zyklus über die Messung der akustischen Emissionen bestimmt, die während der martensitischen Phasenumwandlung durch die kooperative Bewegung großer Atomgruppen freigesetzt werden. Eine gute, sicher reproduzierbare und mit der Haltezeit der Schmelze nur langsam abklingende Komfeinung von Cu- Al-Mn-Legierungen konnte durch kombinierte Zugabe von Eisen und Bor erreicht werden. Für die hochdämpfenden Cu-Al-Mn-Legierungen konnte nachgewiesen werden, dass sich die Dämpfung aus drei Anteilen zusammensetzt, wie es auch bei anderen hochdämpfenden Legierungen der Fall ist, deren Dämpfung auf einer martensitisch-austenitischen Phasenumwandlung beruht. Diese Anteile sind die Dämpfung der vorherrschenden Phase, die Dämpfung aufgrund der Phasenumwandlung und der transiente Anteil der Dämpfung, der nur bei Temperaturveränderungen aufhitt und eine ausgeprägte Abhängigkeit sowohl von der Frequenz der mechanischen Schwingung als auch von der Aufheiz- bzw. Abkühlrate der jeweiligen Probe besitzt. In Cu-Al-Mn-Legierungen mit höheren Aluminiumgehalten wurden während des Abkühlens und Aufheizens mehrere verschiedene Umwandlungen nachgewiesen. Dies sind Umwandlungen vom Austenit in die unterschiedlichen Martensite, die Umwandlungen unterschiedlicher Martensite in Austenit und Umwandlungen zwischen den einzelnen Martensiten. Das hohe Dämpfungsniveau der untersuchten Cu-Al-Mn-Formgedächtnislegierungen karm durch unterschiedliche Wärmebehandlungen wesentlich erhöht werden. Zu diesen Wärmebehandlungen gehören vor allem eine Homogenisierung bei 850 °C mit nachfolgender Abschreckung in Wasser, kurze Wärmebehandlungen bei 200°C und Abkühlung auf flüssigen Stickstoff. Durch diese Verfahren sind in den neu entwickelten Legierungen spezifische Dämpfungskapazitäten bis zu 80 % erreicht worden. Zum Vergleich: Der im Maschinenbau allgemein als gut dämpfend bekannte Werkstoff Gusseisen mit Lamellengraphit hat eine Dämpfungskapazität von nur etwa 1 %. Neben Wärmebehandlungen kann das Niveau der Dämpfung in Cu-Al-Mn-Formgedächtnislegierungen auch durch plastische Verformungen beeinflusst werden. Dabei kann die Dämpfung abhängig vom Ausgangszustand erhöht oder vermindert werden. Auch die Duktilität der Formgedächtnislegierungen hängt neben der Zusammensetzung der Proben von dem Anteil der Phasen Austenit und Martensit ab. Sowohl nach unterschiedlichen Wärmebehandlungen als auch nach dem Kaltverformen sinkt die Dämpfung beim Lagern bei Raumtemperatur durch Alterung, daher wurden verschiedene Ursachen für die Alterung analysiert. Ebenso wurde der Einfluss des thermischen Zyklierens auf die Dämpfung und Mikrostruktur der Cu-Al-Mn-Legierungen untersucht. Nach 100 thermischen Zyklen zwischen 77 K und 473 K wurden Risse im Gefüge beobachtet. Zusätzlich wurde der Einfluss des zyklischen Ermüdens auf die Dämpfung der Cu-Al-Mn-Legierungen untersucht, dabei wurde eine Abnahme der Dämpfung mit steigenden Schwingspielzahlen nachgewiesen. Die aktuelle Dämpfung einer Probe wird immer hauptsächlich durch die letzte charakteristische Temperatur im Zyklus beeinflusst. Die Dämpfung der Cu-Al-Mn Legierungen steigt also ähnlich wie im Fall des Glühens bei T > AF (Austenit-Finishtemperatur) an oder sinkt im Fall der Lagerung bei T < MF (Martensit-Finishtemperatur). Die durch die Ermüdung verursachten Defekte verändern die Temperaturen, die Hysterese und den Verlauf der Phasenumwandlung und damit das Dämpfungsniveau. Die Cu-Al-Mn-Formgedächtnislegierungen sind im untersuchten Zusammensetzungsbereich paramagnetisch, im Laufe des Alterungsprozesses können jedoch ferromagnetische Phasenanteile auftreten. Die hochdämpfenden Cu-Al-Mn-Legiemngen und das Verfahren zu ihrer Herstellung wurden bereits zum Patent angemeldet (Patentanmeldung DE 102005035709.1). Die hervorragende Dämpfung der Cu-Al-Mn-Legierungen wurde auf der Hannover-Messe 2006 anhand einer aus dieser Legierung gegossenen Glocke mit ihrem gut klingenden Pendant auf dem Gemeinschaftsstand der Hochschulen des Landes Niedersachsen anschaulich demonstriert. Im Laufe der Arbeiten haben sich neue, interessante Fragestellungen ergeben. Der in Legierungen mit etwa 5 Gew.-% Mangan und 11,4 Gew.-% Aluminium mit steigenden Aluminiumgehalten einsetzende Wechsel der Martensitstruktur von 18R hin zu 2H wirkt sich unmittelbar auf den Verlauf der Martensit-Starttemperatur aus. Ein entsprechender Einfluss auf die Austenit-Starttemperatur konnte nicht nachgewiesen werden. Hier sollten durch genauere Untersuchungen die Phasenanteile in Abhängigkeit von Aluminiumgehalt und Temperatur sowie die Martensit- und Austenit-Starttemperaturen beider Martensittypen genauer untersucht werden, da die Dämpfung der Legierung durch die Überlagerung der mechanischen Hysteresen beider Martensittypen erhöht wird. Durch die Herstellung von Cu-Al-Mn-Legierungen mit gezielt eingestellter Martensit- Starttemperatur kann das hohe Dämpfungsvermögen im Bereich der spannungsinduzierten Phasenumwandlungen Austenit-Martensit und Martensit-Martensit für Anwendungen ausgenutzt werden, in denen eine hohe Materialdämpfling gefordert wird. Bei entsprechender Herstellung ist die Dämpfung der Cu-Al-Mn-Legierungen der Dämpfung kommerzieller hochdämpfender Legierungen fast im gesamten technisch nutzbaren Dehnungsamplitudenbereich bei weitem überlegen. Zusätzlich kann die martensitische Phasenumwandlung in Cu-Al-Mn- Legierungen abhängig von der chemischen Zusammensetzung in einem breiten Temperaturbereich auftreten, so dass sich gute Perspektiven für Dämpfungsanwendungen bei verschiedenen Temperaturen ergeben. Die Anwendung eines entsprechenden Verfahrens ist bisher nicht bekannt. Bedingt durch die endabmessungsnahe Herstellbarkeit durch Gießen und die bei geeigneter Herstellung und Anwendung sehr hohe Dämpfung können mit den Cu-Al-Mn-Legierungen bestehende Anwendungsgebiete für hochdämpfende Konstruktionswerkstoffe erweitert und neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. Entsprechende Anwendungsgebiete sind sowohl im schweren Maschinenbau als auch beispielsweise beim Einsatz als Schwingungsdämpfer in Festplattenmotoren zur Erhöhung des Datentransfers bei gleichzeitiger Verringerung der Lautstärke vorstellbar. Relaxationsmessungen zeigten, dass anelastische Effekte sehr wenig zur Dämpfimg der untersuchten Werkstoffe beitragen. Durch die hysteretische Natur der hohen Dämpftmg in Cu-Al-Mn-Formgedächtnislegierungen können diese dort eingesetzt werden, wo eine hohe Dämpfung bei gleichzeitiger schwacher Relaxation gefordert wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Ageing effects after heat treatment in Cu-Al-Mn shape memory alloys" "15 Intemational Conference on Intemal Friction and Mechanical Spectroscopy" Pemgia, Italy, 19-25 July 2008
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"Amplitude Dependent Intemal Friction of CuAlMn Shape Memory Alloys" Intemationale Konferenz HDM-2 (High Damping Materials Conference-2) Kyoto, Japan, 9-10 September 2005
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"Effect of cold rolling on the damping of Cu-Al-Mn shape memory alloys" 11-th Intemational Conference on IMPERFECTION INTERACTION AND ANELASTIC PHENOMENA IN SOLIDS Tula, Russland, 24-28 September 2007
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"Influence of thermal cycling and equivalent heat treatment on amplitude dependence of intemal fiiction in CuAlMn shape memory alloys" 11-th Intemational Conference on IMPERFECTION INTERACTION AND ANELASTIC PHENOMENA IN SOLIDS Tula, Russland, 24-28 September 2007
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"Mechanical and fatigue properties of Cu-Al-Mn shape memory alloys with influence of mechanical cycling on amplitude dependence of intemal friction at room temperature" 11-th Intemational Conference on IMPERFECTION INTERACTION AND ANELASTIC PHENOMENA IN SOLIDS Tula, Russland, 24-28 September 2007
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Mielczarek, A., Marczyk, M., Riehemaim, W. "Influence of thermal cycling and equivalent heat treatment on amplitude dependence of intemal friction in CuAlMn shape memory alloys". Solid State Phenomena, V0LI37 (2008) 137-144
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Mielczarek, A., Riehemann, W., Vogelgesang, S., Tonn, B. "Mechanical and fatigue properties of Cu-Al-Mn shape memory alloys with influence of mechanical cycling on amplitude dependence of intemal friction at room temperature", Solid State Phenomena, Vol. 137 (2008) 145-154
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Mielczarek, A., Riehemann, W., Vogelgesang, S., Zak, H., Tonn, B. "Amplitude Dependent Intemal Friction of CuAlMn Shape Memory Allyos" Key Engineering Materials, Vol 319 (2006) 45-51
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Mielczarek, A., WÖckel, Y., Riehemarm, W. "Effect of cold rolling on the damping of Cu-Al-Mn shape memory alloys". Solid State Phenomena, Vol.137 (2008) 155-162
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Vogelgesang, S., Zak, H., Tonn, B., Mielczarek, A., Riehemaim, W. "Cu-Al-Mn cast alloys with a high damping capacity" Intemational Foundry Research/Gießereiforschung, Vol. 59 (2007) 2-7
