Schulze Pfeifer Gotthardt Felsberg

Transkript

1 Schulze Pfeifer Gotthardt Felsberg

2 Eigenschaften allg. materialspezifisch Selbstlerneinheit Formgedächnislegierungen [Video] Vorkenntnisse Austenit/ Martensit Temperaturverhalten Zwillingsbildung Materialverhalten Anwendung allg. Einwegeffekt Zweiwegeffekt Pseudoelastizität Definitionen Videos Quellen Formgedächniseffekte Arten Aktivierung Materialien Bsp. Ni als LE Herstellung

3 o o o o o o o o o Eigenschaften (allg.) Vorteile: wandeln Wärmeenergie in mechanische Arbeit um (Haupteigenschaft) große Arbeitsleistung pro Volumen verschiedene Bewegungsarten möglich (Zug,Druck, Biegung, Torsion) Beschränkung des Effektes auf bestimmte Bereiche geringes Gewicht geringer Bauraumbedarf einfache Aufbau leicht miniaturisierbar reinraumtauglich (OP-Saal) geräuschlos keine beweglichen Teile (nur der z.b. Aktor selbst) geringe elektrische Betriebsspannung o Nachteil: gering erreichbare Taktfrequenz bei zyklischen Einsatz (Grund Aufheiz-/Abkühlrate als Taktfrequenz - Faktor) o hoher Preis (1m^2 Blech, t=2mm, ca )

4 Beispiel für die hohe Arbeitsleistung einer FGL

5 Eigenschaften (materialspezifisch) NiTi Dichte: 6,450 g/cm³ Schmelztemperatur: C Zugfestigkeit: MPa

6 Austenit - Hochtemperaturphase Martensit - Niedrigtemperaturphase - entsteht aus dem Primärgefüge (Austenit) - Restaustenit handen - entsteht durch Gitterscherung homogenes kfz-gitter verzerrtes krz-gitter (rhomboedrisch) Der FG-Martensit ist leichter zu verformen als der FG-Austenit. Ausrichtung von Martensit-Zwillingen

7 Temperaturverhalten Die Gitterumwandlung findet innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls statt. Die Umwandlung von Martensit zu Austenit findet bei einer anderen Temperatur statt als die Umwandlung von Austenit zu Martensit, d.h. die Umwandlung ist hysteresebehaftet. Die Hysterese entsteht aufgrund von inneren Verlusten, wie z.b. durch innere Reibung und spontane Entspannung auf atomarer Ebene, während der Gitterumwandlung. Martensitische Phasen-Umwandlung (MPhU) 1. Die MPhU ist diffusionslos. 2. Die MPhU erhöht die Versetzungsdichte. 3. Die Ausgangs- und Endkristalle der MPhU zeigen geometrische Zusammenhänge. 4. Die MPhU ist nicht vollständig. So genannter Restaustenit existiert (Effektreduzierung). 5. Die MPhU ist mit vernachlässigbarer/ keiner Volumen-änderung verbunden. 6. Die MPhU ist kristallografisch reversibel. 7. Bei der MPhU entstehen die Keimpunkte im Inneren der einzelnen Kristallinen. Martensitbildung Restaustenit Zwillingsbildung Martensitkeimpunkt Martensitnadeln Austenit Austenit a) Entstehung des Keimpunktes b) freie Martensitbildung c) Zwillingsbildung im Austenit und teilweise in den Martensitnadeln selbst (Restaustenit h.)

8 Zwillingsbildung Zwei Kristalle werden Zwillinge genannt, wenn eine Transformation Spiegelung an einer Ebene (Zwillingsebene) oder Rotation um 180± Grad um eine Ache existiert. -die Zwillingsbildung entsteht bei der MPhU -Zwillingsbildung entsteht mit abnehmender Temperatur durch Umklappen des Gitters in die neue Orientierung -entstehende Martensitvarianten (meist 24-Zwillinge) unterscheiden sich nur in der Orientierung voneinander -zwischen denzwillingen bilden sich versetzungsfreie Korngrenzen (Zwillingsgrenzen, sehr geringer Energieinhalt, hoch beweglich) -hochbewegliche Zwillingsgrenzen ermöglichen den Form-Gedächnis-Effekt (Reorientierung) Schema: Zwillingsstellung -durch mechanische Belastung wandeln sich verschiedene Martensitvarianten (energetisch günstig/ ungünstig) ineinander um -benachbarte Atome werden bei der Zwillingsbildung nicht getrennt (entgegen dem gleiten entlang einer Gleitebene) Vergleich: Scherung entlang einer Gleitebene/ bei einer Zwillingsstruktur

9 Modellstellung für das Materialverhalten σ In diesem Schema ist zu erkennen das nach dem Abkühlen aus dem Austenitgebiet Martensitvarianten/ Zwillinge (hier 2) entstanden sind (energetisch günstig). Wirkt nun eine Kraft, werden entlang der beweglichen Zwillingsebenen die Zwillinge verschoben und haben nun die gleiche Orientierung (entzwillingt) Abkühlung Verformung σ σ In diesem Modell werden die Martensit- Zwillinge nur auf 2 (M-,M+) reduziert, so dass im Modellkörper einschließlich des Austenits (A) drei verschiedene Kristallgittertypen zu unterscheiden sind. Das Modell gibt einen Eindruck von der Mikrostruktur der FGL und von ihrer Formänderung bei Belastung. σ σ

10 Formgedächniseffekte 1) Einwegeffekt: Nach dem Entfernen einer Belastung F zeigt das Biegeelement eine bleibende Deformation. Diese scheinbar plastische Verformung bildet sich beim Erwärmen wieder vollständig. [detailliert] 2) Zweiwegeffekt: Neben dem Einweg-Effekt tritt auch beim Abkühlen eine definierte Formänderung auf. [detailliert], [Video] 3) Pseudoelastizität: Durch mechanische Belastung F kann das Biegeelement bis zu mehreren Prozent gedehnt werden. Beim Entlasten geht es trotzdem wieder in seine Ausgangsform. [detailliert]

11 1) Der Einwegeffekt Wird eine Formgedächtnislegierung (z.b. NiTi-Draht), mit einer verzwillingten Martensitstruktur im kalten Zustand (Martensit) durch eine äußere Kraft verformt (1 2) und anschließend entlastet (2 3), so wird sie entzwillingt und bleibt verformt (3). Durch eine Erwärmung im lastfreien Zustand (3 4) kehrt die Werkstück wieder in seine Ausgangsform. Das Werkstück hat zwar die gleiche Länge, es liegen jedoch unterschiedliche Gitterkonfigurationen (1/4). Beim Abkühlen auf die Ausgangstemperatur entsteht ohne Längenänderung der verzwillingte Martensit und der Ausgangszustand ist wiederhergestellt. σ σ ε ε

12 2) Der Zweiwegeffekt Beim Zweiwegeffekt erinnert sich die Formgedächtnislegierung bei hoher Temperatur nicht nur an die austenitische Form, sondern bei Rücktransformation in den Martensit an eine eintrainierte Deformation bei tiefer Temperatur. Zur Formänderung ist keine zusätzliche äußere Kraft nötig, sondern nur der Wechsel zwischen zwei Temperaturen. Wird die Legierung erwärmt (1 2), so bildet sich das Austenitgitter und lässt die Legierung in die ursprüngliche Form kehren. Hier verhält sich die Legierung wie beim Einwegeffekt (3 4). Durch eine spezielle Behandlung (Training) kann der Legierung ohne Anbringen einer äußeren Kraft eine zweite Form eingeprägt werden. Dabei bilden sich in der Legierung innere Spannungsfelder aus, welche bei der Abkühlung nur die Bildung von bezugten Martensitvarianten/ Zwillingen herrufen. Dies führt dazu, dass die Legierung beim lastfreien Abkühlen ihre Form nicht beibehält, sondern eine eintrainierte Form annimmt (2 1). Die so eintrainierte Vorzugsform bei tiefen Temperaturen kann bei der Umwandlung von Austenit zu Martensit nur eingenommen werden, wenn keine äußeren Kräfte entgegenwirken. σ σ ε ε

13 Trainingsarten Beim Training (thermomech. Verfahren) bilden sich bezugte Martensit-Varianten, somit nimmt die FGL beim Abkühlen eine zweite Form an, die sich von der Form im warmen Zustand unterscheidet. Diese kann jedoch nur eingenommen werden, wenn keine äußeren Kräfte wirken. Shape Memory Effect Training (SME-Training) Die Formgedächtnislegierungen werden bei tiefer Temperatur verformt und anschließend über Af erwärmt. Diese Behandlung wird mehrfach durchgeführt, bis bei der Martensitbildung eine bezugte Variante entsteht. Stress Induced Martensite Training (SIM-Training) Bei Temperaturen oberhalb von Af werden die Formgedächtnislegierungen mehrfach verformt. Dabei entsteht ein spannungsinduzierter Martensit mit einer bezugten Orientierung. Nach einigen Zyklen sind diese Varianten stabilisiert, so dass die Form im Niedertemperaturbereich ohne äußere Kraft eingenommen wird. Kombinations-Training Bei diesem Verfahren werden SME- und SIM-Training kombiniert.

14 3) Die Pseudoelastizität(Superelastizität) Im austenitischen Zustand (Af<T<Md) zeigt das Material pseudoelastisches Verhalten. Im Gegensatz zu den angegangenen Effekten ist hier keine Temperaturänderung erforderlich. Die Dehnung verläuft nur in der σ-ε-ebene. Oberhalb der Elastizitätsgrenze tritt ein Plateaubereich auf, bei dem eine stark nichtlineare Verformung bis zu einer scheinbaren Dehnungsgrenze εpe erfolgt. Oberhalb εpe tritt plastische Verformung bis zum Bruch auf. Wird das Bauteil nur bis εpe belastet, so wird beim Entlasten der untere Teil der Hysteresekurve durchlaufen, wobei die Dehnung wieder vollständig geht. Der Plateaubereich wird durch spannungsinduzierte Umwandlung von Austenit in Martensit verursacht. Grenztemperatur Md Für die spannungsinduzierte Bildung des Martensits gibt es eine obere Grenztemperatur Md, oberhalb der irreversible Prozesse, wie Versetzungsbildung und -gleiten, thermodynamisch begünstigt sind. Das Temperaturfenster Md>T>Af, in dem pseudoelastisches Verhalten auftritt, kann durch verschiedene thermomechanische Verfahren eingestellt werden. Oberhalb Md verhalten sich FGL wie konventionelle Materialien mit elastischem Dehnungsverhalten und anschließender Plastizität bis zum Bruch.

15 Aktivierungsarten der FGL

16 Materialien Die wichtigsten Materialien, die bereits kommerzielle Bedeutung erlangt haben, lassen sich größtenteils metallischen Legierungen zuordnen, darüber hinaus gibt es aber auch polymerische und keramische Systeme bei denen Formgedächtniseigenschaften beobachtet werden. Metalle: NiTi-Basis-Legierungen: NiTi, NiTiCu, NiTiPd, NiTiFe,... Cu-Basis-Legierungen: CuZn, CuZnAl, CuAlNiMn,... Fe-Basis-Legierungen: FePt, FeMnSi, FeNiC,... Polymere: PTFE (Polytetrafluoräthylen) [link] Phasendiagramm: NiTi (Nitinol) Anwendung: Dichtungstechnik Keramiken: ZrO2 (Zirconiumdioxid) [link] PTFE-Band für metallene Gewindeverbindungen Anwendung: Feuerfestkeramik, technische Keramik kristallisiertes Zirconium (Baddeleyit)

17 Nickel als Legierungselement Die am meisten verwendeten Legierungen sind NiTi und NiTiCu, da sie insbesondere für Aktoranwendungen teilhafte Eigenschaften besitzen. Die Umwandlungstemperaturen bei NiTi sind abhängig von der exakten Stöchiometrie (Mengenverhältnis). Bei weniger als 50 at% Nickelanteil sind die Umwandlungstemperaturen auf etwa 100 C beschränkt, bei zunehmendem Nickelanteil reduzieren sich die Umwandlungstemperaturen um ca. 10K pro 0,1 at%. Durch Variation des Nickelanteils ist es möglich, Legierungen herzustellen, die bei Raumtemperatur als Martensit oder Austenit liegen und damit pseudoplastisches bzw. pseudoelastisches Verhalten zeigen. Weiterhin zeigen Cu-basierte Legierungen wie CuZnAl und CuAlNi, den FGE. Diese besitzen höhere Umwandlungstemperaturen und sind verhältnismäßig preisgünstig, haben jedoch schlechtere FG-Eigenschaften im Vergleich zu NiTi.

18 Herstellung FGL Über die Schmelzroute: VIM-Verfahren zur Herstellung von NiTi-Legierungen [link] Über die Pulverroute: Kompaktierung von Pulvern Pulververdüsung [link] Formzuweisung 1. Ausgangsmaterial (wie gezogen) 2. Wärmebehandlung in Zwangslage 3. und 4. Einwegeffekt

19 Anwendungsbeispiele (allg.) Stents aus der Medizin-Technik Öffnen und Schließen eines Belüftungssystems je nach Außentemperatur (z.b. Gewächshaus). Feder aus Formgedächtnislegierung zum Öffnen eines Ventils bei Erreichen einer Solltemperatur ( z.b. Schnellkochtopf).

20 Anwendungsbeispiele (EWE) Der Einwegeffekt findet man beispielsweise in der Medizin wieder, zur Verbesserung der Heilungsmöglichkeiten bei Brüchen. Bei Rohrverbindungen, hierbei wird ohne mechanisches Einwirken eine feste Verbindung hergestellt.

21 Anwendungsbeispiele (ZWE) adaptives System: Tragflügel Idee: Umsetzung des Flugverhaltens von Vogeln Ziel: Kraftstoffersparnis [Demonstrations-Video]

22 Anwendungsbeispiele (PE) Brillengestelle [Film] flexible Antennen σ Zahnspangendrähte ε

23 Begriffsdefinitionen Eine Formgedächnislegierung (shape-memory-alloy) hat die Eigenschaft, nach einer Formänderung im martensitischen Zustand, die ursprüngliche Form durch Erwärmung vollständig wieder anzunehmen. leicht verformbar Ausnahme: Der martensitische Stahl bildet eine Ausnahme, bei dem eingekeilte C- Atome die Gitterverschiebung in Eisen blockieren und dadurch enorme Härte und Zugfestigkeit herrufen. Hysterese charakterisiert ein Systemverhalten, bei dem die Ausgangsgröße nicht allein von der unabhängig veränderlichen Eingangsgröße abhängt, sondern auch von dem herigen Zustand der Ausgangsgröße. Das System kann bei gleicher Eingangsgröße mehrere Zustände einnehmen. Diffusion beruht auf der thermischen Eigenbewegung von Teilchen. Ist somit ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung und zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. Gleitebenen bilden in einem Kristall die Ebenen zwischen Atomlagen mit dichtester Packung. In ihnen findet bei Verformung die Versetzungsbewegung statt, da die relativ kleinste kritische Schubspannung benötigt wird. pseudoplastisch es scheint als wurde der Werkstoff makroskopisch (augenscheinlich) plastisch verformt Nitinol ist die intermetallische Phase NiTi mit einer geordnet-kubischen Kristallstruktur, die sich von der von Titan und der von Nickel unterscheidet. Es besteht zum Großteil aus Nickel (ca. 55 %), einem weiterem großen Teil Titan. Die Legierung ist bis 650 C verwendbar, korrosionsbeständig und hochfest, dabei jedoch bis ca. 8 % pseudoelastisch verformbar. Durch einen Klick auf die Links, gelangt man wieder zur herigen Seite.

24 Videos Einführungsfilm Einwegeffekt (Feder) Zweiwegeffekt Mathematik der FGL Formgedächnis-Polymer Pseudoelastizität (Brille)

25 Quellen - Taschenbuch der Werkstoffe -diverse Internetquellen und Videoprotale Metalle_II Teil_d_Formgedaechtnisleg_Metallische_Glaeser.pdf 02_werkstoff_gedaechtnis.htm =N&biw=1366&bih=599&prmd=imvnsb&tbm=isch&tbo=u&source=univ&ei =gfwqtvv8ioxhtaajgix6dw&ved=0cdqqsaq4cg