Formgedächtnislegierungen im Fokus eines neuen DFG-Projekts

in situ Charakterisierungstechniken
WissenschaftlerInnen der Institute für Werkstofftechnik an der TU Bergakademie Freiberg und an der Universität Kassel starten ein bilaterales DFG-gefördertes Projekt zur Untersuchung der funktionalen Ermüdung von eisenbasierten Formgedächtnislegierungen.

Im Vergleich zu Nickel-Titan-Legierungen überzeugen eisenbasierte Formgedächtnislegierungen mit geringen Materialkosten und deutlich vereinfachten Herstellungsbedingungen. „Nanoskalige Ausscheidungen in den Eisen-Legierungen mit Nickel, Cobalt, Aluminium und Titan oder Tantal sowie mit Mangan, Aluminium und Nickel sind für die Realisierung der Formgedächtniseffekte unabdingbar“, sagt Projektleiterin Dr. Anja Weidner von der TU Bergakademie Freiberg. Gleichzeitig beeinflusst die Zugabe der Elemente die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs. „Für Einkristalle dieser Legierungssysteme ist der Zusammenhang zwischen Ausscheidungen, Umwandlungsverhalten, mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur bereits gut erforscht“, erklärt sie weiter. Durch die Anwendung thermo-mechanischer Prozessketten konnten die Forschenden beider Universitäten bereits auch für vielkristallines Material aussichtsreiche Materialzustände für die Formgedächtniseffekte einstellen. Jedoch fehlt in beiden Fällen eine umfangreiche Datenbasis zum Verständnis der funktionellen und strukturellen Ermüdung.

Eine besondereChristian Lauhoff und Dr. Philipp Krooß (beide IfW, Universität Kassel) bei der Untersuchung der Formgedächtniseffekte einer Formgedächtnislegierung durch thermo-mechanisches Zyklieren in einer servo-hydraulischen Prüfmaschine. Foto: Universität Kassel / C. Buhl) Rolle spielen hierbei vor allem die mit der Phasenumwandlung einhergehenden irreversiblen Prozesse der Plastizität. Um die Kinetik der Phasenumwandlung und der zugrundeliegenden Mikrostrukturprozesse zu charakterisieren, misst das Team nun akustische Signale, die während der mechanischen Beanspruchung der Werkstoffe entstehen. Ziel eines seit diesem Jahr von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes ist es, die Rolle irreversibler Prozesse sowohl für die Pseudoelastizität als auch für temperatur-induzierte Phasenumwandlungen durch die Anwendung der Schallemissionsanalyse aufzuklären.

Schallemissionen geben Auskunft über Verformbarkeit

Dr. Philipp Krooß bei der Durchführung eines In Situ Versuchs an einer Formgedächtnislegierung.„Konkret untersuchen wir Prozesse der thermoelastischen martensitischen Phasenumwandlung unter mechanischer Beanspruchung in einem Legierungssystem aus Eisen, Nickel, Cobalt, Aluminium, Titan und Bor. Dazu messen wir erstmals auch Schallemissionen, denn sie geben Auskunft über die Reversibilität der ablaufenden Prozesse beziehungsweise Hinweise darauf, welche Prozesse zu einer Verminderung der Formgedächtniseigenschaften führen“, sagt Dr. Robert Lehnert vom Institut für Werkstofftechnik der TU Bergakademie Freiberg. Die Schallemissionsmessungen werden durch weitere komplementäre in situ Charakterisierungstechniken, wie zum Beispiel digitale Bildkorrelation, Thermographie und Röntgenbeugung sowie durch umfassende mikrostrukturelle Untersuchungen mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie begleitet.

Zwei Kamera-Setup für gekoppelte Vollfeldmessungen zur Charakterisierung lokaler Verformungs- und Temperaturfelder an gegenüberliegenden Probenoberflächen einer einkristallinen eisenbasierten Formgedächtnislegierung.Ausgangspunkt der Untersuchungen sind speziell orientierte Einkristalle, die einen hohen Grad an Reversibilität aufweisen. Die Ergebnisse der Schallemissionsanalyse an diesen Zuständen sollen als Benchmark für das Verständnis der Prozesse in vielkristallinen Materialzuständen dienen. Letztere werden durch thermomechanische Prozesse (Walzen, Wärmebehandlung) an der Universität Kassel so eingestellt, dass entweder eine starke Textur für zu erwartende gute Reversibilität oder Zustände mit einer hohen Irreversibilität vorliegen. Als langfristiges Ziel möchte das Projekt-Team die Vorhersage der funktionalen Ermüdung durch Echtzeit-Screening mittels Schallemission während des Einsatzes von Formgedächtnislegierungen ermöglichen und geeignete Mikrostrukturen für verschiedene Anwendungsszenarien identifizieren.

Jahrelange Zusammenarbeit verbindet

Die Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen von Prof. Thomas Niendorf, Kassel, und Prof. Horst Biermann, Freiberg, geht auf die Zeit zurück, in der Prof. Niendorf im Rahmen einer von ihm geleiteten Nachwuchsforschergruppe in Freiberg tätig war. Seither wurden die gemeinsamen Arbeiten auf dem Gebiet der Formgedächtnislegierungen fortgesetzt und vertieft.

Weitere Informationen

Ansprechpartner: 
PD Dr.-Ing. habil. Anja Weidner, weidner@ww.tu-freiberg.de, +49 3731 39 2124