Die Rolle der Superkompatibilität auf die Ermüdung von Formgedächtnislegierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckhard Quandt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413288478

Formgedächtnislegierungen (FGL) weisen zwei unterschiedliche Eigenschaften auf, die für viele Anwendungen attraktiv sind. Erstens ist der FG Effekt die Grundlage für viele Festkörperaktuatoren, beruhend auf einer reversiblen, thermisch induzierten martensitischen Phasenumwandlung mit hoher Energiedichte. Zweitens zeigen sie Superelastizität, verwendet z.B. in selbstexpandierenden medizinischen Implantaten oder in der Elastokalorik, die auf einer reversiblen, spannungsinduzierten martensitischen Phasenumwandlung beruht. Diese Phasenumwandlungen erster Ordnung mit großen Eigenspannungen führen in beiden Fällen zu großen Arbeitsleistungen und Enthalpieänderungen. Ihre Reversibilität wird durch die Kompatibilität der beiden Phasen begünstigt. Wesentlich für die Implementierung von FGL in neue Bauteile sind ihre Ermüdungseigenschaften, insbesondere bei hohen zyklischer Beanspruchung. Allgemein betrifft die Ermüdung zwei, üblicherweise eng korrelierte Aspekte: Funktionsermüdung, die die zyklusabhängigen Änderungen der funktionellen Eigenschaften beschreibt, und strukturelle Ermüdung, die sich auf die Integrität des Materials bezieht. In unseren Vorarbeiten haben wir die wichtigsten Faktoren für die Ermüdung bei der Superelastizität in FGL dargelegt: Kristallographische Kompatibilität, Korngröße und Ausscheidungen. Wir haben gezeigt, dass FGL mit einer beispiellosen Funktionsbeständigkeit möglich sind, wenn die Zusammensetzungen so eingestellt sind, dass alle drei dieser Faktoren erfüllt sind. Jedoch konnte auch gezeigt werden, dass diese Faktoren ein wenig verletzt werden können und dennoch eine bemerkenswerte funktionelle Beständigkeit möglich ist. Dies ist eine sehr wichtige Erkenntnis, da die perfekte kristallographische Kompatibilität - die sogenannte Superkompatibilität - eine sehr einschränkende Bedingung ist, die bisher nur in zwei FGL nahezu ideal erfüllt wurde. Zum Beispiel weisen FGL, die Superkompatibilität mit hoher Genauigkeit erfüllen, eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Funktionsermüdung auf, aber auch Legierungen, die diese Kompatibilitätsbedingungen nur annähernd erfüllen, aber eine kleine Korngröße und eine günstige Anordnung von feinen kohärenten Ausscheidungen aufweisen. Dies als ein allgemeines Ergebnis zu etablieren, würde die Möglichkeit, Zusammensetzungen mit sehr geringer Ermüdung zu identifizieren, erheblich erhöhen und somit eine größere Auswahl ermöglichen, um andere Kriterien zu erfüllen, wie z.B. Umwandlungstemperaturen und -dehnungen oder Biokompatibilität.Unsere Ziele sind daher: den Einfluss der verschiedenen Faktoren zu verifizieren, die erforderliche Genauigkeit bei der Erfüllung dieser Superkompatibilität zu bestimmen und somit Richtungen für eine zukünftige Suche von FGL mit extrem niedriger Ermüdung abzuleiten. Diese Ziele werden hier im Zusammenhang mit metallischen FGL angewendet, obwohl erwartet wird, dass sie auf breite Klassen von Festkörper-Phasenumwandlungen anwendbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen