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Formgedächtnis-LegierungFormgedächtnis-Legierungen (FGL, engl. shape memory alloy, SMA) werden oft auch als Memorymetalle bezeichnet. Dies rührt von dem Phänomen, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung scheinbar „erinnern“ können. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Einführung
Die Formwandlung basiert auf der temperaturabhängigen Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen (allotrope Umwandlung) eines Werkstoffes. Es gibt die Austenit genannte Hochtemperaturphase und das Martensit (Niedertemperaturphase). Beide können durch Temperaturänderung ineinander übergehen (Zweiwegeffekt). Die Strukturumwandlung ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung. Zur Einleitung der Phasenumwandlung sind die Parameter Temperatur und mechanische Spannung gleichwertig; d. h. die Umwandlung kann nicht nur thermisch, sondern auch spannungsinduziert herbeigeführt werden. Ein bekannter Vertreter für diesen Strukturwandel ist u. a. Eisen bzw. Stahl. Allerdings besitzt Stahl kein Formgedächtnis, es muss daher noch eine andere Bedingung erfüllt sein. Formgedächtnis-Legierungen brauchen in jedem Kristallsystem eine Reihe gleichberechtigter Schersysteme, die sich aus der Raumsymmetrie der Elementarzelle ergeben. Sind alle Scherungen bei einer Umwandlung gleich verteilt, ist keine äußere Formänderung zu erkennen. Werden aber beispielsweise durch äußere Kräfte nur einige Schersysteme bevorzugt, werden Formänderungen beobachtet. Nutzbare EffekteFGL können sehr große Kräfte ohne auffallende Ermüdung in mehreren 100.000 Bewegungszyklen übertragen. Sie bestechen durch ihr im Vergleich zu anderen Aktor-Werkstoffen mit Abstand größtes spezifisches Arbeitsvermögen (Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen). Grundsätzlich können alle FGL alle FG-Effekte ausführen. Der jeweilig gewünschte Effekt ist Aufgabe der Fertigungs- und Werkstofftechnik und muss durch Abstimmung von Einsatztemperaturen und Optimierung der Effektgrößen antrainiert werden. Einweg-(Memory)-EffektDer Einwegeeffekt ist durch eine einmalige Formänderung beim Aufheizen einer zuvor im martensitischen Zustand pseudoplastisch verformten Probe gekennzeichnet. Zweiweg-(Memory)-EffektWie oben beschrieben, gestattet der Einwegeffekt nur eine einmalige Formänderung. Das erneute Abkühlen bewirkt keine Formänderung. Will man nun Formgedächnis-Legierungen auch für die Aktorik, z. B. als Stellelement, nutzen, muss das Bauelement wieder in seine „Kaltform“ zurückkehren können. Es gibt zwei Arten, um eine Formrückkehr zu realisieren:
Als äußeren Zweiwegeffekt bezeichnet man die Formrückkehr beim Abkühlen eines Bauteils, die durch eine von außen wirkende (mechanische) Kraft erzwungen wird. Dies kann zum Beispiel durch eine Feder realisiert werden, die während des Erwärmens gespannt wurde. Es gibt aber auch Formgedächtnis-Legierungen, die von sich aus die Formrückkehr vollziehen. Dies bezeichnet man als intrinsischen Zweiwegeffekt. Diese Legierungen können sich an zwei Formen – eine bei hoher und eine bei niedriger Temperatur – „erinnern“. Damit das Bauelement beim Abkühlen seine definierte Form wieder einnimmt, muss es durch thermomechanische Behandlungszyklen „trainiert“ werden. Dies bewirkt die Ausbildung von Spannungsfeldern im Material, die die Bildung von bestimmten Martensit-Varianten beim Abkühlen fördern. Somit stellt die trainierte Form für den kalten Zustand lediglich eine Vorzugsform des Martensit-Gefüges dar. Die Umwandlung der Form kann beim intrinsischen Zweiwegeffekt nur stattfinden, wenn keine äußeren Kräfte entgegenwirken. Daher ist das Bauelement beim Abkühlen nicht in der Lage, Arbeit zu verrichten. Pseudoelastisches Verhalten („Superelastizität“)Bei FGL kann zusätzlich zur gewöhnlichen elastischen Verformung, eine durch äußere Krafteinwirkung verursachte reversible Formänderung beobachtet werden. Diese „elastische“ Verformung kann die Elastizität konventioneller Metalle bis zum 20fachen übertreffen, d. h., es lässt sich ein Elastizitätsmodul angeben, der nur ein Zwanzigstel des bei Metallen üblichen Wertes beträgt. Die Ursache dieses Verhaltens ist jedoch nicht die Bindungskraft der Atome, sondern eine Phasenumwandlung innerhalb des Werkstoffes. Hierbei bildet sich unter äußeren Spannungen der kubisch-flächenzentrierte Austenit in den monoklinen Martensit um. Bei Entlastung wandelt sich der Martensit wieder in Austenit um. Da während der Umwandlung jedes Atom sein Nachbaratom beibehält, spricht man auch von einer diffusionslosen Phasenumwandlung. Deswegen wird die Eigenschaft als pseudoelastisches Verhalten bezeichnet. Das Material kehrt beim Entlasten durch seine innere Spannung wieder in seine Ursprungsform zurück. Dafür sind keine Temperaturänderungen erforderlich. Der Effekt wird aus Vermarktungsgründen auch häufig als Superelastizität bezeichnet (Beispiel: biegsame, unzerbrechliche Brillengestelle). Der Begriff „Superelastizität“ selbst entstammt einem Übersetzungsfehler, der sich leider auch in einigen Fachartikeln wiederfindet, er ist jedoch eher irreführend, da für die gewöhnliche Elastizität und das pseudoelastische Verhalten nicht die selben Vorgänge verantwortlich sind. Anwendung findet dieser Effekt u. a. auch im Bereich der Medizintechnik. Werkstoffe
Anwendungsbeispiele
Literatur
Fußnoten und Einzelnachweise |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Formgedächtnis-Legierung aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |