Stahl mit Formgedächtnis

Werkstoffkundliche Grundlagen und Anwendungspotenziale

von

Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Werkstoffwissenschaftliche

Grundlagen

3

Nachweis der Formgedächtniseigenschaften

4

Einsatzmöglichkeiten in der Praxis

5 Zusammenfassung

und

Ausblick

6 Literaturhinweise

Zusammenfassung

In den sogenannten ,,Formgedächtnisstählen" steckt im Vergleich zu den konventionel en

Formgedächtnislegierungen wie Nickel-Titan oder Kupfer-Zink Legierungen ein überaus

großes und bisher nicht im Entferntesten ausgeschöpftes Potenzial. Zwar sind die ma-

ximalen Ein- und Zweiwegeffekte, d.h. die reversiblen Formänderungsanteile deutlich

kleiner, doch decken die Formgedächtnisstähle auf Basis von Fe-Ni-Legierungen dafür

wiederum sehr viel größere Bereiche der technisch nutzbaren Umwandlungstemperaturen

und -hysteresen ab. Daneben erreichen sie aufgrund der für die Einstel ung des Form-

gedächtnisses unbedingt notwendigen Ausscheidungshärtung bei den maximalen Fes-

tigkeiten ebenfalls sehr gute Werte. Diese sind jedoch ganz wesentlich von spezifischen

thermischen und/oder mechanischen Parametern abhängig.

2

1. Einleitung

Formgedächtnislegierungen (FGL) wie z.B. NiTi oder CuZnAl sind seit langem

bekannt und können daher bereits als konventionell bezeichnet werden. Relativ

neu und lange Zeit bei vielen Forschern als für nicht möglich angesehen sind Stähle

mit Formgedächtniseigenschaften.

Die Zielsetzung für ihre Entwicklung ist die Verbindung der Preiswürdigkeit von Cu-

Basis-Legierungen mit der Leistungsfähigkeit von NiTi-Legierungen. Damit sind sie

sowohl im Hinblick auf industriell/wirtschaftliche- als auch auf werkstoffwissenschaft-

liche Aspekte von ganz besonderem Reiz.

Tabelle 1

zeigt eine Übersicht von martensitisch

umwandelnden Fe-Basis-Legierungen, bei denen bisher mehr oder weniger deutlich

Formgedächtnsieffekte (FGE) nachgewiesen werden konnten. Nach relativ langen For-

schungsaktivitäten haben sich in diesem Bereich zwei große Entwicklungstendenzen

herauskristallisiert. Zum einen sind dies Legierungen auf Fe-Ni- und zum anderen auf

Fe-Mn-Basis [1,2].

Im folgenden wird das im Augenblick wieder neu in das Blickfeld internationaler

Forschungsaktivitäten rückende Beispiel der FGL des Typs Fe-Ni (hier im Speziel en

Fe-Ni-Co-Ti-Legierungen) ausführlich vorgestellt.

2. Werkstoffwissenschaftliche

Grundlagen

Aus den mechanischen und thermo-dynamischen Komponenten der martensitischen

Umwandlung ergeben sich die Voraussetzungen für FGE. Die wichtigste und bei Fe-

Basis-Legierungen gleichzeitig die am schwierigsten zu realisierende Eigenschaft, die

dabei erreicht werden muss, ist die Thermoelastizität des Martensits. Diese wird ge-

kennzeichnet durch [3]:

· die

Reversibilität der Umwandlung

· eine kleine Temperaturhysterese zwischen der Hin- und Rückumwandlung

(dabei sollten die Rückumwandlungstemperaturen As und Af grundsätzlich

deutlich unter etwa 350°C liegen),

· eine bewegliche Phasengrenzfläche zwischen Austenit und Martensit sowie

· ein identischer mikrostruktureller Rückweg in den Austenit wie bei der Um-

wandlung in den Martensit.

3

Tabelle 1: Martensitisch umwandelnde Fe-Basis-Legierungen

Aufgrund der Umwandlungsthermodynamik von FGL (auf die hier nicht weiter ein-

gegangen werden soll ­ der interessierte Anwender findet jedoch in der angege-

benen Literatur zahlreiche Stellen hierzu) sind die für die Praxis sinnvollen chemi-

schen Zusammensetzungen generell relativ eng vorgegeben. Die Bilder 1 a+b zeigen

dies für das Legierungssystem Fe-Ni-Co-Ti. Die Lage der möglichen Legierungen ist

hierbei sehr gut in einem Realisierungsdiagramm des Dreistoffsystems Fe-Ni-Co abzu-

lesen (

Bild 1 a

, siehe Feld IV). Vereinfacht ist dies nochmals in

Bild 1 b

in einem schema-

tischen Fe-Ni-Co-Dreistoffdiagramm dargestel t.

Das austenitische Ausgangsgefüge wie es nach einer Lösungsglühung vorliegt und ein

ideales Gefüge für die weiteren notwendigen Schritte darstellt, zeigt

Bild 2 a

. Wird die-

ser Zustand nun unter die Martensitstarttemperatur unterkühlt, so wandelt er marten-

sitisch um (

Bild 2 b

). Die Umwandlung verläuft hier jedoch noch vollkommen normal

(also irreversibel), d.h. der Werkstoff besitzt in diesen Zuständen noch keinen Form-

4