Zeitschrift für fortgeschrittene Chemieingenieurwesen

Abstrakt

Duale thermoelastische – pseudoelastische Charakterisierung und kristallographische Grundlagen von Phasentransformationen in Formgedächtnislegierungen

Adiguzel O

Der Formgedächtniseffekt ist eine besondere Eigenschaft, die eine Reihe von Legierungssystemen mit dem Namen Formgedächtnislegierungen aufweisen, die vom Standpunkt des Gedächtnisverhaltens aus gesehen die doppelte Eigenschaft haben, Thermoelastizität und Pseudoelastizität. Diese Legierungen gehören zur Klasse der fortschrittlichen neuartigen Materialien mit diesen Eigenschaften und ihrer Reaktion auf äußere Bedingungen. Zwei aufeinanderfolgende kristallografische Umwandlungen, thermische und spannungsinduzierte martensitische Umwandlungen, bestimmen das Formgedächtnisphänomen auf kristallografischer Basis. Der Formgedächtniseffekt tritt thermisch in einem Temperaturintervall beim Erhitzen und Abkühlen nach ersten Abkühlungs- und Spannungsprozessen auf, während die Pseudoelastizität mechanisch durch Spannung und Entspannung bei konstanter Temperatur im Bereich der austenitischen Grundphase des Materials auftritt. Der Formgedächtniseffekt wird durch Abkühlungs- und Spannungsverfahren auf Volumenebene und Gitterzwillingsbildungs- und -entzwillingsprozesse auf kristallografischer Basis bestimmt. Thermisch induzierter Martensit tritt zusammen mit Gitterzwillingsbildung auf, und geordnete Elternphasenstrukturen verwandeln sich auf selbstanpassende Weise in multivariante Zwillingsmartensitstrukturen, und Zwillingsmartensitstrukturen verwandeln sich durch spannungsinduzierte martensitische Umwandlung bei Spannung in entzwillingten Martensit. Pseudoelastizität wird durch Spannung und Entspannung des Materials bei konstanter Temperatur im Elternphasenbereich erreicht, wobei das Material verformt wird und beim Lösen der angewandten Spannung gleichzeitig die Form wiederhergestellt wird. Pseudoelastizität erfolgt auf nichtlineare Weise; die Spannungs- und Entspannungspfade sind im Spannungs-Dehnungs-Diagramm unterschiedlich, und die Hystereseschleife bezieht sich auf die Energiedissipation. Die elementaren Prozesse, die an solchen Martensitumwandlungen beteiligt sind, sind im Wesentlichen Scherverformungen, gitterinvariante Scherungen und die Verschiebung von Atomebenen. Gitterinvariante Scherungen treten bei kooperativen Bewegungen von Atomen auf dicht gepackten Ebenen des geordneten Elternphasengitters auf verschiebliche Weise auf. Die Verschiebung und Scherung der Atomebenen kann als elementare Prozesse betrachtet werden, die während verschiebender martensitischer Umwandlungen aktiviert werden. Die gitterinvariante Scherung ist in Formgedächtnislegierungen auf Kupferbasis nicht gleichmäßig und führt zur Bildung langperiodischer, geschichteter, komplexer martensitischer Strukturen mit Gitterzwillingsbildung beim Abkühlen. Elektronenbeugung und Röntgenbeugung an zwei kupferbasierten CuZnAl- und CuAlMn-Legierungen zeigen, dass diese Legierungen im martensitischen Zustand Übergitterreflexionen aufweisen. Die kritischen Umwandlungstemperaturen dieser Legierungen liegen über der Zimmertemperatur und sie befinden sich bei Zimmertemperatur in einem vollständig martensitischen Zustand. Während der Alterung bei Zimmertemperatur wurde eine Reihe von Röntgenbeugungen durchgeführt. Die Beugungsergebnisse zeigen, dass sich die Beugungswinkel und Spitzenintensitäten mit der Alterung verändern. Dieses Ergebnis weist auf eine neue Reaktion auf diffusive Weise hin und führt zur Stabilisierung des Martensits.