Das sind die mechanischen & physikalischen Eigenschaften von FGL
Im folgenden Abschnitt lernen Sie grundlegende mechanische und physikalische Kennwerte kennen, die für Ihren Umgang mit FGL relevant sind.
Formgedächtnislegierungen auf Basis von NiTi zeichnen sich durch eine extrem große reversible Verformbarkeit (100x größer als bei Stahl), ausgezeichnete strukturelle und funktionelle Eigenschaften, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine gute Biokompatibilität aus. Eine weitere Besonderheit liegt in dem hohen Dämpfungsvermögen pseudoplastischer Legierungen. Diese zeigen ein ähnliches mechanisches Verhalten, wie Materialien im menschlichen Körper.
Zunächst erfahren Sie typische Materialkennwerte für pseudoplastische und für pseudoelastische NiTi-FGL. Dann erfahren Sie anhand eines Erwärmungs- und eines Abkühlungsdurchlaufs die verschiedenen, vorherrschenden Phasen im Material: Martensit und Austenit. Außerdem lernen Sie die thermische Hysterese kennen. Anschließend lernen Sie weitere Faktoren kennen, die einen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten Ihres FGL-Systems haben. Abschließend erfahren Sie mehr über die Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit des Materials.
Wollen Sie den Abschnitt in seiner Tiefe verstehen? Hier können Sie den gesamten Kurs herunterladen: Sobald Sie die grundlegenden Prinzipien verstanden haben, können Sie die zusätzlich enthaltene, komprimierte Variante, zum Nachschlagen und Auffrischen verwenden. Das Verständnis der Eigenschaften hilft Ihnen dabei, unsere Auslegung und die Funktionsweise zu verstehen. Das ist enorm wichtig für Sie: Denn wie wollen Sie sonst Ihren Kunden die großen Vorteile Ihrer innovativen Lösung aufzeigen, wenn es zu Rückfragen kommt?
Mechanische und physikalische Eigenschaften
Wenn Ihre FGL-Komponente aus zwei Legierungselementen besteht, so bezeichnen Sie diese als binäre FGL. Im Zugversuch von binären Ni-Ti-FGL aus Nickel und Titan werden Festigkeiten von über 1200 MPa [N/mm²] und Bruchdehnungen von mehr als 10% erreicht (pseudoplastische Variante). Pseudoelastische FGL weisen hingegen eine mechanische Hysterese auf. Es bildet sich eine obere Plateauspannung, die oberhalb von 380 MPa [N/mm²] liegt. Weitere mechanische und physikalische Eigenschaften, die für Ihre Anwendung relevant sein könnten, erfahren Sie in einem persönlichen Gespräch.
Umwandlungstemperaturen: As, Af, Ms, Mf
Wie bereits erwähnt, sind bei FGL die Umwandlungstemperaturen entscheidend. Dies sind die Temperaturen, an denen eine Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit beginnt oder endet.
Wenn Sie Ihrer pseudoplastischen Komponente Wärme zuführen, wandelt sich das martensitische Materialgefüge in austenitisches Gefüge um. Hier sind die Temperaturen relevant, an denen die Umwandlung beginnt (As, Ms), endet (Af, Mf), oder die Rate der Umwandlung Ihren Höhepunkt erreicht (Ap, Mp). Bei der Abkühlung durchschreitet Ihre FGL-Komponente diese Phasen in umgekehrter Reihenfolge. Jedoch verlaufen die Umwandlungprozesse nicht symmetrisch, sodass eine Hysterese entsteht. Somit ist der aktuelle Gefügezustand nur ersichtlich, wenn Sie wissen, aus welcher Richtung Sie den Prozess beschreiten: Handelt es sich um einen Aufwärmvorgang oder um eine Abkühlung? Und welche Phasenanteile waren vorher präsent, denn was bei Abkühlung passiert hängt maßgeblich davon ab, was bei der vorherigen Erwärmung passiert ist.
Dieses Verhalten erlernen Sie anhand eines Beispiels ganz ausführlich im Rahmen des Kurses. Laden Sie ihren Kurs hier herunter (kostenlos), um die Bedeutung und Reihenfolge der Umwandlungstemperatur-Kennwerte genau zu verstehen.
Funktionelle Stabilität
Wie auch bereits im Abschnitt Anwendungen beschrieben, unterliegen Ihre FGL auch immer einer Ermüdung, die ganz von Ihrer Auslegung und der Beanspruchung abhängt. Daneben existieren noch weitere Faktoren, die v.a. mikrostrukturelle Gründe hat. Viele Ermüdungsfaktoren können aber durch das richtige Processing und den richtigen Einsatz im Einbauzustand ausgeschlossen oder ganz vermieden werden. Auch dazu erfahren Sie mehr im kostenlosen Kurs. Letzten Endes haben Sie ein Interesse daran, Ihre FGL genau für Ihren Einsatzzweck auszulegen und genau Ihre gewünschte Stabilität zu erreichen. Sind also einmal die Kennwerte abgesichert – beispielsweise durch zyklische Temperaturtests, erfolgt die Auslegung unter Kostengesichtspunkten.
Biokompatibilität & Korrosionsbeständigkeit
Nickel-Titan-FGL-Komponenten sind grundsätzlich biokompatibel und daher auch in der Medizintechnik als Implantatwerkstoff zugelassen. Wenn Sie aus der Branche stammen, dann kennen Sie bereits den Einsatz als Stents, Zahnspangendrähte, Wurzelkanalfeilen oder Führungsdrähte in chirurgischen Apparaturen. Zum einen verfügen Ni-Ti-FGL über eine dünne Oxidschicht, die die Komponente korrosionsbeständig macht, zum anderen stellt der hohe Nickel-Anteil aufgrund
der Bindung im Material kein Hindernis zum Einsatz dar. Das hochreaktive Titan bindet das Nickel in besonderem Maße. Untersuchungen unter vergleichbaren Testbedingungen (mechanische Zyklen bei 37°C in Kochsalzlösung) haben gezeigt, dass die Nickel-Ionen Freisetzung in einem herkömmlichen Löffel deutlich größer ist als in einer Nickel-Titan FGL. Ein vertiefendes Beispiel dazu erfahren Sie ebenfalls im kostenlosen Kurs.
Mechanische und physikalische Eigenschaften von FGL
In diesem Abschnitt des Kurses lernen Sie also:
- die Phasenumwandlung beim Erwärmen und Abkühlen in seinen Details
- Materialparameter, die zur Interpretation und Auslegung von großer Bedeutung sind
- wann sich die thermische Hysterese bildet und was das für Ihre Anwendung bedeutet
- detailliert kennen und interpretieren
- welche weiteren Gegebenheiten Einfluss auf die funktionelle Stabilität Ihrer Lösung haben
- warum NiTi-FGL korrosionsbeständig und als Implantatwerkstoff zugelassen sind.
Was können Sie sich schon einmal merken:
- Die Kennwerte aus dem Standard-Zugversuch spielen bei NiTi-FGL üblicherweise eine untergeordnete Rolle
- Wichtige (thermische) Kennwerte für Aktoriken aus FGL sind AS, AF, Ap, Ms, Mf und Mp
- Der temperaturbezogene (und zeitliche) Ablauf der Gefügeumwandlung beim Erwärmen ist nicht spiegelverkehrt mit dem Ablauf beim Rückverformen (thermische Hysterese)
- NiTi sind aufgrund einer dünnen Oxidschicht biokompatibel und korrosionsbeständig