Was sind Formgedächtnislegierungen?

Legierungen auf Basis der Formgedächtnistechnik sind metallische Werkstoffe, die sich nach einer scheinbar plastischen Verformung wieder an ihre Ursprungsgestalt zurückerinnern können. Weit verbreitet sind auch die Begriffe Memory-Metall, Formgedächtnismetall oder sogar Formgedächtnismetall-Legierung. Diese sind streng genommen aber nicht richtig, da es sich bei den Formgedächtniswerkstoffen um Legierungen und nicht um reine Metalle handelt. Relevanz in der Formgedächtnistechnik erreichen insbesondere die Legierungen auf Basis von Nickel und Titan (NiTi, Nitinol). Aufgrund der funktionellen Eigenschaften eignen sich Formgedächtnislegierungen hervorragend für Anwendungen in der Aktorik, aber auch für Bauteile, die eine große reversible Verformung aufweisen müssen (z.B. Führungsdrähte oder Katheter in der Medizintechnik). Hier können reversible Dehnungen zwischen 6-8% erreicht werden. Hierbei sollten wir einmal die Technologie hinter der Formgedächtnislegierung betrachten: Die Ursache für dieses Verhalten ist eine Festkörperphasenumwandlung im Metall zwischen zwei Kristallstrukturen, die mit Martensit (Tieftemperaturphase) und Austenit (Hochtemperaturphase) bezeichnet werden. Je nach Legierungszusammensetzung, Umgebungstemperatur und Beanspruchungszustand können unterschiedliche Effekte auftreten, die für technische Systeme auf unterschiedliche Weise intelligent genutzt werden können. FGL-Federn können beispielsweise Ventile automatisch öffnen oder schließen, wenn die Temperatur des Umgebungsmediums (Luft, Wasser, Öl) einen bestimmten Wert, die Austenit-Start-Temperatur, überschreitet. Zugdrähte können moderate Stellwege bei sehr großen Stellkräften realisieren. Sie eignen sich unter bestimmten Umständen (Drahtdurchmesser < 1,2-1,4mm) dafür, dass die Erwärmung mit speziellen Ansteuerungselektroniken direkt über den Ohmschen Widerstand des Drahtes erfolgt.

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 Wie werden Formgedächtnislegierungen charakterisiert?

Wenn Sie den Formgedächtniseffekt beobachten, dann spielt die Umgebungs- bzw. Betriebstemperatur eine wesentliche Rolle. Denn je nachdem, wie diese sich im Vergleich zu den Eigenschaften der Legierung des FG-Elements verhält, können Sie hauptsächlich zwei verschiedene Effekte beobachten: Diese Effekte sind zum einen der extrinsische Zweiwegeffekt und zum anderen die so genannte Superelastizität. Bei beiden Effekten handelt es sich physikalisch betrachtet um eine Phasenumwandlung innerhalb des Materials. Diese ist reversibel und durch eine diffusionslose Scherung des Kristallgitters gekennzeichnet. Die Umwandlung findet zwischen einer Tieftemperaturphase und einer Hochtemperaturphase statt. Die Tieftemperaturphase wird als Martensit, die Hochtemperaturphase als Austenit bezeichnet.

Extrinsischer Zweiwegeffekt


Beim extrinsischen Zweiwegeffekt wird die Ausgangsgestalt des Materials – nach einer scheinbar plastischen Verformung durch eine externe Kraft (z.B. eine Stahlfeder oder ein Gewicht) – durch Erwärmen wiederhergestellt. Dabei sollten Sie zwischen einer Tieftemperaturphase (=Ausgangslage) und einer Hochtemperaturphase (erwärmter Zustand) unterscheiden. In der Ausgangslage befindet sich der Werkstoff zunächst in der Tieftemperaturphase. Hier herrscht martensitisches Metallgefüge vor. Sie können das Material nun bis zu einer bestimmten Grenze in alle Raumrichtungen verformen, z.B. verbiegen oder dehnen. Wenn Sie das Material jetzt erwärmen, findet ab einer bestimmten Temperaturschwelle eine Phasenumwandlung im Material selbst statt: Das martensitische Gefüge wandelt sich in austenitisches Gefüge um. Das Material befindet sich nun also in der Hochtemperaturphase. Diese Gefügeumwandlung von Martensit in Austenit findet auf mikrostruktureller Ebene statt und ist für das Auge unsichtbar. Und genau diese ablaufenden mikrostrukturellen Prozesse führen zu einer Rückverformung des Materials in den Ausgangszustand. Auch wenn Sie das Material anschließend wieder abkühlen lassen, bleibt es weiterhin in der Form des Ausgangszustands erhalten. Und diesen Vorgang können Sie – je nach Materialkomposition und Verformungsgrad – millionenfach wiederholen, unter idealen Bedingungen so, dass das Formgedächtnismaterial sichtbar nicht ermüdet. Eine Ermüdung findet real aber immer statt. Wenn die Komponente richtig ausgelegt und in ein System integriert ist, kann der Betrieb zuverlässig gewährleistet werden. Aus dem beobachteten Formgedächtniseffekt rührt der Name Formgedächtnislegierung. Der Ausgangszustand des Materials spiegelt also immer die Form wider, die dem Material ins „Gedächtnis“ geschrieben wurde. Dorthin möchte es sich bei Erwärmung zurückverformen. Darüber hinaus ist auch ein so genannter intrinsischer Zweiwegeffekt zu beobachten auf den wir hier aus Gründen der Einfachheit und fehlenden technischen Relevanz (zu geringe nutzbare Dehnungen und Spannungen) nicht näher eingehen. Je nach Ihren Wünschen können Sie das „Gedächtnis“ des Materials im Vorfeld frei bestimmen. Das geschieht durch eine gezielte Wärmebehandlung. Anstelle des extrinsischen Zweiwegeffekts können Formgedächtnislegierungen jedoch auch eine andere Eigenschaft aufweisen. Diese wird Pseudoelastizität genannt. Entscheidend ist das im Material vorherrschende Temperaturniveau. Dieses ergibt sich zum Beispiel aus der Umgebung oder aus dem Betriebszustand.

Pseudoelastizität (auch „pseudoelastisches Verhalten“ oder „Superelastizität“)


Ein pseudoelastisches FGL-Element verhält sich gummiartig. Wenn Sie ein pseudoelastisches FGL-Element in Händen halten, können Sie es mit geringem Kraftaufwand wie Gummi verbiegen. Das ganze bei Festigkeiten, die Sie von Metallen kennen. Im Fall der Pseudoelastizität möchten Sie nicht durch Temperaturerhöhung eine Formänderung in den Ausgangszustand erreichen. Bei pseudoelastischen Formgedächtnislegierungen wird der Werkstoff in ganz anderer Form ausgelegt: Er ist dann von der Legierung her derart verändert, dass bereits bei Raumtemperatur (Umgebungstemperatur, Betriebstemperatur) austenitisches Gefüge vorliegt – eigentlich die Hochtemperaturphase. In dem Sinne handelt es sich also gewissermaßen um Formgedächtnismaterial mit Zweiwegeffekt, welches über sehr niedrige Umwandlungstemperaturen verfügt. Das vorliegende Material hat also bei den vorherrschenden Temperaturen bereits seine Umwandlungstemperatur überschritten. Das ist bereits der Trick! Jetzt könnten Sie das Element unter Raumtemperatur abkühlen und wie beim extrinsischen Zweiwegeffekt martensitisches Gefüge erzeugen. Jedoch ist der Zweck pseudoelastischer Formgedächtnislegierungen ein anderer: Anstatt abzukühlen können Sie das Material nämlich auch mechanisch verformen. Allein durch Ihre mechanisch eingebrachte Verformung findet dann eine Umwandlung zu martensitischem Gefüge statt. Wenn Sie das Element nun wieder mechanisch entlasten, beobachten Sie folgendes: Die Verformung bildet sich wieder nahezu vollständig zurück und Ihre Ausgangsgestalt ist wiederhergestellt. Der pseudoelastische Effekt von Formgedächtnislegierung ist nur möglich, weil die austenitische Phase bei Raumtemperatur stabilisiert ist. Und genau wie beim Einwegeffekt ist diese pseudoelastische Verformung je nach Auslegung millionenfach wiederholbar.

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 Welche Eigenschaften haben Formgedächtnislegierungen?

Formgedächtnislegierungen (FGL) basieren auf den Legierungsbestandteilen Nickel (Ni) und Titan (Ti). Diese werden als binäre NiTi-FGL bezeichnet. Die Bezeichnung binär rührt daher, dass sich die Legierung aus diesen beiden (binär = zwei) Bestandteilen zusammensetzt. Auf diese binäre FGL, beziehen sich die folgenden Materialparameter.
 
Pseudoplastische FGL: Pseudoplastische (thermisch aktivierbare) FGL erreichen im Zugversuch -Festigkeiten von über 1200 MPa [N/mm²] und-Bruchdehnungen von mehr als 10%.
 
Pseudoelastische FGL: Die materialtechnischen Parameter von FGL gehen über die des normalen Zugversuchs hinaus. Im Zugversuch bei Raumtemperatur weisen pseudoelastische FGL eine mechanische Hysterese auf. Dabei erkennen Sie eine obere Plateauspannung. Diese liegt oberhalb von 380 MPa [N/mm²]. Bei FGL sind die Umwandlungstemperaturen entscheidend. Dies sind die Temperaturen, an denen eine Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit beginnt oder endet.

 Ihre Einführung in FGL

Je besser Sie die grundlegenden Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen bzw. Nitinol verstehen, desto eher können Sie die besten Ihrer Ideen und Konzepte als solche erkennen und herausfiltern. Wir laden Sie herzlich ein, sich mit dem Thema FGL zu beschäftigen und Ihre neuen Potentiale zu entdecken. Die Informationen hierzu finden Sie in den nachfolgenden Abschnitten (Charakterisierung, Eigenschaften, Herstellung, Qualitätssicherung, Anwendung, Webinar) oder aber in unserem FGL-Kurs als PDF.