Eigenschaften thermischer Formgedächtnislegierungen

Im Bereich der metallischen Formgedächtniswerkstoffe sind Nickel-Titan-Legierungen als Halbzeuge in Form von Drähten, Stäben, Rohren und Blechen kommerziell verfügbar. Diese bieten bei entsprechender Materialkonditionierung einen guten Kraft-Weg-Kompromiss, der sie für Aktoranwendungen qualifiziert.

Die erreichbaren Dehnungen des Festkörperaktors betragen bis zu 5%. Dabei entstehen nutzbare Kräfte bis zu 150N pro mm2 Aktorquerschnitt. Der Werkstoff bietet somit eine sehr hohe spezifische Energiedichte, was zu sehr kleinen und leichten Aktoren führt.

Der genutzte Effekt beruht auf Gefügeumwandlungen und ist somit einer Ermüdung ausgesetzt. Bei entsprechender Auslegung sind jedoch Zyklenzahlen über 1. Mio. möglich.

Vorteile der Formgedächtnistechnik:

  • minimales Gewicht
  • einfacher und kompakter Aufbau
  • große Arbeitsleistung pro Volumen
  • geräuschlose Arbeitsweise
  • elektromagnetische Verträglichkeit
  • geringer Bedarf an Bauraum

Warum Werkstoffe sich erinnern

Formgedächtnislegierungen (kurz: FGL) zeigen in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Neben dem konventionellen Werkstoffverhalten sind bei FGL folgende Besonderheiten im Spannungs-Dehnungs-Verhalten bekannt:

  • Pseudoelastizität
  • Pseudoplastizität

Grundvoraussetzung für die Sonderformen Pseudoelastizität und Pseudoplastizität bei FGL und damit Bedingung für das Auftreten des Formgedächtniseffektes sind eine austenitisch-martensitische Phasenumwandlung und die Bildung von Zwillingsgrenzen.

Den Grundmechanismus dieser Phasenumwandlung bildet ein diffusionsloser, reversibler Übergang. Dabei geht die Hochtemperaturphase (Austenit) in die Tieftemperaturphase (Martensit) über. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrie der Gitter der beiden Phasen entstehen bei der Umwandlung innere Spannungen im Werkstoff.

Die Besonderheit an FGL ist, dass der Abbau dieser Spannungen fast ausschließlich über die Bildung von Zwillingsgrenzen geschieht. Es bildet sich stark "verzwillingter" Martensit.

Durch das Aufbringen einer Kraft können die Zwillingsgrenzen verschoben werden - der Martensit "entzwillingt".
Dies geschieht über Umklappvorgänge und führt zu sehr hohen reversiblen Verformungen. Werte von 8-10 % sind dabei typisch für FGL und führen so zu ausgezeichneten Aktorwerkstoffen.

Pseudoelastizität (Superelastizität)

Wird eine Formgedächtnislegierung im Bereich des instabilen Austenits mechanisch belastet, kommt es nach der herkömmlichen elastischen Dehnung zur spannungsinduzierten Bildung von verzwillingtem Martensit, der bei anhaltender Belastung sofort "entzwillingt".

Die sukzessive Umwandlung des Austenits mit überlagerter Zwillingsgrenzenbewegung zeigt sich als konstante Spannung in der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Über diesen Mechanismus sind sehr hohe Dehnungen möglich, welche bei Entlastung, wenn wieder die Rückumwandlung in den Austenit passiert, komplett zurückgehen. Aus diesem Grund spricht man umgangssprachlich auch von Superelastizität.

Pseudoplastizität

Ab der Martensitstarttemperatur (Ms) liegt in FGL ein martensitisches Gefüge mit Zwillingsgrenzen vor. Wird von außen eine Kraft aufgebracht, dehnt sich der Werkstoff auch hier zunächst elastisch bis zu einer kritischen Spannung, oberhalb welcher die Zwillingsgrenzenbewegung beginnt.


Bei Entlastung bleibt bei pseudoplastischem Materialverhalten die erzeugte hohe Deformation abzüglich der elastischen Dehnung erhalten.
Wird das Material nach der Deformation bis in das Austenitgebiet erwärmt, kehrt es in seine ursprüngliche Form zurück (rote Linie in der Abbildung oben). Beim Abkühlen bildet sich wieder Martensit mit Zwillingsgrenzen.

Einwegeffekt

Bei Belastung führt Zwillingsgrenzenbewegung zu einer pseudoplastischen Verformung Δl. 
Durch Erwärmung (Austenitisierung) kehrt der Werkstoff in seine Ausgangsgeometrie zurück.

Das Prinzip der Phasenumwandlung

Thermische Formgedächtnislegierungen haben die besondere Eigenschaft, sich nach einer bleibenden plastischen Verformung unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur durch Erwärmung über diese Temperatur wieder an ihre ursprüngliche Form zu "erinnern" und diese erneut einzunehmen.


Für das Auftreten des Formgedächtniseffektes ist eine reversible austenitisch-martensitische Phasenumwandlung Voraussetzung. In Analogie zum Werkstoff Stahl wird die Hochtemperaturphase des Werkstoffes auch als Austenit und die Tieftemperaturphase als Martensit bezeichnet.