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Formgedächtnistechnik
SFB 459
Sonderforschungsbereich gefördert von der  |
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Dr. Uwe Klemradt |
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Oberflächeneffekte bei
"Smart Materials":
Formgedächtnislegierungen im
Licht der Synchrotronstrahlung |
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Formgedächtnislegierungen
sind prototypische Vertreter
sogenannter "smart
materials", die in
intrinsischer Weise Sensor- und
Aktorfunktionen vereinen. Die
zugrundeliegenden diffusionslosen
bzw. martensitischen Umwandlungen
sind auch vom Standpunkt der
physikalischen
Grundlagenforschung aus
hochinteressant: kooperatives
Verhalten tritt auf mehreren
(diskreten) Längenskalen auf,
und obwohl es sich um
Phasenübergänge erster Ordnung
handelt, wird typischerweise ein
komplexes Spektrum an
Vorläufereffekten beobachtet.
Vor diesem Hintergrund wird über
Experimente an thermoelastischen
Ni-Legierungen mit
Modellcharakter berichtet, bei
denen mittels
Synchrotronstrahlung verschiedene
Signaturen des
Umwandlungsprozesses in
Oberflächennähe in situ
studiert wurden. Die Verwendung
moderner komplementärer
Röntgenstreuverfahren erlaubte
es, sowohl Vorgänge im atomaren
Bereich als auch die spontane
Selbststrukturierung der
Oberfläche auf mesoskopischen
Skalen mit großer
Empfindlichkeit zu erfassen. Es
wurden
Oberflächen-Vorläufereffekte
nachgewiesen, die sich qualitativ
und quantitativ stark von den
bekannten Vorläufereffekten im
Volumen unterscheiden. Die
Ergebnisse legen einen großen
Einfluß der Oberfläche auf die
Nukleation der
Tieftemperaturphase in Systemen
mt starken Phononen-Anomalien
("Soft Modes") nahe. |
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Prof. H.-J. Maier |
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Verformungsverhalten
einkristalliner
NiTi-Formgedächtnislegierung:
Mikrostruktur und Modellierung |
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Der Formgedächtniseffekt,
der das Ergebnis einer
thermoelastischen martensitischen
Umwandlung ist, findet
zunehmendes Interesse, da er die
Entwicklung neuer Produkte in
unterschiedlichsten technischen
Bereichen (z.B. Medizintechnik,
Automobiltechnik) ermöglicht.
Während in der Anfangsphase der
technischen Nutzung überwiegend
einfache Bauteile wie
Stellelemente entwickelt wurden,
werden Formgedächtnislegierungen
vermehrt für Anwendungen
eingesetzt, bei denen komplexe
Betriebsbeanspruchungen
auftreten. Ziel der
Untersuchungen war es, ein Modell
zu entwickeln, welches es
ermöglicht, das
Phasenumwandlungsverhalten
nickelreicher NiTi-Legierungen
auf Basis der relevanten
mikrostrukturellen Prozesse zu
beschreiben. Aus Zug- und
Druckversuchen an Einkristallen
wurden hierzu in einem ersten
Schritt das
Spannungs-Dehnungsverhalten für
unterschiedliche
Kristallorientierungen bestimmt.
Weitere für das
Verformungsmodell wichtige
mikrostrukturelle Parameter, wie
etwa die Größe von
Ausscheidungsphasen, wurden vor
allem mittels
Transmissionselektronenmikroskopie
bestimmt. Die Ergebnisse zeigen,
dass das Umwandlungsverhalten vor
allem durch die Intensität der
Kohärenzspannungsfelder um
Ausscheidungsphasen bestimmt
wird. Berücksichtigt man diese
Spannungsfelder und die
Kristallographie der
martensitischen Umwandlung
geeignet, so lassen sich die
experimentell beobachtete
Zug-/Druckasymmetrie, der Effekt
der Kristallorientierung und der
Einfluss einer W\ärmebehandlung
auf das Verformungsverhalten der
Legierung mit dem entwickelten
Modell beschreiben. Die
Übertragbarkeit des Modells auf
polykristalline Werkstoffe und
Formgedächtnislegierungen
anderer Zusammensetzung wird u.a
anhand erster Ergebnisse am
System NiTiCu diskutiert. |
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Prof. David C. Dunand |
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Superelastic NiTi and
NiTi-TiC Composites |
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Superelastic materials
deform, upon application of a
stress, by the formation of
stress-induced martensite from an
austenitic parent phase. Upon
unloading, the martensite becomes
unstable and transform back to
the austenite, with a concomitant
complete recovery of the
macroscopic strain. Superelastic
NiTi can deform to uniaxial
strains as high as 8% and is thus
used in a variety of applications
where large strains at a constant
stress are needed, e.g. implants,
stents, antennae and glass
frames. We have studied the
deformation of superelastic NiTi
and NiTi-TiC composites using
neutron diffraction, allowing the
measurements of elastic strains,
texture and volume fraction as a
function of the externally
applied stress. For the NiTi-TiC
composites, we have investigated
the load transfer occurring
between the superelastic matrix
and the stiff elastic TiC
particles, and studied the effect
of these particles upon the
texture and volume fraction of
stress-induced martensite.
Finally, the effect of cyclical
loading on the evolution of these
parameters (internal strain,
texture and martensite fraction)
will also be discussed. |
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Prof. J. Hesselbach |
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FG-Komponenten in der
Mikromontagetechnik |
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In zunehmendem Maße werden
aus funktionalen und
wirtschaftlichen Gründen
miniaturisierte Produkte in Form
von Mikrosystemen hergestellt,
das heißt Produkte, bei denen
auf engstem Raum Aktoren,
Sensoren und Signalverarbeitung
zusammengefasst sind. Dabei
handelt es sich oftmals um
Produkte, die hybrid aufgebaut
sind, also aus Einzelteilen
aufgebaut sind und somit einer
Montage bedürfen. Die Montage
von miniaturisierten Produkten
stellt im Gegensatz zur
makroskopischen Montage andere
Anforderungen, z.B. hinsichtlich
der Genauigkeit oder den
Umgebungsbedingungen, an die
Handhabungseinrichtungen, so daß
in diesem Bereich
Neuentwicklungen notwendig sind.
Aufgrund der vielfältigen
funktionellen Eigenschaften und
den damit verbundenen Vorteilen
kommen hier
Formgedächtnismaterialien zum
Beispiel in Greifer oder in
nachgiebigen Roboterstrukturen
zum Einsatz. Der Vortrag gibt
einen Einblick über die
unterschiedlichen
Einsatzmöglichkeiten von
Formgedächtnismaterialien und
-komponenten im Bereich der
Mikromontage. |
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Dr. P. Sittner |
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Micromechanics of martensitic
transformation in
thermomechanically loaded SMA
polycrystals studied by in-situ
neutron diffraction techniques |
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Transf ormability of shape
memory alloys /SMA/ in
polycrystalline state depends in
some extent on the mechanism by
which individual polycrystal
grains share the macroscopic load
when the martensitic
transformation proceeds under
external stress. Theoretical and
e xperimental investigations of
the load sharing mechanism -
evolution of the distribution of
the applied uniaxial stress among
polycrystal grains during
thermomechanical load cycles -
will be focussed in this talk.
Experimentally, the internal
strains, stresses and phase
fractions in particularly
oriented grains of
polycrystalline SMAs were studied
by in-situ neutron diffraction
techniques. Theoretical
investigations consist in the
simulations of the
stress-strain-temperature
responses of SMA polycrystals i n
thermomechanical loads providing
the results in a form comparable
with the in-situ neutron
diffraction data.
Crystallographic model of SMA
polycrystal deformation recently
developed for this purpose will
be introduced. It comes out that
key factors affecting load
sharing mechanism are elastic
anisotropy of the austenite and
martensite phases,
crystallographic type of the
martensitic transformation, grain
size, texture and sense of the
applied uniaxial load. Results
for Cu-based, NiTi-based and
Fe-based SMA's transforming in
mechanical, thermal and
thermomechanical loads will be
informed and the load sharing
mechanisms in individual alloys
will be discussed. |
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Prof. R. Gotthardt |
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Vibrational Properties of
Polymer Matrix Composites with
embedded Shape Memory Alloy wires |
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Embedding pre-strained shape
memory alloy (SMA) wires into a
polymer matrix allows the
development of new materials
which can change their vibration
frequency in a reversible way
when temperature is changed.
During heating the embedded
pre-strained martensitic wires
can not regain their original
shape in the austenitic state and
act against the stiffness of the
host material. As a result,
transformation recovery stresses
are enerated in the composite,
leading to a shift in resonance
vibration frequency. A series of
different model composites have
been fabricated using Ni-Ti-Cu
wires, 150 micro m in diameter,
embedded in a hard Kevlar fibre
reinforced epoxy matrix. It was
found, that the stress generated
by the activated composite beam
and the resulting frequency shift
are increasing with the volume
fraction of the embedded SMA
wires and decreasing with the
increasing composite thickness.
It was also observed that the
frequency depends linearly on
stress for all the tested samples
regardless whether the stress was
induced by heating the sample or
by straining it at room
temperature. This study is made
in the frame of the ADAPT
Brite/EuRam project. |
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Dr. A. Klocke |
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Der Einsatz von
Formgedächtnislegierungen in der
Kieferorthopädie |
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In der Kieferorthopädie
werden bei der festsitzenden
Behandlungstechnik verschiedene
Metalle zur Herstellung von
Apparaturen eingesetzt. Neben
Stahl- finden dabei
Nitinollegierungen ein weites
Anwendungsgebiet. Es ergeben sich
sowohl durch das intraorale
Milieu als auch durch die
therapeutischen Aufgaben
besondere Anforderungen an die
verwendeten Materialien. Die
vielfältigen
Einsatzmöglichkeiten von
Nitinollegierungen werden
dargestellt, ebenso sollen
mögliche Probleme beim Einsatz
im Rahmen der
kieferorthopädischen Behandlung
aufgezeigt werden. |
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Prof. K. Otsuka |
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Recent advances in the
research on R-phase
transformation in Ti-Ni-based
shape memory alloys |
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Ti-Ni based alloys are most
important practical shape memory
alloys, which have been actually
used commercially for various
applications such as pipe
couplings, actuators, bras,
antenna for cellular phones,
stents and guide wires for
medical use etc. The alloys
exhibit three types of
martensitic/displacive
transformations depending upon
alloy composition and
heat-treatment. Among these, the
R-phase transformation is most
important from both fundamental
and application point of view,
since it is associated with
extremely small temperature
hysteresis (1-2K), which is
vitally important for actuator
applications, and it exhibits
quite interesting physical
behavior, which was once ascribed
to the charge density wave. In
the present talk we will discuss
the following in detail; the
nature of R-phase transformation,
crystal structure of R-phase,
shape memory and superelastic
characteristics associated with
R-phase (both in single and poly
crystals), conditions for the
apearance of R-phase,
premartensitic behavior to
R-phase transformation, and
applications which utilize
R-phase transformation. Overall
we will discuss the all aspects
of R-phase transformation with
emphasis on the recent
development in understanding
premartensitic behavior. |
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Prof. Christian Lexcellent |
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Modelling shape memory alloy
be-haviour based on the phase
trans-formation surface
identification under proportional
loading and anisothermal
conditions |
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Based on the experimental
identification of the phase
transformation surface, a
modelling of shape memory alloys
anisothermal behaviour is
proposed. Within the framework of
the thermodynamics of
irreversible processes, two
internal variables are chosen:
the stress-induced martensite
volume fraction and the
self-accommodating martensite
volume fraction. A special
attention is paid to take into
account the asymmetry between
tension and compression
behaviours. |
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Dr. Marcos Sade |
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Martensitic Transitions in
substitutional Fe-Mn and Fe-Mn-X
alloys (X=Si, Co) |
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Martensitic transformations
in Fe-Mn and Fe-Mn-X alloys have
been the subject of experimental
and theoretical studies by
various authors. However, there
are some properties of these
structures which have not yet
been determined in sufficient
detail. The present talk presents
part of the results of a
systematic study of the
structural properties of the
metastable phases f ormed
martensitically in these alloys.
These results, properly combined
with dilatometric and
differential scanning
calorimetric measurements allowed
to determine enthalpy changes
associated to the hcp-fcc
transition. The interaction
between the martensit ic
transition and the magnetic
ordering of the fcc phase as well
as the effect of cycling through
the transition will be discussed. |
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