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Das Konzept der dual-energetischen Martensitform (CODEM) zum Hintergrund von diversen Phänomenen in Formgedächtnislegierungen

V. Prieb

Der Rückblick auf mein inniges und kreatives Leben mit Formgedächtnislegierungen während der letzten 45 Jahre (1974-2019) und der Abschied davon. Es ist nun an der Zeit diese zu verlassen und zu meinen neuen Musen Erato und Melpomene zu wechseln. Mai 2019

Kurzfassung:
Es wird das Konzept der dual-energetischen Martensitform (CODEM) vorgelegt, das auf der experimentell nachgewiesenen Tatsache basiert, dass die martensitischen Umwandlungen und die damit verbundenen Phä-nomene in FGL nicht nur durch die allgemein ermittelte und angenommene polydomäne durch den 1. Akkom-modationsmechanismus entstandene Form des Martensits , sondern auch real und wesentlich durch seine monodomäne, substrukturlose Form bestimmt werden.

Eine Martensitspolydomäne weist aufgrund eines Beitrags von Stapelfehlerenergie höhere freie Energie als die einer Martensitmonodomäne auf. Das ganze energetische Spektrum von Martensitzuständen zwischen den beiden Martensitformen wird durch die Stapelfehlerdichte bestimmt.

Die Gleichgewichtstemperatur des Austenit und der Martensitmonodomäne liegt wesentlich höher als die des Austenits und der Martensitpolydomäne . Die Gleichgewichtstemperatur stellt eine grundlegende, nur durch die FGL-Zusammensetzung bestimmte Größe dar, während die Gleichgewichts-temperatur sehr variabel ist und durch mehrere metallkundliche Faktoren beeinflusst werden kann. Der Aus-tenit ist metastabil im Temperaturbereich . Dieser metastabile Zustand wird durch bekannte prämar-tensitische Phänomene wie Erweichen des Elastizitätsmoduls, Bildung von fluktuatieven Zwischenschubstruktu-ren, Superelastizität entlang der Clausius-Clapeyron’schen Gleichgewichtslinie charakterisiert.

Das CODEM betrachtet verschiedene Einwirkung der elastischen Energie von -Phasengrenzen und von internen -Martensitgrenzen auf die freie Energie des Zweiphasensystems: Die elastische Energie von Phasengrenzen erhöht gleichermaßen die freien Energien des Austenits und des Martensits und somit des ganzen Systems ohne das Zweiphasengleichgewicht zu beeinflussen, während die elastische Energie von inter-nen Martensitgrenzen nur die freie Energie des Martensits erhöht und somit das Zweiphasengleichgewicht ver-ändert.

Die Energieerhöhung des ganzen Zweiphasensystems verursacht die Notwendigkeit der ständigen Unterküh-lung, um die martensitische Hinumwandlung voran zu treiben (atherme Umwandlungskinetik im Thermoelastizi-tätsmodell). Die Energieerhöhung nur des Martensits durch das Zusammenwachsen von Martensitvarianten (2. Akkommodationsmechanismus) führt zur Senkung der Gleichgewichtstemperatur während der Umwandlung.

Die im CODEM als Monodomänisierung betrachtete Verringerung der Stapelfehlerdichte in der Martensit-phase durch die ferroelastische Verformungszyklen oder in einzelnen Martensitkristallen durch Veränderung des Spannungsfelds in ihrer Umgebung verursacht tatsächliche Stabilisierung des Martensits im Sinne der Erhöhung seiner Rückumwandlungstemperatur im Temperaturbereich . Dies Erklärt RPM-Effekte (Return Point Memory) in partiellen Zyklen der ferroelastischen Verformung und der thermoinduzierten Rückumwandlungen (auch als SMART-Effekt oder TAME bekannt).

Die Monodomänisierung des Martensits führt zur Degradierung der Gedächtniseigenschaften von FGL-Aktoren nach mehreren Arbeitszyklen. Die Stabilisierung durch die plastische Verformung findet dabei nicht statt. Das Blockieren von Martensitgrenzen durch Vollversetzungen kommt nur durch plastische Verformung des Martensits zustande. Diese beiden Stabilisierungsmechanismen lassen sich durch die Alterung bei verschie-denen Temperaturen deutlich erkennen.

Viele bislang an den FGL gewonnenen experimentellen Ergebnisse sind durch das Thermoelastizitätsmodell nicht mehr vertretbar und manche widersprechen sogar direkt dessen Hauptpostulaten. Das CODEM liefert da-gegen umfassende und plausible Erklärungen für die meisten bekannten Phänomene in FGL.

Mehr dazu:
"Das Konzept der dual-energetischen Martensitform (CODEM) als ein Hintergrund von diversen Phänomenen in Formgedächtnislegierungen" - pdf-Datei