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einkristallinen Cu-Basis Formgedächtnislegierungen Thesis als PDF-Datei "1st Memory Alloys GmbH" Doktorarbeit der Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) Helge Steckmann unter wissenschaftlicher Leitung und Betreuung von Dr. Viktor Prieb Berlin/Kiew-1996 Allgemeine Charakteristik der Doktorarbeit: Einführung Die Formgedächtnislegierungen (FGL) gehören zu einer neuen Klasse von Werkstoffen mit besonderen Eigenschaften. Das innovative Potential dieser Legierungen ist noch lange nicht erschöpft. Es ist nicht nur mit den metallkundischen Herstellungsproblemen dieser besonders präziesen Legierungen mit erforderlichen und stabielen Charakteristiken, sondern auch mit dem Mangel von grundlegenden und zuverlässigen experimentellen Ergebnissen verbunden. Dies betrifft vor allem die experimentellen Ergebnisse über die Natur der Hysterese und der Thermoelastizität. Außerdem fehlen die sich auf diesen Ergebnissen basierenden, theoretischen Modelle, welche die für die Anwendung erforderlichen Eigenschaften und das Verhalten von FGS erfolgreich beschreiben und vorhersagen können. Diese Situation besteht heute noch trotz der während des letzten Jahrhundertsviertels intensieven Erforschung sowohl von Formgedächtniseigenschaften an sich als auch von diesen Eigenschaften zugrunde liegenden Strukturphänomenen. Die Formgedächtniseffekte in Memory-Legierungen werden durch die athermen martensitischen Umwandlungen mit der sogenannten thermoelastischen Kinetik verursacht. Diese Umwandlungen führen zu einer reversiblen Änderung von Legierungseigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Reversibilität besteht darin, daß die thermodynamischen Parameter des Systems nach einem geschlossenen Zyklus zu ihren Ausgangswerten zurückkehren. Der ganze Prozeß ist allerdings irreversibel, denn die thermodynamischen Trajektorien des Systems kommen bei seiner Bewegungen "hin" und "zurück" nicht zusammen und bilden eine Hystereseschleife. Die Fläche der Hystereseschleife charakterisiert Reibungsverluste, d. h. die in einem Zyklus dissipierte Energie. Die Umwandlungsthermoelastizität offenbart sich graphisch als Steigung der ganzen Hystereseschleife (Veränderung eines internen Parameter wie z. B. der Phasenfraktion des Martensits) zu der die Veränderung eines externen Parameters (z. B. die Temperatur) beschreibenden Koordinatenachse. Die Thermoelastizität beschreibenden thermodynamischen Modelle, verbinden diese mit der Wirkung einer nicht chemischen treibenden Umwandlungskraft. Die Kraft entsteht vor allem durch die Speicherung der elastischen Energie im System während des Wachstums der neuen Phase. Die gespeicherte, elastische Energie widersteht diesem Wachstum und führt zur Abweichung des Systems von dem globalen Gleichgewicht. Die Umwandlungstrajektorie entspricht dabei einer Reihenfolge von lokalen metastabilen Gleichgewichtszuständen. Derartige Beschreibung im Rahmen der Gleichgewichtsthermodynamik schließt hysteretische Phänomene nicht ein. Für eine vollständige Beschreibung der Hystereseschleife wird in die Bilanz der treibenden Umwandlungskräfte ein dissipativer Term eingeführt, welcher das thermodynamische Umwandlungsstimulanz ebenfalls vermindert. Die Natur sowohl des nicht chemischen als auch des dissipativen Terms ist in Details nicht erforscht und wird lediglich in allgemeinem diskutiert. Man geht allerdings apriori davon aus, daß die beiden von einander unabhängig sind. Von der anderen Seite wurde es in manchen, immer noch seltenen, experimentellen Untersuchungen des Hystereseinneren der thermoelastischen martensitischen Umwandlung durch die partiellen Zyklen festgestellt, daß sowohl die nicht chemische als auch die dissipative treibende Kraft eine lineare Abhängigkeit von der Phasenfraktion des Martensits aufweist, was einer parabolischen Abhängigkeit der Energie entspricht. Diesbezüglich hätte man gleich schließen können, daß die beiden von der gleichen Natur sind und offensichtlich mit der Verteilung der elastischen Energie - ihrer Speicherung und Dissipation - während der martensitischen Hin- und R?ckumwandlung verbunden sind. Die Frage über die Natur der Thermoelastizität und der Hysterese und über ihren Zusammenhang, die eine Schlüsselfrage im Sinne von sowohl grundlegenden als auch praktischen Aspekten der Entwicklung von Formgedächtnislegierungen darstellt, bleibt also bis heute weder theoretisch noch experimentell beantwortet. Das Forschungsziel und die Forschungsaufgaben. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage über den Zusammenhang zwischen der Thermoelastizität und der Hysterese oder der gespeicherten, elastischen Energie und der dissipierten Energie zu klären, indem die Untersuchung der Hysterese der thermoinduzierten martensitischen Umwandlung und der ferroelastischen Hysterese, die bei der zyklischen Zug-Druck-Verformung von FGL-Proben in vollkommen martensitischem Zustand entsteht, und der Vergleich der auf den gleichen Einkristallproben gewonnenen Ergebnisse durchgeführt werden. Mehr dazu in meiner im September 2021 verlegten Monographie: "Formgedächtnisphänomene. Das Konzept dual-energetischen Martensits (CODEM) - theoretische und experimentelle Abhandlung", PDF-Datei |