Bericht Shape Memory Alloys

Vorgezogener Versuch A; HS 2008/09
01.10.2008
Formgedächtnislegierungen
(Shape Memory Alloys)
Verfasser: Philippe Knüsel (pknuesel@student.ethz.ch)
Versuchsdurchführung: Claudio Zihlmann und Philippe Knüsel
Assistenz: Dr. Sara Morgenthaler
Philippe Knüsel
Formgedächtnislegierungen – Shape Memory Alloys
HS 2008/09
1. Abstract
In der folgenden Versuchsreihe sollten die verschiedenen Eigenschaften von
Formgedächtnislegierungen untersucht werden. Dadurch sollte die grundlegende
Funktionsweise dieser Werkstoffart verstanden und Ideen für mögliche Anwendungbereiche
entwickelt werden. Neben verschiedenen NiTi-Gegenständen (Draht, Feder, Stäbchen)
wurden ein Heissluftföhn und diverse Messgeräte (Federkraftmesser, Lineal, Thermometer)
verwendet, um diese zu erhitzen und die jeweils benötigten Werte zu messen. In einem
separaten Versuch wurde einem NiTi-Draht eine neue Form eingeprägt. Dazu wurde er
während 5min bei 500°C fixiert. Es wurde festgestellt, dass während der Phasenumwandlung
eine Arbeit von 2.40 × 10 J verrichtet wird. Ebenfalls ermittelt wurden die
Übergangstemperaturen As und Af (63°C resp. 72°C). Durch den Versuch zeigten sich die
vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Formgedächtnislegierungen.
2. Einführung
Die meisten Werkstoffe werden entweder
elastisch
(reversibel)
oder
plastisch
(irreversibel) verformt. Bei sogenannten
Formgedächtnislegierungen
(engl.
Shape
Memory Alloys SMA) kann eine plastische
Verformung, in der Regel durch Wärmezufuhr,
rückgängig gemacht werden. SMA besitzen
zwei Phasen, welche von der Temperatur
abhängen:
Die
Tieftemperaturphase Abb. 1: Oben (A): Struktur der austenitischen Phase
(Martensit) und die Hochtemperaturphase und die Verschiebung parallel zu den
Flächendiagonalen (dargestellt durch Pfeile) beim
(Austenit). In der austenitischen Phase besitzt Übergang in die martensitische Phase.
der
NiTi-Werkstoff
eine
kubisch- Unten (B): Zwei-Dimensionale Projektion der
raumzentrierte (rechtwinklige) CsCl-Struktur. austenitischen und der martensitischen Phase.
Deutlich sieht man hier die Veränderung der Winkel
Beim Übergang in die martenisitische Phase von 90° zu 96°
verschieben sich die Atome parallel zur
Flächediagonalen der CsCl-Struktur. Gleichzeitig findet eine Veränderung der Winkel von 90°
zu 96° statt (Abb. 1). Durch Temperaturänderung kann also eine Werkstoff von der
martensitischen in die austenitische Phase gebracht werden. Der Übergang von Martensit zu
Austenit verläuft über einen bestimmten Temperaturbereich (As bis Af). Dasselbe gilt für den
Übergang von Austenit zu Martensit, allerdings ist der entsprechende Temperaturverlauf um
bis zu 20°C verschoben (Logischerweise gilt: Ms<Af bzw. Mf<As). Daher kann bei der gleichen
Temperatur sowohl Martensit als auch Austenit vorliegen.
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Philippe Knüsel
Formgedächtnislegierungen – Shape Memory Alloys
HS 2008/09
Um diese Eigenschaften zu nutzen,
muss man dem SMA eine bestimmte
Form einprägen können. In der
kristallinen Struktur von NiTi hat es
verschiedene
Defekte
wie
Leerstellen oder Versetzungen. Diese
sind an der energetisch günstigsten
Position im Kristall. Um also dem
NiTi eine neue Form einprägen zu
können, muss man es auf eine
bestimmte Temperatur erhitzen, bei
der diese Defekte beweglich sind.
Gleichzeitig muss das Material so
Abb. 2: Während der Verarbeitung ist das NiTi in der austenitischen
fixiert werden, dass es sich nicht
Phase (A). Beim Abkühlen geht es in die martensitische Phase (B) über,
mehr verformen kann. So werden
verändert seine Form aber nicht. Bei der Verformung klappen die
Elementarzellen um, um Spannungen abzubauen (C). Durch Erhitzen
die Defekte in eine neue,
gehen die Atome wieder an ihre ursprünglichen Plätze (A) zurück und
energetisch günstigere Position
„erinnern“ sich an ihre alte Form, da diese energetisch günstiger ist.
„wandern“. Beim Abkühlen findet
wieder der Übergang in die martensitische Phase statt, die Defekte behalten aber ihre neue
Position. Eine plastische Verformung ist energetisch leicht möglich, da die Elementarzellen
umklappen können und deshalb keine grossen Spannungen auftreten (Abb. 2). Deshalb
bleibt die Verformung reversibel. Daher wird das Material (nach einer plastischen
Verformung) durch Erhitzen wieder in diese Form zurückgehen.
In diesem Versuch sollten verschiedene Eigenschaften der austenitischen und der
martensitischen Phase beschrieben werden. Es wurden akustische und mechanische
Eigenschaften qualitativ analysiert. In weiteren Versuchen wurden As und Af einer NiTi-Feder
gemessen sowie die Arbeit bestimmt, die bei dem Phasenübergang verrichtet wird.
Schliesslich wurde einem NiTi-Draht eine neue Form eingeprägt.
3. Materialien und Methoden
3.1
Materialien
Für den ersten Versuch wurde ein NiTi-Stäbchen verwendet, dass mit einem Heissluftföhn
der Marke Bosch aufgeheizt wurde.
Für die Einprägung einer neuen Form wurde ein 20cm langer NiTi-Draht und zur Fixierung
ein Lochblech sowie diverse Schrauben und Muttern verwendet. Zur Erhitzung diente ein
Muffelofen.
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Philippe Knüsel
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Zur Bestimmung der Übergangstemperaturen Af und As nahm man eine NiTi-Feder, die in
einem Becherglas mittels einer Heizplatte aufgeheizt wurde. Im Becherglas befand sich
zudem ein Magnetrührer. Zur Temperaturmessung benötigte man ausserdem ein
Thermometer.
Im letzten Versuch wurde eine NiTi-Feder mit einem Heissluftföhn des Typs Bosch PHG 600 2
CE erhitzt und die Kraft mit einem Federkraftmesser gemessen. Zur Befestigung wurde
ausserdem herkömmlicher Draht benötigt.
3.2
Methoden
Zur Bestimmung der akustischen und mechanischen Eigenschaften eines NiTi-Stäbchens
wurde ein ebensolches bei Raumtemperatur (also in der martensitischen Phase) aus ca.
70cm Höhe auf den harten Boden fallengelassen (Steinplatten). Der entstehende Klang
wurde beschrieben. Anschliessend wurde das NiTi-Stäbchen mit einem Heissluftföhn (Bosch
PHG 600 2 CE) auf über 80°C erhitzt und erneut aus derselben Höhe auf dieselbe Unterlage
fallengelassen. In kurzen Abständen (ca. alle 5-10sek) wurde dies wiederholt. Der Klang
wurde jeweils beschrieben und die Veränderungen notiert. Anschliessend wurde das NiTiStäbchen im martensitischen Zustand von Hand verbogen. Der Kraftaufwand wurde
qualitativ beschrieben. Anschliessend wurde das Stäbchen erneut auf über 80°C erhitzt.
Analog wie im vorherigen Versuch im martensitischen Zustand wurden die mechanischen
Eigenschaften der austenitischen Phase beschrieben.
Einem NiTi-Draht (Länge: ca. 20cm) sollte eine
Herzform eingeprägt werden. Dazu wurde in die
Mitte des Drahtes mit einer Schraube und einer
Mutter befestigt. Die beiden Drahtenden
wurden senkrecht über der ersten Schraube von
einer Schraube befestigt. Zur Sicherheit wurde
an den beiden Rundungen des Herzes innen und
aussen ebenfalls je eine Schraube mit Mutter
befestigt (Abb. 3). Anschliessend wurde die
Lochplatte für 5min in den Muffelofen gelegt.
Die Temperatur betrug 500°C. Anschliessend
wurde die Lochplatte mit einer Greifzange aus Abb. 3: Befestigung des Herzes auf der Lochplatte zur
dem Ofen genommen und für einige Minuten an Einprägung der neuen Form.
der Luft gekühlt, bis sie sich wieder mit der
blossen Hand anfassen liess. Danach wurden alles Schrauben entfernt. Zur Kontrolle wurde
das Herz verbogen und mit einem Heissluftgebläse (Bosch PHG 600 2 CE) erhitzt, bis sich die
Herzform wieder gebildet hatte.
3
Philippe Knüsel
Formgedächtnislegierungen – Shape Memory Alloys
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Im nächsten Versuch musste As und Af einer
gegebenen NiTi-Feder bestimmt werden.
Dazu wurde die Feder an einem Ständer
befestigt und soweit auseinandergezogen,
dass sie vom Boden des eines mit Wasser
gefüllten Becherglases bis zum Wasserspiegel
reichte. Am selben Ständer wurde ein
Thermometer befestigt (Abb. 4). Nun wurde
das Becherglas auf der Heizplatte bis 40°C
erhitzt. Damit das Wasser gleichmässig
erwärmt wurde, wurde ein Rührmagnet
verwendet. Anschliessend wurde die Länge
der Feder von aussen mit einem GeometrieDreieck gemessen und zusammen mit der
jeweiligen Temperatur notiert. Dies wurde
Abb. 4: Versuchsaufbau zur Bestimmung von As und Af
alle 2°C wiederholt, bis sich die Feder nicht
mehr weiter zusammenzog. Aus der
grafischen Darstellung der Resultate konnte nun As und Af bestimmt werden. Dazu wurde
eine Tangente an den Wendepunkt der Temperaturverlaufskurve gelegt. Die Temperatur,
bei der diese Gerade jeweils die y-Koordinate der Anfangslänge resp. Endlänge hat, ist As
resp. Af.
Im letzten Versuch ging es darum, die verrichtete
Arbeit bei der Phasenumwandlung zu bestimmen.
Dazu wurde an einem Ständer ein Federkraftmesser
festgemacht. An diesem befestigte man die Feder,
die man vorher auf 83mm auseinandergezogen
wurde. Hier wären 80mm verlangt gewesen. Da
beim ersten Mal eine Ungenauigkeit von 3mm
auftrat, wurde der Einfachheit halber bei den
weiteren Versuchen ebenfalls 83mm genommen.
Die Höhe des Ständers wurde so eingestellt, dass
der Federkraftmesser zu Beginn des Versuchs die
Anfangskraft FA = 1.55N anzeigte. Dieser Wert
5: Versuchsaufbau zur Bestimmung
wurde beim ersten Durchgang zufällig gewählt (er Abb.
der verrichteten Arbeit bei der
ergab sich aus der auseinandergezogenen Länge der Phasenumwandlung von Martensit zu
Feder und der Höhe des Ständers) und Austenit
anschliessend, um die Rechnung einfacher zu gestalten, wieder verwendet. Nachdem die
Feder eingespannt wurde, wurde mit einem Heissluftföhn (Bosch PHG 600 2 CE) die Feder
aufgeheizt. So wurde die Phasenumwandlung eingeleitet und die Feder zog sich zusammen.
Gemessen wurden nach dem Zusammenziehen die Kraft FMessung und die Auslenkung ∆.
4
Philippe Knüsel
Formgedächtnislegierungen – Shape Memory Alloys
HS 2008/09
Dieses Prozedere wurde insgesamt fünfmal wiederholt. Mit den Messwerten konnte
schliesslich die verrichtet Arbeit folgendermassen berechnet werden:
= ∆ × ( +
∆
)
Diese Messung ergibt sich aus der geometrischen Deutung des F-s-Diagramms. Die Arbeit ist
gleich der Fläche unter der F-s-Kurve. Da diese linear verläuft, lässt sich diese Fläche als
Summe einer Rechteckfläche (mit den Seitenlängen ∆ und FA) und einer rechtwinkligen
Dreiecksfläche (mit den Seitenlängen ∆ und ∆).
4. Resultate
4.1
Beschreibung der akustischen und mechanischen Eigenschaften
Das Martensitstäbchen klang dumpf bis gar nicht. Das Austenitstäbchen hingegen hatte
einen klaren, hohen Klang. Nachdem man das Martensitstäbchen erhitzt hatte, klang es
ebenfalls hoh und klar, da es in die Austenitphase übergegangen war. Mit jedem erneutem
Fallenlassen klang es etwas weniger, da es sich abkühlte. Nach kurzer Zeit war der Klang
wieder verschwunden. Das Stäbchen war also wieder in die martensitische Phase
übergegangen.
Im zweiten Teil wurde das Martensitstäbchen von Hand verbogen. Im martensitischen
Zustand liess es sich leicht plastisch verbiegen. Nachdem Erhitzen war es hart und –
zumindest von Hand – unmöglich plastisch zu verbiegen. Es liess sich lediglich leicht elastisch
verbiegen. Diese Eigenschaft nahm ebenfalls mit der Zeit ab, bis sich das Stäbchen
vollständig abgekühlt hatte.
4.2
Einprägung einer neuen Form
Die Einprägung einer neuen Form gelang problemlos. Nach dem Abkühlen wurde das Herz
von der Lochplatte entfernt und zufällig verbogen. Durch Erwärmung mit dem Heissluftföhn
(Bosch PHG 600 2 CE) ging der Draht in seine alte Form zurück.
5
Philippe Knüsel
4.3
Formgedächtnislegierungen – Shape Memory Alloys
HS 2008/09
Bestimmung der As- und Af-Temperatur
Bei diesem Versuch wurde die Länge der Feder in Abhängigkeit der Temperatur gemessen.
Man erhielt folgende Resultate:
T [°C]
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
82
84
L [cm]
13.5
13.5
13.4
13.3
13.2
13.1
12.9
12.9
12.7
12.6
12.4
11.9
11.5
9.5
7.5
5.4
4.5
4.0
4.0
3.9
3.9
3.9
3.9
L [cm]
T [°C]
Abb. 6: Verlauf der Länge (y) in Abhängigkeit von der Temperatur (x). Rot eingezeichnet ist eine
Näherungsgerade für den Temperaturbereich, wo die Feder sich schnell zusammenzieht. Aus den
Schnittpunkten dieser Gerade mit den Längen, wo die Feder vollständig in der Martensit- resp.
Austenitphase ist, lässt sich As und Af bestimmen.
Aus der Grafik und der Näherungsgeraden liess sich As und Af bestimmen:
As = 63°C
Af = 72°C
Tab. 1: Messresultate
4.4
Bestimmung der Arbeit bei der Phasenumwandlung
Es wurden fünf Messungen durchgeführt. Man erhielt folgende Resultate:
Messung
1
2
3
4
5
FA [N]
1.55
1.55
1.55
1.55
1.55
FMessung [N]
3.3
3.35
3.3
3.3
3.3
∆ [N]
1.75
1.80
1.75
1.75
1.75
∆ [cm]
1.75
1.80
1.75
1.75
1.75
W [N cm]
4.244
4.410
4.244
4.244
4.244
Tab. 2: Messresultate der fünf Messungen der verrichteten Arbeit
Die Abweichungen zwischen den einzelnen Messungen waren sehr klein. Die Arbeit beträgt
demnach W = . × (Durchschnittwert der fünf Messungen). Die
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Philippe Knüsel
Standardabweichung
Formgedächtnislegierungen – Shape Memory Alloys
betrug
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# )
= × ∑$!%(! − daher
=
× (4 × 0.001089 ( + 0.017689 ( ) = × 0.022045 ( = 7.4238 × 10 J
5. Diskussion
Die Resultate des ersten Versuches zeigen, dass das Austenitstäbchen einen klaren Klang
hat, während das aus Martensit beinahe gar nicht klingt. Dies lässt sich darauf zurückführen,
dass das Martensit leicht plastisch verformbar ist. Wenn es also fallengelassen wird, wird die
kinetische Energie fast vollständig in platische Verformung umgewandelt. In der
austenitische Phase hingegen ist das Stäbchen elastisch und deshalb kaum plastisch
verformbar. Daher wird die Fallenergie in Schwingung umgewandelt, was wir als Klang
wahrnehmen. Bestätigt wird diese Erklärung durch den Versuch der plastischen Verformung
von Hand: Während dies in der martensitischen Phase leicht möglich ist, ist es in der
austenitischen Phase unmöglich.
Die Bestimmung der As- und Af-Temperatur verlief während des Experiments problemlos.
Allerdings sind die ermittelten Temperaturen nur Schätzwerte, da die Messung der
Federlänge durch das Becherglas hindurch nur ungenau durchgeführt werden konnte.
Ausserdem konnte die Näherungsgerade nur schätzungsweise eingezeichnet werden.
Dementsprechend sind auch die Werte ungenau. Um die Ms- Mf-Temperatur zu bestimmen,
müsste man diesem Versuch „umgekehrt“ durchführen. Man müsste also beispielsweise
eine Feder im austenitischen Zustand (also bei einer relativ hohen Temperatur) fixieren und
ein Gewicht an sie hängen. Durch eine stetige Abkühlung würde die Feder langsam in den
martensitischen Zustand übergehen und sich ausdehnen. Analog zum durchgeführten
Versuch müsste dann die Länge der Feder in Abhängigkeit der Temperatur gemessen
werden. Allerdings wäre dieser Versuch ungleich schwieriger. Das Gewicht für die
Ausdehnung der Feder müsste gross genug gewählt werden, damit sich die Feder auch im
Wasser ausdehnen würde. Allerdings würde ein zu hohes Gewicht unter Umständen eine
irreversible plastische Verformung verursachen (was sich nicht ohne weiteres feststellen
liesse). Umgekehrt könnte nicht auf Anhieb erkannt werden, wenn das Gewicht zu klein
wäre. Man könnte den Stop der Ausdehnung bei einer höheren Temperatur
fälschlicherweise als höhere Mf-Temperatur interpretieren.
Die Bestimmung der verrichteten Arbeit verlief erstaunlich genau. Bei 4 von 5 Messungen
erhielt man ein und dasselbe Resultat. Um die maximale Energiedichte einer NiTi-Feder zu
bestimmen, müsste man die Feder maximal ausdehnen. Die Ausdehnung sollte also so gross
sein, dass gerade keine irreversible plastische Verformung stattfinden würde. Anschliessend
müsste man denselben Versuch durchführen. Die erhaltene Arbeit müsste zum Schluss durch
das Volumen des Drahtes geteilt werden (das wiederum aus der Länge und dem Radius des
Drahtes zu berechnen wäre).
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Philippe Knüsel
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Es gibt verschiedene denkbare Anwendungsbereiche. Man könnte durch Stromfluss die
Temperatur einer Feder verändern und sie so in die austenitische Phase bringen. So liessen
sich zum Beispiel Federungen herstellen, die elektrisch ein- und ausschaltbar sind. Dies
könnte in Automobilen zur Anwendung gebracht werden. Ebenfalls denkbar wäre eine
solche Funktionsweise in Flugzeugfahrwerken. Während des Fluges könnten die Federungen
der Fahrwerke platzsparend zusammengedrückt werden und für die Landung mittels
elektrischer Spannung ausgefahren werden. Dasselbe Prinzip könnte für Sicherungen
verwendet werden. Sobald eine gewisse Temperatur überschritten wird, biegt sich der Draht
und kappt den elektrische Kreislauf. So könnten Kurzschlüsse und Brände (durch
Überhitzung) verhindert werden. Eine andere Anwendung wäre faltbares Küchengeschirr.
Um in der Küche Platz zu sparen, könnte man dieses verbiegen. Auf der heissen Herdplatte
(im heissen Wasser) würden sie sich wieder zur normalen Form entfalten.
6. Referenzen
Titelbild: Stent aus Nitinol, der sich im Gefäss selbst ausdehnt. Diese werden in der
Herzchirurgie verwendet.
Quelle: http://bjr.birjournals.org/content/vol81/issue965/images/large/413fig1.jpeg
Abb. 1 : Praktikumsanleitung HS 2008/09, Studiengang Materialwissenschaft, ETH Zürich.
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