TY - THES

T1 - Numerische Analyse der Martensit Morphologie in nanokristallinen NiTi Legierungen

AU - Pranger, Wolfgang

N1 - gesperrt bis null

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - NiTi Legierungen sind die meist verwendeten Formgedächtnislegierungen (shape memory alloys). NiTi wandelt beim Abkühlen aus dem Austenitbereich von der kubisch geordneten Kristallstruktur in die monokline des Martensit um. Die dabei auftretenden Spannungen werden (fast) ausschließlich durch Zwillingsbildung reduziert. In nanokristallinem NiTi mit einem mittleren Korndurchmesser von ca. 100nm treten sogenannte (001) Compound-Zwillinge auf, die in grobkörnigen NiTi nicht beobachtet werden. Abhängig vom des Korndurchmessers bilden sich verschiedene Morphologien aus. Während sich in kleineren Körnern (unter 100nm) ein Laminat aus alternierenden Martensitvarianten (Zwillingen) einstellt, entsteht in größeren Körnern (über 100nm) eine Morphologie, welche sich aus einer Abfolge solcher Martensitlaminate zusammensetzt und aufgrund ihrer abgewinkelten relativen Lage zueinander als Fischgräten-Morphologie bezeichnet wird. Anhand eines energetischen Ansatzes werden die unterschiedlichen Morphologien hinsichtlich der Energie untersucht, die bei deren Bildung aufgewendet werden muss. Einen wesentlichen Beitrag stellt die elastische Verzerrungsenergie beim Umklappen von der Kristallstruktur des Austenits in jene des Martensits dar. Diese Umwandlung lässt sich mathematisch durch den Deformationsgradienten ausdrücken, aus dem die Umwandlungsdehnungen berechnet werden können. Die elastische Verzerrungsenergie der verschiedenen Morphologien wird mit Hilfe der Finite Element Methode berechnet. Für eine Parameterstudie wird die Modellerstellung und Auswertung automatisiert. Dazu werden die von ABAQUS CAE angelegten Sicherungsdateien (das Recovery File und das Replay File) mit einem Visual Basic for Applications Programm entsprechend modifiziert. Zu den Ergebnissen der elastischen Verzerrungsenergie werden alle anderen Beiträge (Grenzflächenenergien und dissipierte Energie) addiert. Damit können sowohl der Durchmesser für den Morphologiewechsel als auch die optimalen Parameter der Fischgräten-Morphologie bestimmt werden. Die Simulationsergebnisse liefern eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.

AB - NiTi Legierungen sind die meist verwendeten Formgedächtnislegierungen (shape memory alloys). NiTi wandelt beim Abkühlen aus dem Austenitbereich von der kubisch geordneten Kristallstruktur in die monokline des Martensit um. Die dabei auftretenden Spannungen werden (fast) ausschließlich durch Zwillingsbildung reduziert. In nanokristallinem NiTi mit einem mittleren Korndurchmesser von ca. 100nm treten sogenannte (001) Compound-Zwillinge auf, die in grobkörnigen NiTi nicht beobachtet werden. Abhängig vom des Korndurchmessers bilden sich verschiedene Morphologien aus. Während sich in kleineren Körnern (unter 100nm) ein Laminat aus alternierenden Martensitvarianten (Zwillingen) einstellt, entsteht in größeren Körnern (über 100nm) eine Morphologie, welche sich aus einer Abfolge solcher Martensitlaminate zusammensetzt und aufgrund ihrer abgewinkelten relativen Lage zueinander als Fischgräten-Morphologie bezeichnet wird. Anhand eines energetischen Ansatzes werden die unterschiedlichen Morphologien hinsichtlich der Energie untersucht, die bei deren Bildung aufgewendet werden muss. Einen wesentlichen Beitrag stellt die elastische Verzerrungsenergie beim Umklappen von der Kristallstruktur des Austenits in jene des Martensits dar. Diese Umwandlung lässt sich mathematisch durch den Deformationsgradienten ausdrücken, aus dem die Umwandlungsdehnungen berechnet werden können. Die elastische Verzerrungsenergie der verschiedenen Morphologien wird mit Hilfe der Finite Element Methode berechnet. Für eine Parameterstudie wird die Modellerstellung und Auswertung automatisiert. Dazu werden die von ABAQUS CAE angelegten Sicherungsdateien (das Recovery File und das Replay File) mit einem Visual Basic for Applications Programm entsprechend modifiziert. Zu den Ergebnissen der elastischen Verzerrungsenergie werden alle anderen Beiträge (Grenzflächenenergien und dissipierte Energie) addiert. Damit können sowohl der Durchmesser für den Morphologiewechsel als auch die optimalen Parameter der Fischgräten-Morphologie bestimmt werden. Die Simulationsergebnisse liefern eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.

KW - NiTi

KW - twinning

KW - phase transformation

KW - elastic strain energy

KW - finite element method

KW - micromechanic

KW - NiTi

KW - Zwillinge

KW - Martensit

KW - Phasenumwandlung

KW - elastische Verzerrungsenergie

KW - Finite Elemente Methode

KW - Mikromechanik

M3 - Diplomarbeit

ER -