Martensitische Umwandlungen und instationäre Wärmeflüsse in NiTi-Formgedächtnislegierungen
Final Report Abstract
Im Projekt wurde das Materialmodell für Formgedächtnislegierungen nach Müller, Achenbach und Seelecke erweitert und parametrisiert. Die dazu benötigte experimentelle Datenbasis wurde anhand metallurgisch hergestellter NiTi-Legierungen erstellt. Das erweiterte und parametrisierte Modell wurde in eine Materialroutine zur Verwendung in einer kommerziellen Finiten-Elemente-Plattform überführt und mittels eines Benchmark-Experiments getestet. Das Modell eignet sich zur instationären Simulation von thermisch induzierten Austenit-Martensit Phasenumwandlungen in binären und ternären NiTi-Formgedächtnislegierungen in dreidimensionalen Körpern. Die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: 1. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, wie sowohl die thermischen als auch die mechanischen Hysteresen in NiTi-Formgedächtnislegierungen von der Ni-Konzentration und von der Temperaturrate abhängen. Letztere Abhängigkeit steht im Zusammenhang mit der materialinhärenten Relaxationszeit der zu Grunde liegenden Phasenumwandlung (martensitische Transformation). 2. Auf Grundlage der experimentell ermittelten Daten wurde das Materialmodell von Müller, Achenbach und Seelecke erweitert und parametrisiert. Ausgehend von einem idealisierten (Hysterese-freien) Referenzprozess wurde das reale (hysteretische) Temperatur/Zeit-Verhalten des Legierungssystems NiTi für variable Ni-Konzentrationen abgebildet. Dazu wurden drei Parameter nach der Methode des „reverse Engineering“ bestimmt: die spezifische Grenzflächenenergie, ein Längenparameter und Parameter zur Skalierung der thermischen Aktivierung. Im Ergebnis gibt das erweiterte Modell die Temperaturratenabhängigkeit der Materialsysteme und die Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung (hier: Ni-Konzentration) richtig wieder. 3. Eine weitere Modellerweiterung betrifft die Zeit/Temperatur-Abbildung zweistufiger martensitischer Transformationen, wobei das System NiTiFe als Testsystem gewählt wurde. Auch dieses System konnte hinreichend genau mit dem erweiterten Modell abgebildet werden. 4. Die erweiterten Modellvarianten des Müller-Achenbach-Seelecke-Modells wurde in eine Material-Subroutine zur Verwendung in kommerziellen FEM Plattformen überführt und erfolgreich mit einem vorher durchgeführten Benchmark-Experiment verglichen.
Publications
- Input data and benchmark experiments for FEM modeling of shape memory alloys. 9th European Symposium on Martensitic Transformations ESOMAT 2012. Sankt Petersburg, 9.-16. September 2012
S. Jaeger, O. Kastner, G. Eggeler
- On the effect of crystallographic compatibility on hysteresis widths, transformation strains and irreversible strains in binary NiTi shape memory alloys. Intermetallics 2013. 30 September - 4 October 2013, Kloster Banz, Bad Staffelstein, Germany
S. Jaeger, J. Frenzel, B. Maaß, O. Kastner, G. Eggeler
- Modellierung thermisch induzierter Martensit -Austenit Umwandlungen in NiTi -Legierungen. Institut für Werkstoffe, Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft, Ruhr-Universität Bochum 2014
S. Jaeger
- On the relation between thermal and mechanical hysteresis of martensitic transformations in NiTi shape memory alloys. International Conference on Martensitic Transformations ICOMAT 2014, July 6-11, 2014, Bilbao, Spain
S. Jaeger, J. Frenzel, G. Eggeler, O. Kastner
- Modeling thermally induced martensitic transformations in nickel titanium shape memory alloys. Continuum Mechanics and Thermodynamics 2015, 27(3), 461-481
S. Jaeger, G. Eggeler, O. Kastner
(See online at https://doi.org/10.1007/s00161-014-0375-4) - On the widths of the hysteresis of mechanically and thermally induced martensitic transformations in Ni-Ti based shape memory alloys. International Journal of Materials Research 2015
S. Jaeger, B. Maaß, J. Frenzel, M. Schmidt, J. Ullrich, S. Seelecke, A. Schütze, O. Kastner, G. Eggeler
(See online at https://doi.org/10.3139/146.111284) - Variational prediction of the mechanical behavior of shape memory alloys based on thermal experiments. JMPS 2015, 80, 86-102
P. Junker, S. Jaeger, O. Kastner, G. Eggeler, K. Hackl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmps.2015.04.015)
