Formgedächtnis-Legierungen
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Legierungen, die nach einer relativ starken Verformung ihre ursprüngliche, evtl. programmierte Gestalt wieder einnehmen können, heißen Formgedächtnis-Legierungen (FGL) oder im Englischen shape-memory alloys (SMA). Je nach Legierungszustand erfolgt diese Umkehr entweder unmittelbar nach der Entlastung als pseudoelastisches bzw. superelastisches Verhalten oder nach Erwärmung oberhalb einer legierungsspezifischen Temperatur mit einem Formgedächtnis-Effekt.
Physikalische Grundlagen
Zu den wichtigsten Formgedächtnislegierungen zählen Cu-Zn-X (X: Si, Sn, Al)- Legierungen und die intermetallische NiTi-Legierung (Nickelgehalt von ca. 55 gew.%), wobei die NiTi-Legierung aufgrund günstigerer Eigenschaften eine größere technologische Bedeutung erlangen konnte. Der Formgedächtnis-Effekt beruht auf einer thermoelastischen Martensitumwandlung, einer reversiblen und diffusionslosen, durch Scherung der Gitterebenen bedingten Phasenumwandlung. Die Abkühlung der Hochtemperatur-Phase, genannt Austenit, unter der legierungsspezifischen Martensitstarttemperatur (Ms) führt zu der o.g. Strukturumwandlung ohne Gestaltänderung und ohne irreversible plastische Verformung, wie es bei Stählen der Fall ist. Formgedächtnislegierungen lassen sich im martensitischen Zustand leicht verformen; die reversible Verformung kann bis zu 8% bei NiTi betragen. Diese Verformung ist bleibend, solange sich die Legierung im martensitischen Zustand befindet. Die Erwärmung oberhalb der legierungsspezifischen Austenitstarttemperatur (As) führt dann zur Rückstellung der ursprünglichen Gestalt. Bei Formgedächtnislegierungen lässt sich der Austenit in einem bestimmten Temperaturbereich ebenfalls durch das Anlegen einer kritischen Spannung in Martensit umwandeln (spannungsinduzierter Martensit). Die Entlastung führt dann zur Rückumwandlung des Martensits in Austenit. Die dabei erreichten reversiblen Dehnungen können bis zu 8% betragen.
Umwandlung und Rückumwandlung Martensit - Austenit finden bei unterschiedlichen Temperaturen (Formgedächtnis) bzw. Spannungen (Superelastizität) statt, so dass jeweils eine Hystereseschleife durchlaufen wird.
NiTi für medizinische Anwendungen
Die quasi-stöchiometrischen NiTi-Legierungen (in Massengehalt ca. 58%Ni und 42%Ti) kombinieren ein ausgeprägtes Formgedächtnis bei Körpertemperatur mit hoher Korrosionsbeständigkeit und guter Bioverträglichkeit. Die NiTi-Legierungen mit Formgedächtnis werden seit den achtziger Jahren in der Medizintechnik und Kieferorthopädie eingesetzt. Durch geeignete Be- und Verarbeitung können die Eigenschaften in einem breiten Spektrum eingestellt und eine Vielfalt an Bauteilformen für spezifische Anwendungen hergestellt werden.
Eigene Arbeiten
Im Labor für Werkstoffprüfung und Fügetechnik der Fachhochschule Kiel beschäftigen wir uns seit Jahren mit der Untersuchung der Eigenschaften von NiTi Legierungen. Besondere Bedeutung kommt dabei dem Einfluss der Kaltverformung und Wärmebehandlung auf das Umwandlungsverhalten (z.B. Temperaturen, oberhalb derer die Rückstellung der programmierten Gestalt erfolgt) und die mechanischen Eigenschaften zu.
Messungen
Für die Prüfung der mechanischen Eigenschaften steht eine rechnergesteuerte Universalprüfmaschine mit DMS-Kraftmessdosen von 10, 100, 500 und 1000 N und Feindehnungsmessung zur Verfügung.
Weitere Untersuchungen umfassen Gefüge, chemische Zusammensetzung und Oberflächenbeschaffenheit. Zu diesem Zweck verfügen wir über modern ausgestattetes Metallographie-Labor sowie ein leistungsfähiges analytisches Rasterelektronenmikroskop.
Umwandlungstemperatur
Die Umwandlungstemperaturen werden mit Hilfe von Widerstandsmessungen bestimmt. Ein Beispiel hierzu ist im Abb. 1 dargestellt.
Abb. 1: NiTi-Legierung: Ermittlung der Übergangstemperaturen mit Hilfe von Widerstandsmessungen
Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Kennwerte wie Plateau-Kräfte, bzw. Plateau-Spannung, E-Modul etc. können in Abhängigkeit von der Temperatur im Zug- und/oder Biegeversuch ermittelt werden. Abb. 2 zeigt hierzu ein Beispiel.
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Abb. 2: Mechanische Biegeeigenschaften eines NiTi-Drahtes bei verschiedenen Temperaturen |
Oberfläche und chemische Zusammensetzung
Ein analytisches Rasterelektronenmikroskop erlaubt eine genaue Untersuchung von Oberflächen. Es werden die geometrische Struktur und ortsaufgelöst auch die chemische Zusammensetzung bestimmt. Abb. 3 zeigt als Beispiel eine Drahtoberfläche.
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RE-Bild
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EDX-Mapping von Aluminium
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EDX-Mapping von Silizium
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EDX-Mapping von Sauerstoff
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Abb. 3: NiTi-Legierungen: REM Bild und EDX-Mappings zeigen die Verunreinigung der Oberfläche eines orthodontischen NiTi-Draht mit Schleif- und Poliermittelrückständen.
Biovertäglichkeit
In Zusammenarbeit mit dem Klinikum für Kieferorthopädie der Christian-Albrechts Universität zu Kiel untersuchen wir die Bioverträglichkeit von NiTi-Legierungen an Zellkulturen. Die Versuche können an verschiedenen Zelllinien durchgeführt werden und die Cytotoxizität wird anhand des MTT- Tests ermittelt. Versuche nach ISO-Normen können nach Bedarf durchgeführt werden.
Abb. 4: NiTi-Legierungen: Cytotoxizität zweier NiTi-Bögen in Epithelzellkulturen nach MTT-Test
Poster Zahnmodellierung
Kieferorthopädische Multibandbögen
Thermomechanische und fertigungstechnische Eigenschaften
Bioverträglichkeit von NiTi-Formgedächtnislegierungen
Schlagworte: NiTi, Formgedächtnis, Legierung, Martensit, Austenit
_klein.jpg "Einstellung der Zelladhäsion")
.gif "Mikrostrukturmanipulation")
.jpg "Nanostäbchen")
