Staunenswerte Formgedächtnislegierungen

Dr.-Ing. Philipp Krooß und Dr.-Ing. Christian Lauhoff (von links) am servohydraulischen Prüfstand des Fachgebiets. Dieser Versuchsaufbau war eine zentrale Säule für die Studie: Er ermöglicht es, die mechanischen Eigenschaften des Materials zu untersuchen und gleichzeitig die Veränderungen im Gefüge unter dem Lichtmikroskop zu beobachten. (Credit: Christine Buhl)

Forscher des Fachgebiets Metallische Werkstoffe der Universität Kassel haben ein neues Verformungsverhalten in Formgedächtnislegierungen entdeckt. Durch den zeitgleichen Einsatz verschiedener Messverfahren konnte das Team erstmals beobachten, was auf atomarer Ebene unter Belastung im Material passiert. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis dieser intelligenten Werkstoffe und eröffnen langfristig neue Perspektiven für zukünftige High-Tech-Anwendungen.

Bislang war unklar, was genau im Inneren von Formgedächtniswerkstoffen passiert, wenn sie nach einer starken Verformung wieder entlastet werden und in ihre Ursprungsform zurückkehren. Dieses besondere „Erinnerungsvermögen“ wurde bisher meist nur phänomenologisch beschrieben und vor allem in winzigen medizinischen Bauteilen wie Gefäßstützen (Stents) genutzt. Die Kasseler Forschung zeigt nun erstmals im Detail, wie sich die Struktur des Materials während dieser Entlastungsphase auf atomarer Ebene verändert.

Kombinierte Messmethoden machen atomare Prozesse sichtbar und hörbar

Am Beispiel spezieller Kobalt-Nickel-Gallium-Kristalle wies das Kasseler Team nach, wie der Mechanismus exakt abläuft: Fällt der Druck ab, findet eine bislang unbekannte Umstrukturierung statt, bei der sich die Kristallbereiche neu anordnen. Durch das Wachstum einer bestimmten Kristallvariante verschieben sich die sogenannten Zwillingsgrenzen im Material.

Genau diese atomare Bewegung im Kristallgefüge erzeugt akustische Signale, die das Team erstmals entschlüsseln konnte. „Wir konnten den Werkstoff mittels Neutronenbeugung durchleuchten, zeitgleich über akustische Emissionen seine Verformung belauschen und die Prozesse parallel im Modell interpretieren“, erklärt Dr.-Ing. Christian Lauhoff, Erstautor der Studie und Leiter der Arbeitsgruppe Formgedächtniswerkstoffe am Institut für Werkstofftechnik. „Wir haben dem Material quasi gleichzeitig beim Arbeiten zugesehen, zugehört und es verstanden.“

Internationale Kooperation ebnet Weg für neue Anwendungen

„Wenn wir die Mechanismen im Inneren vollständig beherrschen, können wir langzeitstabile Systeme für ganz andere Branchen konzipieren“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf, Leiter des Fachgebiets. „Perspektivisch betrachten wir hierbei etwa das Bau- und Transportwesen, wo solche Materialien künftig als hochbelastbare Dämpfungselemente wechselnden Lasten und mechanischen Schwingungen entgegenwirken können.“

Die Kooperation fußt auf einer langjährigen, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Zusammenarbeit. Unter der Federführung der Universität Kassel, die für die mechanische Prüfung zuständig war, bündelten führende Partner ihre Expertise: Die TU Bergakademie Freiberg lieferte die akustische Analyse, die LMU München und das Rutherford Appleton Laboratory in Oxford verantworteten die Neutronenbeugung, während die Tschechische Akademie der Wissenschaften in Prag die theoretische Modellbildung erstellte.