DE102020115941A1

DE102020115941A1 - Verfahren zur Nutzung von Auslagerungseffekten mit dem Ziel der Erhöhung der Spannung und/oder der Begrenzung des Spannungsverlustes von Vorspannelementen aus einer Formgedächtnislegierung

Info

Publication number: DE102020115941A1
Application number: DE102020115941.2A
Authority: DE
Inventors: Malte Vollmer; Johanna Frenck; Philipp Krooß; Thomas Niendorf; Bernhard Middendorf; Alexander Wetzel; Ekkehard Fehling
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-12-23
Also published as: EP4168595A1; WO2021254768A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Nutzung von Auslagerungseffekten mit dem Ziel der Erhöhung der Spannung und/oder der Begrenzung des Spannungsverlustes von Vorspannelementen aus einer FGL, wobei das Vorspannelement während des Verfahrens am Bestimmungsort, d.h. am oder im Bauteil oder Bauwerk, fixiert vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Spannung oder zur Begrenzung des Spannungsverlustes in einem Vorspannelement aus einer Formgedächtnislegierung (im Folgenden FGL), wobei das Vorspannelement während der Anwendung des Verfahrens am Bestimmungsort, d.h. am oder im Bauteil oder Bauwerk, fixiert vorliegt.
Zur Vorspannung von Bauwerken oder Bauteilen, wie z. B. Spannbetonbrücken oder ähnlichem, werden bereits metallische Elemente aus hochfesten Stählen genutzt. Die Spannglieder werden mit hydraulischen Aggregaten elastisch vorgedehnt, und in diesem Zustand in dem Bauwerk, was auf Druck vorgespannt werden soll, fixiert. Danach wird die von außen aufgebrachte Vorspannung entfernt. Dadurch, dass das Spannglied lediglich elastisch verformt und im Bauwerk fixiert ist, bringt es die besagte Druckvorspannung auf das Bauteil oder Bauwerk auf, während im Spannglied selbst Zugspannungen verbleiben.
Darüber hinaus sind auch FGL als Vorspannelemente für Bauwerke oder Bauteile bekannt. FGL sind Metalle, die infolge einer Änderung der Temperatur und/oder der mechanischen Spannung ihre Kristallstruktur durch eine diffusionslose Phasenumwandlung zwischen einer Hochtemperaturphase (im Folgenden Austenit) und einer Tieftemperaturphase (im Folgenden Martensit) reversibel ändern können. Sie besitzen somit die Möglichkeit, sich an ihre Ursprungsform zu „erinnern“, was bedeutet, dass auch nach einer großen (pseudoplastischen/pseudoelastischen) mechanischen Verformung einer FGL diese wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren kann. Das heißt, es besteht die Möglichkeit, eine hohe mechanische Verformung beispielsweise von mehreren Prozent Dehnung in das Vorspannelement einzubringen, wodurch das Gefüge nach der Verformung zumindest partiell martensitisch vorliegt. Diese Verformung kann in einem charakteristischen Temperaturintervall (zwischen der Temperatur As bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit einsetzt und der Temperatur Af bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit abgeschlossen ist) dem sogenannten Aktivierungstemperaturintervall, wieder zurückgenommen werden. Somit verformt sich das Vorspannelement wieder in seinen Ausgangszustand. Wird die zuvor aufgebrachte mechanische Verformung durch eine Fixierung am Bestimmungsort konstant gehalten, kann dieser Effekt Verwendung finden, wenn, wie bereits ausgeführt, auf Bauwerke oder Bauteile entsprechende Spannungen aufgebracht werden sollen. Vorteilhaft hierbei ist, dass keine aufwendigen hydraulischen Aggregate auf der Baustelle erforderlich sind, um ein solches Vorspannelement an dem Bauwerk oder Bauteil im gespannten Zustand zu applizieren. Vielmehr wird hierbei so vorgegangen, dass ein auf eine bleibende Vorverformung gedehntes Vorspannelement aus einer FGL an oder in einem Bauwerk oder Bauteil mechanisch verankert wird, und im fixierten Zustand aktiviert wird, das heißt, das verankerte Vorspannelement wird auf eine bestimmte charakteristische Temperatur, die in oder oberhalb des Aktivierungstemperaturintervalls liegt, erwärmt, wobei dann das Vorspannelement das Bestreben hat, sich in seinen Ausgangszustand zurückzuversetzen, und hierbei sowie bei der folgenden Abkühlung Spannungen auf das Bauteil bzw. Bauwerk aufgebracht werden.
Die so erzielte Vorspannung wird durch das Spannungsintervall bei der bei Betriebstemperatur, d.h. bei der Temperatur bei der das zu fixierende Bauteil oder Bauwerk gewöhnlich eingesetzt wird, erneut eine Umwandlung in den Martensit stattfindet und/oder durch die Festigkeit des Materials begrenzt. Zusätzlich kann es infolge von Überlastung oder auch durch alterungsbedingte Schwind- und Kriecheffekte des vorgespannten Bauteils oder Bauwerks dazu kommen, dass die Spannung im Laufe der Zeit nachlässt oder nicht mehr ausreicht um einen sicheren Gebrauch des Bauteils oder Bauwerks zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik war es bislang so, dass in einem solchen Fall das Vorspannelement ausgetauscht werden musste oder dass zusätzliche Vorspannelemente vorzusehen und vorzuspannen waren. Dies ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden und entsprechend teuer. Bei Vorspannelementen mit Verbund war es bisher ferner nicht möglich, zum Ausgleich der Vorspannungsverluste nachzuspannen.
Die Nutzung von feindispersen Ausscheidungen (im Folgenden Ausscheidungsteilchen) zur Steigerung der Festigkeit und Härte von Metall-Legierungen ist insbesondere aus dem Bereich der Aluminiumlegierungen bekannt. Je nach Größe, Verteilung und Anbindung zum umliegenden Atomgitter wird die plastische Verformung des Materials durch verschiedene Mechanismen, wie beispielweise kohärente Spannungsfelder, den Kelly-Fine-Mechanismus oder den Orowan-Mechanismus, erschwert. Die Ausscheidungshärtung erfolgt oftmals mittels einer Wärmebehandlung eines übersättigten Mischkristalls (Auslagerung) um die Triebkraft und Diffusionsgeschwindigkeit so weit zu erhöhen, dass Keimbildung und Keimwachstum im Werkstoff stattfinden. Im Bereich der FGL werden feine kohärente Ausscheidungsteilchen insbesondere dazu genutzt, um, neben einer Festigkeitssteigerung, die Umwandlungstemperaturen, d.h. die Temperatur As bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit einsetzt, die Temperatur Af bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit abgeschlossen ist, die Temperatur Ms bei der die Umwandlung von Austenit in Martensit einsetzt und die Temperatur Mf bei der die Umwandlung von Austenit in Martensit abgeschlossen ist, gezielt zu verändern. Je nach Legierungssystem ist dabei eine Erhöhung oder aber auch ein Absenken der Umwandlungstemperaturen möglich. Für die folgenden Ausführungen wird jedoch von einer Absenkung dieser ausgegangen. In Folge einer Absenkung der Umwandlungstemperaturen steigen die mechanischen Umwandlungsspannungen, die gemäß Clausius-Clapeyron-Beziehung mit den Umwandlungstemperaturen in Zusammenhang stehen. Dadurch können FGL, die zuvor durch die Erhöhung der Temperatur in ihre ursprüngliche Form zurückgekehrt sind (sogenannter Einwegeffekt), nach der Auslagerung auch durch eine reine Entlastung der mechanischen Spannung in ihre Ursprungsform zurückkehren (sogenannte Super- bzw. Pseudoelastizität). Nach dem Stand der Technik war es bislang so, dass eine solche Auslagerungswärmebehandlung zur Einstellung der spezifischen Eigenschaften der FGL durchgeführt wurde, bevor das Bauteil an seinem Bestimmungsort appliziert wurde und sich somit die Eigenschaften der FGL hinsichtlich der Festigkeiten und Umwandlungstemperaturen während des Gebrauchs nicht mehr zielgerichtet ändern ließen. Eventuell doch auftretende Änderungen waren beispielsweise einer funktionalen Ermüdung zuzuordnen, die bezüglich ihrer resultierenden Effekte gemeinhin jedoch nicht beeinflussbar war.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, durch die Auslagerung von Ausscheidungsteilchen im bereits fixierten Zustand am Bestimmungsort eine Steigerung der Festigkeit und/oder ein Absinken der Umwandlungstemperaturen und damit letztlich auch eine Steigerung der Umwandlungsspannungen zu erzielen. Insbesondere besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, auf einfache und preiswerte Weise einen Verlust der Vorspannung während des Gebrauchs auf ein bestimmtes Niveau, durch eine ausscheidungsbedingte Änderung der Umwandlungstemperaturen und somit der auftretenden Formgedächtniseffekte, zu begrenzen und/oder die durch das Vorspannelement erzeugte mechanische Spannung auf einfache und preiswerte Weise zu erhöhen, das heißt, die mechanische Spannung im Vorspannelement auf z. B. die ursprüngliche oder eine höhere Spannung zurückzuführen. Somit ist eine Ertüchtigung des Vorspannelementes in eingebautem und fixiertem Zustand des Vorspannelementes möglich. Da die Vorspannung sowie die nachträgliche Erhöhung der Vorspannung ohne Relativbewegungen zwischen Bauteil und Vorspannelement erfolgen kann, entstehen auch bei gekrümmten Verläufen der Geometrie des Vorspannelements keine Verluste der Vorspannkraft durch Reibung.
Zur Lösung der Aufgabe sind nach einem Verfahren zur Nutzung von Auslagerungseffekten mit dem Ziel der Erhöhung der Spannung und/oder der Begrenzung des Spannungsverlustes von Vorspannelementen aus einer FGL, wobei das Vorspannelement in einem Bauteil oder Bauwerk fixiert ist, folgende Arbeitsschritte vorgesehen:

- Erwärmen des Vorspannelementes im fixierten Zustand, ausgehend von einer ersten Temperatur T1 auf eine zweite Temperatur T2, die über der ersten Temperatur T1 liegt, wobei die zweite Temperatur T2 und die Haltezeit H_T2 bei der zweiten Temperatur T2 und/oder die Aufheizzeit AH_T2 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T2 derart ist, dass sich nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern;
- Abkühlen des Vorspannelementes von der zweiten Temperatur T2 auf die dritte Temperatur T3, die etwa im Bereich der Betriebstemperatur liegt, wobei sich während der Abkühlzeit AK_T3 auf die Temperatur T3 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.

Sowohl T1 als auch T3 können der Betriebstemperatur, z.B. der Raumtemperatur bzw. der Umgebungstemperatur, entsprechen.
Ausscheidungsteilchen bestehen aus Legierungselementen, beispielsweise Aluminium, Nickel, Titan, die zuvor in der Matrix zufällig verteilt sind. Die Ausscheidungsteilchen erhöhen die Streckgrenze und die Festigkeit des Vorspannelementes, verändern den Wärmeausdehnungskoeffizienten und senken gleichzeitig die Umwandlungstemperaturen. Dadurch können höhere Vorspannungen erzeugt werden.
Im Einzelnen sind die Ausscheidungsteilchen dadurch gekennzeichnet, dass

- sie nanometrisch in einer Größe von 1 Nanometer bis 500 Nanometer, insbesondere in einer Größe von 1 Nanometer bis 25 Nanometer im Atomgitter der umgebenden Legierung vorliegen;
- sie in einer geordneten Struktur vorliegen;
- sie kohärent zumindest aber teilkohärent in der Umgebungsmatrix, das heißt im Atomgitter vorliegen;
- sie sich in einem für das vorzuspannende Bauteil oder Bauwerk erträglichen Temperaturbereich bilden, das heißt, zwischen 50° C und 700° C, insbesondere aber zwischen 50° C und 250° C;
- sie eine Steigerung der Festigkeit der umgebenden Matrix durch bekannte Mechanismen der Ausscheidungshärtung, insbesondere aber durch kohärente Spannungsfelder, bedingt durch Unterschiede in den Gitterkonstanten zwischen Ausscheidungsteilchen und Matrix aber auch durch Unterschiede in den elastischen und thermischen Eigenschaften hervorrufen;
- sie die Umwandlungstemperaturen in Bezug auf den Beginn und das Ende der Umwandlung von Austenit in Martensit und in Bezug auf den Beginn und das Ende der Umwandlung von Martensit in Austenit absenken, und dadurch gemäß der Clausius-Clapeyron Beziehung die Umwandlungsspannungen erhöhen. Diese Spannungen sind die, die die Höhe der Vorspannung begrenzen und zu einer Limitierung des Vorspannungsverlustes führen.

Bei einem verankerten Vorspannelement, welches ein zumindest partiell martensitisches Gefüge aufweist, können nach Anspruch zwei die folgenden beiden Arbeitsschritte vorgenommen werden:

- Erwärmen des Vorspannelementes auf eine zweite Temperatur T2, die über der Betriebstemperatur liegt, wobei die zweite Temperatur T2 derart ist, dass sie über der Temperatur As bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit einsetzt liegt, wobei die Aufheizzeit A_T2 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T2 und/oder die Haltezeit H_T2 bei der zweiten Temperatur T2 derart ist, dass sich nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern;
- Abkühlen des Vorspannelementes auf eine dritte Temperatur T3, die im Bereich der Betriebstemperatur liegt, wobei sich während der Abkühlzeit AK_T3 auf die Temperatur T3 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.

Im Gegensatz zur Lehre des Anspruchs 1, wonach bei Erwärmen auf Temperatur T2 keine Umwandlung oder zumindest Teilumwandlung des martensitischen Gefüges in ein austenitisches Gefüge erfolgen muss, muss bei den Verfahrensschritten nach Anspruch 2 eine Umwandlung des Gefüges stattfinden.
Wie bereits zuvor erwähnt, erhöhen die Ausscheidungsteilchen die Streckgrenze und die Festigkeit des Vorspannelementes, verändern den Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie den E-Modul und senken gleichzeitig die Umwandlungstemperaturen (Mf, Ms, As und Af). Die Absenkung der Umwandlungstemperaturen führen gemäß Clausius-Clapeyron-Beziehung zu einem erhöhten Spannungsniveau, bei der eine erneute Umwandlung in den Martensit stattfindet und zu einem erhöhten Spannungsniveau, bei der eine Umwandlung von Martensit in Austenit stattfindet. Sowohl die erhöhte Festigkeit und der veränderte Wärmeausdehnungskoeffizient als auch das erhöhte Spannungsniveau der Umwandlung von Austenit in Martensit ermöglichen die Erhöhung der Vorspannungen. Das erhöhte Spannungsniveau, bei der eine Umwandlung von Martensit in Austenit stattfindet, ermöglicht die Bildung eines Spannungsplateaus bei der Entlastung des Vorspannelementes, welches dazu genutzt werden kann, den Vorspannungsverlust zu begrenzen. Ebenso kann eine Änderung des E-Moduls im Entlastungspfad den Vorspannungsverlust begrenzen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Arbeitsschritte nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 wiederholt werden können (Anspruch 3), wobei die Temperaturen, Haltezeiten, Aufheizzeiten und Abkühlzeiten sich von den zuvor genutzten Temperaturen, Haltezeiten, Aufheizzeiten und Abkühlzeiten unterscheiden können, aber nicht müssen.
Hiermit wird unter Berücksichtigung der entsprechenden Aufheiztemperatur und der Haltezeit eine nachträgliche Erhöhung der Spannung in dem Vorspannelement erreicht. Denn tatsächlich ist es so, dass bei nochmaliger Erwärmung auf eine Temperatur T2_neu, die gleich, oberhalb oder unterhalb von T2 liegt, weitere Ausscheidungsteilchen entstehen bzw. bestehende Ausscheidungsteilchen noch wachsen.
Nach einem weiteren Merkmal des Verfahrens können nach Ausführung der Arbeitsschritte nach Anspruch 1 oder nach Ausführung der Arbeitsschritte nach Anspruch 2 die weiteren folgenden Arbeitsschritte (Anspruch 4) vorgesehen sein:

- Erwärmen des Vorspannelementes auf eine vierte Temperatur T4, die geringer oder gleich der zweiten Temperatur T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die vierte Temperatur T4 und/oder die Haltezeit H_T4 unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AH_T2 und/oder der Haltezeit H_T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T4 und/oder die Haltezeit H_T4 bei der vierten Temperatur T4 derart ist, dass sich nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene nanometrische Ausscheidungsteilchen wachsen;
- Abkühlen des Vorspannelementes auf eine Temperatur T5, die im Bereich der dritten Temperatur T3 liegt, wobei die Abkühlzeit AK_T5 unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AK_T3, wobei sich während der Abkühlzeit AK_T5 auf die Temperatur T5 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.

_neu

_alt

Nach Anspruch 6 können folgende Arbeitsschritte durchgeführt werden:

- Erwärmen des Vorspannelementes auf eine sechste Temperatur T6, die größer der zweiten Temperatur T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T6 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die sechste Temperatur T6 und/oder die Haltezeit H_T6 unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AH_T2 und/oder der Haltezeit H_T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T6 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T6 und/oder die Haltezeit H_T6 bei der vierten Temperatur T6 derart ist, dass sich nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene nanometrische Ausscheidungsteilchen wachsen;
- Abkühlen des Vorspannelementes auf eine Temperatur T7, die im Bereich der dritten Temperatur T3 liegt wobei die Abkühlzeit AK_T7 unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AK_T3, wobei sich während der Abkühlzeit AK_T7 auf die Temperatur T7 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.

Im Einzelnen kann in diesem Zusammenhang weiterhin eine Wiederholung der Arbeitsschritte nach Anspruch 6 vorgesehen sein, wobei eine Temperatur T6_neu bei jeder Wiederholung höher oder gleich ist als die vorherige Temperatur T6_alt. Hierdurch entstehen einerseits weitere Ausscheidungsteilchen im Gefüge bzw. es findet ein Wachsen bereits vorhandener Ausscheidungsteilchen statt, wobei zusätzlich noch martensitisches (Rest-) Gefüge in austenitisches Gefüge umgewandelt werden kann, was ebenso wie die Ausscheidungsteilchen dazu führt, dass die Spannung in dem Vorspannelement erhöht wird. Somit kann auch nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, dass die Temperatur z.B. T2 oder T4 oder T6 so gewählt wird, dass eine zumindest partielle Rückumwandlung des martensitischen Gefüges in austenitisches Gefüge im vorgedehnten Zustand des Vorspannelementes im Ausgangszustand stattfindet. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die nanometrischen Ausscheidungsteilchen eine Größe von 1 bis 500 Nanometern, bevorzugt allerdings eine Größe von 1 bis 25 Nanometern aufweisen, wobei vorteilhaft die nanometrischen Ausscheidungsteilchen als Quelle der kohärenten oder zumindest teilkohärenten Spannungsfelder agieren. Diese sind in der Matrix der FGL eingelagert, was schlussendlich Grund für die Spannungserhöhung ist, wie dies bereits erwähnt wurde.
Es hat sich des Weiteren herausgestellt, dass eine FGL basierend auf einer Eisen- und/oder Kupferlegierung mit gegebenenfalls Nickel- und/oder Aluminiumanteilen den Vorteil hat, dass die Temperaturen für die Entstehung der Ausscheidungsteilchen relativ geringgehalten werden können, und zwar insbesondere im Bereich bis ca. 250° C, was eine Temperatur darstellt, die beispielsweise ein Beton in der Lage ist, strukturell integer zu ertragen. Insofern kann die Temperatur T2, T4 oder T6 für die Erwärmung des Vorspannelementes je nach Anwendung zwischen 50° C und 700° C, vorteilhaft für eine Anwendung in Bauwerken allerdings zwischen 50° C bis 250° C, betragen. Dies sind Temperaturbereiche, bei denen auch die Umwandlung von Martensit in Austenit beginnen kann und bei denen die Umwandlung des Martensits in Austenit gegebenenfalls vollständig abgeschlossen werden kann; in diesem Bereich findet auch die Bildung der nanometrischen Ausscheidungsteilchen statt.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Aufheizzeit und auch die Haltezeit in den jeweiligen Arbeitsschritten hochgradig variabel ist, was im Wesentlichen an der großen Bandbreite liegt, in der sich die Temperatur T2, T4 oder T6 befindet, nämlich im Maximalbereich von 50° C bis 700° C.
Die Temperaturen T1, T3, T5 und T7 sind die jeweiligen Betriebstemperaturen und liegen im Bereich von -196° C bis 500° C, idealerweise jedoch im Bereich von -50° C bis 80° C.
Anhand der Zeichnungen im Anhang wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.

1 zeigt den Vordehnvorgang eines FGL Vorspannelements anhand eines beispielhaften Spannung-Dehnung-Diagramm im Temperaturbereich T < A_f;
2 zeigt ein beispielhaftes Spannung-Temperatur-Diagramm, bei dem ein FGL Vorspannelement, das entsprechend 1 vorgedehnt worden ist, aktiviert wird, d.h. erwärmt und anschließend abgekühlt wird;
3 zeigt ein beispielhaftes Spannung-Dehnung-Diagramm von der Entlastung eines FGL Vorspannelementes, so wie es sich nach einer Behandlung gemäß 2 darstellt;
4 zeigt ein beispielhaftes Spannung-Temperatur-Diagramm, bei dem bei gleicher Temperatur ein FGL Vorspannelement gemäß 2 mit gleicher Endtemperatur (T2) aber zwei unterschiedlichen Haltezeiten (H_T2 und H_T2neu) behandelt worden ist;
5 zeigt eine beispielhafte Darstellung gemäß 2, bei der eine Reihe von Aufheiz- und Abkühlzyklen bei jeweils unterschiedlicher Maximaltemperatur aber gleichen Haltezeiten dargestellt sind;

Betrachtet man zunächst 1, so ist ein charakteristischer Spannung-Dehnung-Verlauf erkennbar, wie er während der Vordehnung eines FGL Vorspannelements entsteht. Während der Verformung entsteht ein für die Phasentransformation bzw. für das Entzwillingen des Martensits charakteristisches Spannungsplateau. Gemäß des Falles der Phasentransformation entsteht dieses charakteristische Spannungsplateau aus der Umwandlung eines im Wesentlichen austenitischen Gefüges, wie es bei 0% Dehnung und ohne Aufbringung einer Spannung σ vorliegt, durch die Spannungserhöhung in ein martensitisches Gefüge. Wird das Vorspannelement aus einer FGL dann entlastet, das heißt wird die Spannung auf das Vorspannelement auf Null reduziert, bleibt eine gewisse Dehnung vorhanden, es findet hierbei also keine vollständige Gefügeumwandlung zum Austenit statt, vielmehr bleibt das FGL-Vorspannelement zumindest partiell martensitisch. Das vorgedehnte Vorspannelement, so wie es sich nach Abschluss der Behandlung gemäß 1 darstellt, ist das, was am Bestimmungsort, d.h. im oder am Bauteil oder Bauwerk, fixiert wird.
Dieses Vorspannelement wird nun, wie sich dies aus 2 ergibt, durch Erwärmung und anschließendes Abkühlen aktiviert. Hierbei wird ausgehend von einer Temperatur T1 das Vorspannelement auf eine Temperatur T2 erwärmt, wobei die Temperatur T2 beispielsweise in etwa bei 300°C liegt. Auf dem Temperaturniveau von T2 wird das Vorspannelement einer Haltezeit H_T2 von 30 Sekunden ausgesetzt. Alsdann kühlt das Vorspannelement von der Temperatur T2 auf die Temperatur T3 ab. Während der Erwärmung des Vorspannelements von T1 auf T2 findet eine Umwandlung des (partiell) martensitischen Gefüges in ein zumindest partiell austenitisches Gefüge statt, was zu einer Kontraktion des Vorspannelements führt. Parallel findet durch die Erwärmung zwischen der Temperatur T1 und der Temperatur T2 eine Wärmeausdehnung statt, die entgegen der Kontraktion durch die Umwandlung wirkt. Ab einer bestimmten Temperatur (hier beispielsweise 175° C) reicht die Triebkraft und Diffusionsgeschwindigkeit zur Bildung und zum Wachstum von Ausscheidungsteilchen aus, so dass sowohl die Aufheizzeit (AH_T2) und Abkühlzeit (AK_T3) in diesem Temperaturbereich als auch die Haltezeit (H_T2) bei der Temperatur T2 erheblichen Einfluss auf die resultierende Vorspannung und eine mögliche Begrenzung des Spannungsverlustes haben.
Bei der Abkühlung (AK_T3) von der Temperatur T2 auf die Temperatur T3 steigt zunächst die Spannung durch die negative Wärmeausdehnung erheblich an. Ab einem bestimmten Zeitpunkt ist die Spannung (im Beispiel bei 350 MPa) bei gegebener Temperatur (hier circa 150° C) hoch genug um eine erneute spannungsinduzierte Umwandlung des austenitischen Gefüges in ein martensitisches Gefüge oder eine plastische Verformung des Vorspannelementes zu erzeugen, wodurch die Spannung im Folgenden nur noch geringfügig ansteigt. Die Lage dieses Knickpunktes kann wesentlich durch die Ausscheidungsteilchen beeinflusst werden, da diese eine mögliche plastische Verformung erschweren und die Umwandlungsspannungen erhöhen. Die Temperaturen T1 und T3 bewegen sich im gewählten Beispiel im Bereich der Umgebungstemperatur und liegen bei etwa 25°C. Die Darstellung gemäß 2 spiegelt insofern die Lehre nach dem Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 wieder.
3 zeigt ein Spannung-Dehnung-Diagramm ähnlich wie 1, wobei jedoch im Unterschied zu 1 bei dem Spannung-Dehnung-Diagramm gemäß 3 eine oder mehrere Wärmebehandlungen, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt ist, zuvor stattgefunden haben. Dabei wird das aktivierte Vorspannelement schrittweise entlastet, wobei sich während der Entlastung über einen großen Bereich eine nahezu konstante Spannung zeigt, was der Umwandlung von martensitischem Gefüge in austenitisches Gefüge während der Entlastung zuzuordnen ist. Dies ist wiederum auf die erhöhten Umwandlungsspannungen von Martensit in Austenit und somit gemäß Clausius-Clapeyron-Beziehung auf das Absenken der Umwandlungstemperaturen durch die Ausscheidungsteilchen zurückzuführen. Es hat sich herausgestellt, dass die Spannung durch ein solches Spannungsplateau über einen großen Dehnungsbereich trotz beispielsweise Schwind- und Kriechvorgängen des Bauteils, also zum Beispiel des Vorspannelement umgebenden Betons, aufrechterhalten werden kann.
Betrachtet man nunmehr die 4 ergibt sich aus der Darstellung eine doppelte Aktivierung gemäß 2, wobei bei einem ersten Zyklus das Vorspannelement auf eine Temperatur T2 (hier 250° C) erwärmt wurde, um dann auf die Temperatur T3 abgekühlt zu werden; während des nächsten, zweiten Zyklus erfolgt eine Aufheizung ausgehend von der Temperatur T3 auf eine Temperatur T2neu, die gleich der Temperatur T2 ist, um dann wiederum aus der Temperatur T2neu auf eine Temperatur T3neu (= T3) abgekühlt zu werden. Der Unterschied zwischen den beiden dargestellten Zyklen besteht darin, dass beim ersten Zyklus die Haltezeit eine Sekunde (H_T2) beträgt, wohingegen beim zweiten Zyklus die Haltezeit sich auf 30 Minuten (H_T2neu) beläuft. Durch das erneute Aufheizen in den Temperaturbereich, bei dem sich neue Ausscheidungsteilchen bilden oder vorhandene Ausscheidungsteilchen wachsen, wird die Festigkeit des Vorspannelements weiter erhöht und die Umwandlungstemperaturen gesenkt. Dies ist anhand der Verschiebung des Knickpunktes zu höheren Spannungen und zu niedrigeren Temperaturen während des Abkühlvorgangs visualisiert. Zwischen beiden Aktivierungszyklen kann eine große Zeitspanne, beispielsweise von mehreren Jahren, liegen und ein solcher anschließender Zyklus kann mehrfach auch mit variierenden Temperaturen, Haltezeiten, Aufheizzeiten und Abkühlzeiten wiederholt werden. Die Darstellung gemäß 4 spiegelt insofern die Lehre nach dem Anspruch 3 bzw. die Lehre nach Anspruch 4 wieder.
Betrachtet man nunmehr 5, so ist hier eine solche Hintereinanderschaltung von Aufheizzyklen gemäß 2 mit unterschiedlichen Maximaltemperaturen dargestellt. Das heißt, es wird zunächst das Vorspannelement von T1 auf T2 aufgeheizt, sodann auf eine Temperatur T3 abgekühlt, um dann auf eine Temperatur T6 wiederum aufgeheizt zu werden. Alsdann wird das Vorspannelement, ausgehend von der Temperatur T6, auf die Temperatur T7 (=T3=T1) abgekühlt, um nach der Abkühlung wiederum auf die Temperatur T6_neu (hier: 250°C) aufgeheizt zu werden, um dann wiederum in einem neuen weiteren Zyklus nach erfolgter Abkühlung auf eine Temperatur T7neu auf eine Temperatur T6neu* von etwa 300°C aufgeheizt zu werden, um dann auch wieder abgekühlt zu werden auf eine Temperatur T7_neu*, wie dies, wie bereits ausführt, der Darstellung gemäß 5 im Einzelnen zu entnehmen ist.
Der letzte Abkühlvorgang endet bei einer Temperatur T7_neu*, wobei erkennbar ist, dass nach jedem Zyklus die Spannung o um ca. 100 MPa angestiegen ist. Die Haltezeiten während der einzelnen Zyklen wurden jeweils mit 30 Sekunden gleich gehalten. Die Zeit zwischen den Aufheizvorgängen von einer Betriebstemperatur z.B. T1, T3, T5, T7 auf eine entsprechend höhere Temperatur kann mehrere Jahre betragen. Die Darstellung gemäß 5 spiegelt die Lehre nach dem Anspruch 3 bzw. die Lehre nach den Ansprüchen 6 und 7 wieder.

Claims

Verfahren zur gezielten Nutzung von Ausscheidungseffekten mit dem Ziel der Erhöhung der Spannung und/oder der Begrenzung des Spannungsverlustes von Vorspannelementen aus einer FGL, wobei das Vorspannelement während der Anwendung des Verfahrens am Bestimmungsort fixiert vorliegt, gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte: - Erwärmen des initial vorgedehnten Vorspannelementes im fixierten Zustand, ausgehend von einer ersten Temperatur T1 auf eine zweite Temperatur T2, die über der ersten Temperatur T1 liegt, wobei die zweite Temperatur T2 und die Haltezeit H_T2 bei der zweiten Temperatur T2 und/oder die Aufheizzeit AH_T2 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T2 derart ist, dass sich nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern; - Abkühlen des Vorspannelementes von der zweiten Temperatur T2 auf eine dritte Temperatur T3, die im Bereich der Betriebstemperatur, d.h. im Bereich von -196° C bis 500° C, idealerweise jedoch im Bereich von -50° C bis 80° C liegt, wobei sich während der Abkühlzeit AK_T3 auf die Temperatur T3 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Durchführung der Schritte nach Anspruch 1, wobei das Gefüge des vorgedehnten Vorspannelements vor der Aktivierung zumindest partiell martensitisch ist, wobei die zweite Temperatur T2 derart ist, dass sie über der Temperatur As bei der die Umwandlung von Martensit in Austenit einsetzt liegt
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wiederholung der Schritte nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei sich die Temperatur T1neu, die Temperatur T2neu, die Haltezeit H_T2neu, die Aufheizzeit AH_T2neu, die Temperatur T3neu und die Abkühlzeit AK_T2neu von der Temperatur T1, Temperatur T2, Haltezeit H_T2, Aufheizzeit AH_T2, Temperatur T3 und Abkühlzeit AK_T2 nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 unterscheiden können.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch - Erwärmen des Vorspannelementes auf eine vierte Temperatur T4, die geringer oder gleich der zweiten Temperatur T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die vierte Temperatur T4 und/oder die Haltezeit H_T4 unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AH_T2 und/oder der Haltezeit H_T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T4 und/oder die Haltezeit H_T4 bei der vierten Temperatur T4 derart ist, dass sich nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene nanometrische Ausscheidungsteilchen wachsen; - Abkühlen des Vorspannelements auf eine fünfte Temperatur T5, die im Bereich der dritten Temperatur T3 liegt, wobei die Abkühlzeit AK_T5 unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AK_T3, wobei sich während der Abkühlzeit AK_T5 auf die Temperatur T5 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Wiederholung der Schritte nach Anspruch 4, wobei jede Temperatur T4neu geringer oder gleich der Temperatur T4_alt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Erwärmen des Vorspannelementes auf eine sechste Temperatur T6, die höher der zweiten Temperatur T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T6 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die sechste Temperatur T6 und/oder die Haltezeit H_T6 unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AH_T2 und/oder der Haltezeit H_T2 ist, wobei die Aufheizzeit AH_T6 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T6 und/oder die Haltezeit H_T6 bei der vierten Temperatur T6 derart ist, dass sich nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene nanometrische Ausscheidungsteilchen wachsen; - Abkühlen des Vorspannelementes auf eine Temperatur T7, die im Bereich der dritten Temperatur T3 liegt wobei die Abkühlzeit AK_T7 unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AK_T3, wobei sich während der Abkühlzeit AK_T7 auf die Temperatur T7 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine mehrfache Wiederholung der Arbeitsschritte nach Anspruch 6, wobei eine Temperatur T6neu bei jeder Wiederholung gleich oder höher ist als die vorherige Temperatur T6_alt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T2 oder T4 oder T6 und/oder die Aufheizzeit AH_T2 oder A4H_T4 oder A6H_T6 so gewählt wird, dass eine zumindest partielle Umwandlung des martensitischen Gefüges in austenitisches Gefüge im Vorspannelement stattfindet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanometrischen Ausscheidungsteilchen im Atomgitter eine Größe von 1 Nanometer bis 500 Nanometer, bevorzugt von 1 Nanometer bis 25 Nanometer aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die nanometrischen Ausscheidungsteilchen im Atomgitter in einem für das vorzuspannende Bauteil oder Bauwerk erträglichen Temperaturbereich bilden, das heißt, zwischen 50° C und 700° C, insbesondere aber zwischen 50° C und 250° C.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanometrischen Ausscheidungsteilchen kohärent oder zumindest teilkohärent in der Umgebungsmatrix vorliegen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung Eisen und/oder Kupfer aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung Nickel und/oder Aluminium und/oder Titan aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizzeit des Vorspannelementes von der Temperatur T1 bis zum Beginn der Haltezeit bei einer Temperatur T2, T4, T6 im Bereich von etwa 50° C bis 700° C, bevorzugt von 50° C bis ca. 250° C, etwa 1 Sekunden bis zu 3 Stunden beträgt und induktiv, konduktiv, konvektiv oder über alternative Mechanismen erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit zwischen einer Sekunde und 72 Stunden, insbesondere aber zwischen einer Sekunde und 24 Stunden liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nanometrische Ausscheidungsteilchen Elemente aus einem oder mehreren der Legierungsbestandteile der Formgedächtnislegierung aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen T1, T3, T5 und T7 im Bereich der Betriebstemperatur, d.h. im Bereich von -196° C bis 500° C, idealerweise jedoch im Bereich von -50° C bis 80° C liegen.