DE2021348B2

DE2021348B2 - Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus binären Memory-Legierungen

Info

Publication number: DE2021348B2
Application number: DE2021348A
Authority: DE
Inventors: Greville Bertram Beaconsfield Buckinghamshire Brook; Roger Francis Ickenham Middlesex Iles
Original assignee: FULMER RESEARCH INSTITUTE Ltd STOKE POGES BUCKINGHAMSHIRE (GROSSBRITANNIEN)
Current assignee: FULMER RESEARCH INSTITUTE Ltd STOKE POGES BUCKINGHAMSHIRE (GROSSBRITANNIEN)
Priority date: 1969-05-01
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1979-09-20
Also published as: AT315524B; NL7006402A; FR2044754A1; IL34411A0; BE749851A; CH567103A5; GB1315652A; SE389688B; CH555892A; DE2021348C3; IL34411A; NL172971C; JPS4815130B1; CA929084A; US3802930A; DE2021348A1

Description

Es ist bekannt daß bestimmte Legierungen ihre Gestalt bei Veränderung der Temperatur zu verändern vermögen, d. h. einen Memory-Effekt zeigen, also eine reversible Gestaltsänderung zwischen 2 Temperaturen bei Durchlaufen des entsprechenden Umwandlungspunktes T_u erfahren. Es ist bekannt daß binäre Nickel/Titan-Legierungen mit 52 bis 56 Gew.-% Nickel sowie bestimmte Gold/Cadmium-Legierungen, Cadmium/Silber/Gold-Legierungen und Indium/Thallium-Legierungen das Phänomen der reversiblen Gestaltsänderung bei Änderung der Temperatur zeigen.

Aus der GB-PS 1116 158 ist eine Vorrichtung bekannt die zu einer gegebenen Zeit bzw. unter gegebenen Umständen ein einziges Mal eine Gestaltsänderung erfahren soll. Es handelt sich dabei um Nickel/Titan-Legierungen in Form eines Bandes, welches in eingespanntem Zustand über die Transformationstemperatur erhitzt, auf Raumtemperatur abgekühlt und bei dieser aufgewickelt wird. Wird nun diese Wicklung wieder von Raumtemperatur auf die Transformationstemperatur erhitzt, so streckt sich das Band wieder. Bei der Vorrichtung nach der britischen Patentschrift ist das aufgewickelte Band in einem Flugkörper ein gelbaut und wird durch die Sonneneinstrahlung auf eine Temperatur über dem Transformationspunkt erwärmt und damit das Band als Antenne ausgefahren. Ein Rückkehren in die Anfangsgestalt ist weder beabsichtigt noch möglich.

Aufgabe der Erfindung ist nun die Herstellung von Gegenständen aus binären Legierungen mit Memory-Effekt der wiedei holbar ist also bei Temperaturänderung seine Gestallt zu ändern vermag, und zwar dies reversibel und beliebig oft

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, daß man einen Rohkörper aus einer bestimmten sogenannten Memory-Legierung in der Hochtemperatur-Phase einer innerlichen oder äußerlichen Spannung unterwirft die die gewünschte Gestalt in der Tietemperatur-Phase induziert Bei der angewandten Memory-Legierung handelt es sich um eine Uranlegierung enthaltend 2 bis 7% Molybdän oder 3 bis 11% Niob oder 2 bis 7% Rhenium, oder um eine Mangan/Kupfer-Legierung mit 5 bis 50% Kupfer oder eine Nickel/Titan-Legierung mit 52 bis 56% Nickel. Dem Rohkörper kann man die Spannung dadurch verleihen, daß er in der Hochtemperatur-Phase teilweise in die Gestalt die in der Tieftemperatur-Phase angestrebt wird, umgeformt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Rohkörper in die gewünschte Gestalt in der Tieftemperatur-Phase zu formen und dann auf e<ne Temperatur über der Umwandlungstemperatur zu erwärmen, während zur Verhinderung einer Gestaltsänderung an ihn Zwang angelegt wird. Nach einer besonderen Ausgestaltung dieses Verfahrens wird der Rohkörper bei erhöhten Temperaturen in eine 1. Gestalt geformt, dann auf eine tiefere Temperatur abgekühlt und in eine 2. Gestalt umgeformt wobei Temperaturen derart gewählt werden, daß beim Wiederaufwärmeii ohne Zwang auf eine entsprechende Temperatur die 2. Gestalt zumindest teilweise in die 1. Gestalt übergeht, worauf man gegebenenfalls den Körper mit der 2. Gestalt auf die Temperatur unter gleichzeitiger Einwirkung eines Zwangs zur Verhinderung einer Gestaltsänderung erwärmt

Die Verfahrensvariante, bei der der Rohkörper in der Hochtemperatur-Phase in die in der Tieftemperatur-Phase angestrebte Gestalt umgeformt wird, ist von größter praktischer Bedeutung, da damit die Möglichkeit besteht eine Legierung bei einer vergleichsweise hohen Temperatur in einen Zustand zu bringen, von dem sie sich bei tiefer Temperatur spontan in eine andere Gestalt umformt und es damit nicht erforderlich

so ist, die Bearbeitung des Gegenstands bei den tiefen Temperaturen vorzunehmen. In der Praxis wird die metastabile Hochtemperatur-Phase der Legierung abgekühlt und zwar zwischen der Temperatur T\ und der Temperatur T_lh wobei 7ΐ der Beginn der spannungs induzierten Martensi turn Wandlung unter Last und T_u der Beginn der Martensitumwandlung ohne Last also spontan ist. Bei einigen Legierungen sollte die Temperatur möglichst nahe an der Umwandlungstemperatur oder Transformationstemperatur T„ liegen, z. B.

bo innerhalb von 10 IC, um die gewünschte innere restliche Spannung durch diese teilweise Deformation zu erreichen. Bei anderen Legierungen besteht ein größerer Temperaturbereich über T₁₁. Experimentell läßt sich die Temperatur für eine bestimmte Legierung leicht ermitteln. Die Legierung ist dann in geringem Ausmaß umzuformen, d. h. weniger als die endgültige Spannung, die wunschgemäß in das Tieftemperatur-Gefüge eingebracht werden soll. Es wird weiter unter T_u

gekühlt, wenn die Legierung weiterhin die Gestalt ändert in der Richtung, die durch die vorangehende S.'mformung angezeigt ist Beim Wiederaufwärmen geht diese Gestaltsänderung vollständig oder teilweise zurück. Bei neuerlichem Abkühlen erfolgt die Gestaltsänderung gegen die Tieftemperaturgestdt dann spontan. Bei abwechselndem Erwärmen und Abkühlen ist die Gestaltsänderung reversibel.

Ein Charakteristikum aller mit Änderung der Temperatur ihre Gestalt verändernde Gegenstände aus _t0 Memory-Legierungen scheint darin zu bestehen, daß sie beim Abkühlen eine Schertransformation zu einem zeilenmartensitischen Gefüge erleiden oder aber das Hochtemperaturgefüge, wie abgeschreckt, beibehalten, jedoch unter Scherbelastung bei der Kaltumfonnung transformiert werden können. Der wesentliche Gesichtspunkt dabei scheint offensichtlich darin zu liegen, daß beim Umformen bei tiefen Temperaturen eine Schertransformation stattfindet, die obige Form besitzt, oder eine Änderung der Art des martensitischen Gefüges stattfindet Es scheint, daß diese durch die Schertransformation aufgenommene Spannung beim Erwärmen wieder erhalten wird und die Eigenschaft der Gestaltsänderung mit der Temperaturveränderung auf dieser wieder eintretenden Spannung oder einem Recken beruht

Es ist selbstverständlich, daß die Begriffe »Hochtemperatur-« und »Tieftemperatur-« nur relativ ader vergleichsweise zu verstehen sind, abhängig von der Legierung, denn es kann die Hochtemperaturphase oder das Hochtemperaturgefüge beispielsweise bei Raumtemperatur vorliegen, während die Tieftemperatur-Phase bei tieferen Temperaturen existent ist

Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, daß die bei der tiefen Temperatur durch Schertransformation hervorgerufene oder vorliegende Spannung zumindest teilweise in die Hochtemperatur-Phase eingebracht werden kann bei einer Temperatur über der, bei welcher die Transformation spontan zu werden beginnt (T₀Jl In der Praxis hat sich dies als zweckmäßig erwiesen. Die Erfindung liegt nun darin, daß ein Formänderungswiderstand oder eine Spannung entweder äußerlich oder innerlich vorliegen muß, bevor und während die Schertrar.sformation stattfindet, so daß das martensitische Korn für eine Orientierung in Richtung auf die gewünschte Gestaltsänderung aktiviert wird.

Bisher ergaben sich Schwierigkeiten, den Memory-Effekt in der Praxis nutzbar zu machen.

Das Einspannen oder der Zwang beim Wiederaufwärmen induziert eine restliche oder innere Spannung in der Legierung, bei hoher Temperatur, so daß beim Abkühlen das bei der Transformation aktivierte Korn die ursprüngliche Gestaltsänderung bei Verformung bei tiefer Temperatur hervorruft Die gleiche Aktivierung wird man wohl bei teilweiser anfänglicher Verformung vor dem Abkühlen in die Tieftemperatur-Phase annehmen können, wenn berücksichtigt wird, daß genügend Korn der Tieftemperatur-Martensitphase durch die anfängliche Verformung für eine solche Orientierung aktiviert wird, daß beim Abkühlen der _bo Legierung diese ihre Gestaltsänderung fortsetzt

Das Wiederaufwärmen unter Zwang ist besonders wirkungsvoll, da es ermöglicht, die obere Temperatur, auf die die Legierung erhitzt wird, so weit von der Transformationstemperatur entfernt zu halten, daß eine _b5 fortgesetzte Reversibilität der Gestalt in Abwesenheit des Zwanges bereits verloren wäre. Es darf aber die obere Temperatur nicht schon zur Aufhebung der Spannung durch eine plastische Deformation z.B. Kriechen führen, wodurch die Reversibilität verloren geht

In allen Fällen sollte die höchste Temperatur noch nicht e*n Auslagern gestatten. Weun eine Ausscheidungshärtung stattfindet so wird die Form der Hochtemperatur-Phase nicht mehr geändert

Ein Wiedererwärmen unter Zwang kann auch für die Änderung der Lage des Bereichs hei angezogen werden, in dem die Gestaltsänderung, nicht jedoch das Ausmaß der Änderung erfolgt, und zwar bei Legierungen mit niederer Streckgrenze und guter Umformbarkeit, wie binäre Legierungen von Mangan, enthaltend 20% Kupfer, oder von Uran, enthaltend 5% Molybdän.

Es wurde festgestellt, daß der Zwang oder die Spannung nicht immer durch äußere mechanische Maßnahmen, wie eine Einspannvorrichtung, aufgebracht werden muß. In einigen Fällen führt eine Oxidhaut ein Metallüberzug oder dergleichen bereits zu dem erforderlichen Zwang, also zur Verhinderung der Bewegung. Legierungen, die in abgeschrecktem Zustand eine sehr weitgehende Rückstellung erfahren, also einen sehr ausgeprägten Memory-Effekt zeigen, weisen auch eine weitgehende innere Reibung oder Dämpfungskapazität und ein abnormales, geringes Pseudoelastizitätsmodul unter Last auf, besitzen jedoch ohne Last einen normalen Modul, welcher für langsame Abkühlung typisch ist

Für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt man Uran-Legierungen, enthaltend 3 bis 6,5%, insbesondere etwa 4% Molybdän oder 4 bis 10%, insbesondere etwa 6% Niob oder etwa 4% Rhenium, oder Mangan/Kupfer-Legierungen, enthaltend für die meisten Anwendungsgebiete 5 bis 30% Kupfer.

Die binären Legierungen können gegebenenfalls noch übliche Verunreinigungen und/oder Begleitelemente enthalten, soweit diese sich nicht auf das Kristallgefüge oder die metallurgischen Eigenschaften auswirken.

Gußkörper aus den Legierungen lassen sich leicht umformen, z. B. durch Walzen, Schmieden oder Strangpressen.

Die erfindungsgemäß erhaltenen Gegenstände sind für viele Gebiete, wo eine Gestaltsänderung gefordert wird, geeignet z. B. Rohre und Muffen in Rohrverbindungen, als Thermofühler in Schaltgeräten oder als Form zum Umformen von Kunststoffen und Blechen, aus denen besonders leicht ausgeformt werden kann. Die graphische Darstellung 5 zeigt die Bewegung eines Thermofühlersl3 zwischen den Kontakten 11, 12 bei Stromanschluß 10.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert:

Beispiel 1

Binäre Uran-Legierungen wurden so vorbehandelt daß sich bei einer Dicke von 1 mm Streifen reversibel biegen bzw. bei Stäbe strecken bzw. Rohre in Querrichtung ändern. Die Prüfkörper wurden in Schutzgasatmosphäre oder in Vakuum bei einer Temperatur in Bereiche der y-Phase (z. B. 800⁰C) kurze Zeit erhitzt wobei die Zeit abhängig ist von der Materialdicke. Die Prüfkörper wurden dann schnell abgekühlt, z. B. in Wasser oder öl oder mit Hilfe eines Strahls von kaltem Gas, oder durch Wärme-Abstrahlung bei kleinen Teilen, damit eine Ausscheidungshär-

tung der «-Phase oder des Eutektoids vermieden wird. Die Prüfkörper wurden nun auf eine Temperatur Tm unter der Temperatur der spontanen Transformation T₁₁ abgekühlt, wodurch die Transformation in den Zeilenmartensit stattfand. Bei dieser Temperatur Tn wurden die Prüfkörper verformt, z. B. Biegen des Streifens, Recken oder Stauchen des Stabes, Dehnen des Rohres oder durch jede gewünschte andere Umformung. Wurden nun die Prüfkörper über eine kritische Temperatur wieder angewärmt, so nahmen sie zumindest teilweise wieder ihre ursprüngliche Gestalt an.

Das Ausmaß der Spannung, die bei Raumtemperatur in eine Legierung mit so einem geringen Legierungsanteil, wie 2% Mo, eingebracht werden kann, ist sehr gering, und die Temperatur, auf die die Legierung zur reversiblen Gestaltsänderung wieder aufgewärmt werden muß, lag bei ungefähr 500° C, bei der bereits eine schnelle Ausfällung der «-Phase eintritt Eine Legierung mit 3% Mo konnte bei Raumtemperatur verformt werden und begann mit der Rückbildung der ursprünglichen Gestalt (Rückstellung) bei 350⁰C die bei 450 bis 500"C beendet war. Wird das Material bei 500⁰C mehr als ingesamt 10 bis 30 min gehalten, so führt dies zur Ausbildung der «-Phase und des Eutektoids und damit zur Beseitigung des Memory-Effekts.

Uranlegierungen mit 3 bis 5% Mo sind für die Praxis besonders geeignet Eine Uranlegierung mit 4% Mo konnte bei Raumtemperatur verformt werden und begann mit der Rückstellung bereits bei 200⁰C Ein gerader, 1 mm dicker Streifen dieser Legierung wurde in einen Winkel von 100° bei Raumtemperatur gebogen, dann 3 min auf 250⁰C erwärmt: der Streifen streckte sich teilweise auf 30° und zeigte nach Abkühlen auf Raumtemperatur ein Rückbiegen um 70°.

In diesem Beispiel wurde der Zwang durch eine dicke Oxidhaut ausgeübt, die sich beim Erhitzen auf 800⁰C in unzureichendem Vakuum gebildet hatte.

Es wurde auch eine Uranlegierung mit 4,5% Mo untersucht, und zwar wurde ein Streifen bei Raumtemperatur gebogen. Er begann sich bei 80⁰C zu strecken und erreichte bei 250⁰C im wesentlichen vollständig seine ursprüngliche Gestalt, eine geringfügige reversible Bewegung fand beim Kühlen auf Raumtemperatur statt Wurde nun ein gerader Streifen über 120° bei Raumtemperatur gebogen, so verringerte sich nach 3 min bei 100° C der Winkel auf 30°. Wurde auf Raumtemperatur heruntergekühlt, fand eine umgekehr-

te Bewegung auf 45° statt Wurde die Temperatur auf 25O⁰C erhöht, so erreichte man eine vollständigere Rückbiegung und die umgekehrte Bewegung war geringer. Zum Beispiel streckte sich ein bei Raumtem peratuir um 90° gebogener Streifen bei 250° C auf 5° und richtete sich wieder beim Abkühlen auf Raumtemperatur bis auf 10° auf.

Daraus ergibt sich, daß das Ausmaß der Rückstellung beim Abkühlen mit steigender Anwärmtemperatur

ίο sinkt

Eine Uranlegierung mit 5% Molybdän begann mit der Bewegung bei 50⁰C, die Gestaltsänderung war bei 250°C weitgehend vollständig. So wurde z. B. ein gerades Band bei Raumtemperatur in einen bestimmten Winkel gebogen und dann auf eine Temperatur 7 erwärmt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt In folgender Tabelle ist die jeweilige Temperatur, der Biegewinkel bei Raumtemperatur, der verbleibende Winkel nach Gestaltsänderung bei der bestimmten Temperatur T und der Winkel nach Abkühlen auf Raumtemperatur angegeben.

Biege	T	<bei T	< bei 7>
25 -<bei7>
80°	60°C	20°	30°
85°	100"C	10°	20°
30 90°	150⁰C	15°	30°
95°	200"C	10°	15°
90°	250"C	5°	10°

Beispiel 2

Wurde nun ein gerader Streifen einer Uranlegierung mit 5% Molybdän auf -196°C abgekühlt, U-förmig gebogen und anschließend auf Raumtemperatur gebracht, so zeigte sich, daß sich das U-Profil zu einem rechtwinkligen Profil öffnete. Wird auf 100⁰C erwärmt so streckt sich der Streifen vollständig. Wird der Streifen wieder auf -196°C abgekühlt so kehrt er zurück in die rechtwinklige Form.

Bei einem Arbeitszyklus zwischen —196° C und + 100⁰C ändert sich die Gestalt des Streifens von rechtwinklig bei -196°C auf gestreckt bei 100°C im Inne folgenden Schemas:

-l96^rC

-196°C

10O⁰C

-196°C ►-196° C usw.

Bei einer Uranlegierung mit 6% Molybdän findet keine Umwandlung in das martensitische Gefüge statt, wenn nicht unter Raumtemperatur gekühlt wird. Wenn ein Streifen bei Raumtemperatur U-förmig vorgeformt auf 100⁰C erhitzt wird, so stellt man nur eine geringfügige Gestaltsänderung fest Wurde jedoch das U-Proffl auf eine Temperatur von etwa —80⁰C gekühlt so streckte es sich vollständig. Beim Aufwärmen auf 100°C

Raumtemperatur bog sich der Streifen wieder zum U-Proffl.

Wird! der Molybdängehalt der Legierung auf 7% erhöht, so muß die Temperatur, bei der die Verformung stattfindet, tiefer liegen. 7% Molybdän stellt die praktische obere Grenze des Molybdängehalts dar. wenn die Verformungstemperaturen bei —196° C liegen.

Beispiel 3

Ähnlich wie die Uran/Molybdän-Legierungen der Beispiele 1 und 2 wurden nun Uran/Niob-Legierungen untersucht.

Mit 3% Niob erreicht man den gleichen Effekt wie mit 2% Molybdän, jedoch hat eine solche Legierung nur geringe praktische Bedeutung, da das Ausmaß der Gestaltsänderung gering und die dafür notwendige Temperatur so hoch ist, daß bereits die Λ-Phase und ein Eutektoid entstehen und dadurch keine weitere Gestaltsänderung mehr möglich ist. Bei 4% Niob wurde eine Gestaltsänderung bei 350⁰C und bei 5% Niob zwischen 250 und 350° C festgestellt, nachdem die Vorformung bei Raumtemperatur stattgefunden hatte. Legierungen mit 7% Niob beginnen mit der Gestaltsänderung bei etwa 100° C und lassen sich daher mit Uran/Molybdän-Legierungen mit 5% Molybdän vergleichen. Legierungen mit 8 bis 10% Niob können bei —80 bis —196° C verformt werden und zeigen die Gestaltsänderung bei Aufwärmen auf Raumtemperatur.

Beispiel 4

Es zeigte sich, daß Uran/Rhenium-Legierungen mit 2 bis 7% Rhenium sich in ähnlicher Weise verhalten.

Beispiel 5

Untersucht wurde das Verhalten einer Uran/Molybdän-Legierung mit 5% Molybdän anhand eines Stabes, 0 635 mm.

Der Prüfkörper wurde auf -196° C abgekühlt und um 3,8% gestaucht Beim Aufwärmen auf Raumtemperatur dehnte sich der Prüfkörper um 3,2% über die normale Wärmedehnung aus.

Ein anderer Prüfkörper wurde bei -196° C um 4% gestaucht; bei Erwärmen auf Raumtemperatur unter Zwang wurde die Ausdehnung verhindert Es entwickelte sich dabei eine Spannung von etwa 52 · 10⁵NZm². Dies stellt eine Kraft dar, die zur Arbeitsleistung herangezogen werden kann. Aufgrund dieser Erscheinung sind verschiedene Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Legierungen möglich.

Beispiel 6

Es wurden Mangan/Kupfer-Legierungen ähnlich wie die obigen Uranlegierungen behandelt und geprüft

Manganlegierungen mit 5 bis etwa 15% Kupfer zeigten den Effekt der Gestaltsänderung, wenn entsprechende Temperaturen für die Vorverformung eingehalten werden, und zwar bei einer Legierung mit 5% Kupfer etwa 150° C, für 10% Kupfer etwa 100°C und für 15% Kupfer 50⁰C Die ursprüngliche Form der Prüfkörper wurde bei Erwärmen auf 250° C teilweise erreicht Die Gestaltsänderung über diesen Temperaturbereich erfolgte ununterbrochen.

Eine Manganlegierung mit 17,5% Kupfer wurde bei Raumtemperatur vorgeformt und kehrte bei 150⁰C in die ursprüngliche Gestalt zurück. Das Ausmaß dieser Gestaltsänderung war nicht 100%, jedoch ist diese reversibeL Wird nämlich z. B. ein 1 mm dicker Streifen dieser Legierung U-förmig gebogen, wobei die Enden der Schenkel etwa 2,7 mm voneinander entfernt waren und das Biegen bei 25° C erfolgte, so vergrößerte sich der Abstand der Enden auf 4,5 mm beim Erwärmen auf 150⁰C Wurde wieder auf 25° C abgekühlt, so näherten sich die Enden wieder auf 3,7 mm. Beim neuerlichen Erwärmen auf 150⁰C entfernten sie sich wieder auf 4,5 mm und näherten sich bei 25° C auf 3,65 mm.

Die gleiche Legierung, nämlich mit 17,5% Kupfer,

zeigte dieses Phänomen im größeren Ausmaß, wenn die Vorformung bei -196°C stattfand. Ein U-Profil mit dem Abstand der Schenkelenden von 3,95 mm ging bei 25⁰C auf 5,5 mm und bei 100° C auf 6,8 mm auseinander und streckte sich bei 150° C. Beim Abkühlen näherten sich die Enden wieder bei 100° C auf 6,4 mm, bei 25° C auf 6,2 mm und bei -196° C auf 5,95 mm. Beim neuerlichen Aufwärmen auf 25⁰C betrug der Abstand

ι ο wieder 6,25 mm.

Eine Manganlegierung mit 25% Kupfer wurde bei Raumtemperatur vorgeformt und dann auf höhere Temperaturen erwärmt, jedoch wurde keine Gestaltsänderung beobachtet. Dies war zu erwarten, da bei Raumtemperatur die Verformung plastisch war und keine Schertransformation stattfand.

Es ist daher notwendig, diese Legierung für die Vorformung auf —196° C zu kühlen. Bei dieser Temperatur geformt und dann aufgewärmt, zeigt sie ein ähnliches Verhalten wie die 17,5% Kupfer/Mangan-Legierung mit der Ausnahme, daß eine größere Rückstellung zwischen -196⁰C und Raumtemperatur, jedoch eine geringere zwischen Raumtemperatur und 100° C stattfand. Wurde wieder abgekühlt, so fand die entgegengesetzte Bewegung statt. Bei fortgesetztem Temperaturwechsel war die Gestaltsänderung reversibel.

Wie alle anderen Mangan/Kupfer-Legierungen ändert auch die Manganlegierung mit 25% Kupfer ihre Gestalt über einen beträchtlichen Temperaturbereich und nicht innerhalb einer schmalen Zone.

Für Manganlegierungen mit 30 bis 50% Kupfer ist ein Kühlen und Formen unter —196° C erforderlich. Dadurch werden diese Legierungen besonders brauchbar in der Kältetechnik.

Der Mangal der vollständigen Rückstellung von Mangan/Kupfer-Legierungen ergibt sich durch die Tatsache, daß ihre Streckgrenze relativ gering ist und die Umkehr der Transformation durch plastische Verformung der Hochtemperatur-Phase bei deren Bildung aufgenommen wird. Dies ergibt sich daraus, wenn ein Streifen einer Mangan/Kupfer-Legierung mit 17,5% Kupfer bei tiefer Temperatur U-förmig verformt und dann unter Zwang erwärmt wird. Wird dieser Zwang bei höherer Temperatur aufgehoben, so findet keine Gestaltsänderung statt Bei einem Streifen eines Werkstoffs mit einer hohen Streckgrenze, wie einer Nickel/Titan-Legierung mit 54% Nickel, sprang das U-Profil auf, wenn der Zwang bei hoher Temperatur aufgehoben wurde. Siehe die graphische Darstellung 1 für diese beiden Systeme im Zeichnungsblatt.

Beispiel 7

Hier soll die Anwendung einer Spannung zur Induzierung innerer Spannung gezeigt werden.

Die Versuche wurden mit Prüfkörper aus einer Mangan/Kupfer-Legierung mit 20% Kupfer und einer Uran/Molybdän-Legierung mit 5% Molybdän durchgeführt Es zeigte sich, daß ein Wiederaufwärmen unter Zwang eine Veränderung des Bereichs, in dem die Gestaltsänderung stattfindet, nicht jedoch des Winkelbereichs bewirkt Dies geht aus der graphischen Darstellung 2 des Zeichnungsblattes anhand einer Mangan/Kupfer-Legierung mit 20% Kupfer hervor.

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Beispiel 8

Weitere Untersuchungen wurden an Streifen verschiedener Legierungen durchgeführt, in denen die

metastabile Hochtemperaturform (Th) bis knapp über der spontanen Transformations-Temperatur Tu, also zwischen 7L und 7i jedoch näher an T₁₁ gekühlt wird. Die Prüfkörper wurden dann in geringem Ausmaß verformt, d. h. weniger als die endgültige Umformung in der Tieftemperaturform, dann wurde weiter abgekühlt bis unter T₀, wobei der Prüfkörper seine Gestalt änderte in der Richtung, die durch die Vorformung angegeben ist. Beim Erwärmen wurde diese Gestaltsänderung ganz oder teilweise rückgängig gemacht, beim erneuten Abkühlen fand dann diese Gestaltsänderung spontan statt.

Ein Streifen einer Nickel/Titan-Legierung mit 56% Nickel wurde auf 85O⁰C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgeschreckt, und zwar in gestreckter Form, siehe graphische Darstellung 3.

Der Streifen wurde dann um einen Winkel von 25° C bei Raumtemperatur aufgebogen, bei Abkühlung auf -196° C vergrößerte sich der Winkel spontan auf 45°. Wurde nun auf Raumtemperatur angewärmt, so verkleinerte sich der Winkel wieder auf 30°. Bei abwechselndem Erwärmen und Abkühlen zwischen Raumtemperatur und - 196⁰C änderte sich der Winkel des Streifens zwischen 30 und 45° reversibel.

Beispiel 9

Ein Prüfstreifen einer Uran/Molybdän-Legierung mit 5% Mo wurde auf 800⁰C erwärmt und in gestreckter Form auf Raumtemperatur abgeschreckt, siehe graphische Darstellung 4.

Der Streifen wurde nun bei Raumtemperatur zu einem U-Profil gebogen und auf — 196°C abgekühlt, wobei eine spontane Gestaltsänderung dahingehend stattfand, daß sich die Enden der U-Schenkel immer mehr näherten und sogar überkreuzten. Wurde wieder auf Raumtemperatur aufgewärmt, so bildete sich das U-Profil fast vollständig zurück, so daß dann praktisch ein C-Profil vorlag. Wurde weiter auf 100°C erwärmt, so streckte sich der Streifen wieder. Neuerliches Abkühlen auf Raumtemperatur führte zu einem rechten Winkel und Abkühlen auf -196° C zur Rückstellung in das C-Profil. Beim Wiederaufwärmen auf Raumtemperatur

ίο erhielt man ein Winkelprofil mit 85°, welches sich bei weiterem Erwärmen auf 100° C wieder vollständig streckte. Bei Abkühlen auf Raumtemperatur bildete sich das rechtwinklige Profil und bei -196° C das C-Profil zurück. Diese Gestaltsänderung sind zwischen Erwärmen und Abkühlen reversibel.

Daraus ergibt sich, daß eine gewisse Hysterese vorliegt, so daß sich die Form bei Raumtemperatur etwas unterscheidet, wenn erwärmt bzw. abgekühlt wird. Die ursprüngliche Form bei -1S6°C wird nicht wieder vollständig erreicht, jedoch ist anzunehmen, daß bei einem Abkühlen unter -196°C eine vollständige Rückbildung der ursprünglichen Form stattfindet Offensichtlich gibt es bei -196⁰C, ebenso wie bei Raumtemperatur, eine gewisse Hysterese.

Beispiel 10

Ein Streifen einer Mangan/Kupfer-Legierung mit 17,5% Kupfer wurde bei Raumtemperatur teilweise zu einem U-Profil geformt und dann auf - 196°C gekühlt Die Schenkel des U bewegten sich bis zur Schließung des U gegeneinander. Eine Legierung mit 20% Kupfer ergibt die gleichen Resultate, jedoch ist eine weitergehende Bewegung ;;u beobachten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus binären Legierungen, die wiederholbar bei Änderungen der Temperatur ihre Gestalt zu ändern vermögen, dadurch gekennzeichnet, dal} man einen Rohkörper aus einer Uranlegierung, enthaltend 2 bis 7% Molybdän oder 3 bis 11% Niob oder 2 bis 7% Rhenium, oder einer Mangan/Kupfer-Legierung mit 5 bis 50% Kupfer oder einer Nickel/Titan-Legierung mit 52 bis 56% Nickei in der Hochtemperatur-Phase einer inneren oder äußeren Spannung unterwirft, die die gewünschte Gestalt in der Tieftemperatur-Phase induziert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Rohkörper die Spannung dadurch verleiht, daß er in der Hochtemperatur-Phase teilweise in die Gestalt, die in der Tief temperatur-Phase angestrebt wird, umgeformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Rohkörper in die gewünschte Gestalt der Tieftemperatur-Phase formt und dann auf eine Temperatur über der Umwandlungs-Temperatur erwärmt, während zur Verhinderung einer Gestaltsänderung an ihn Zwang angelegt ist

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß man den Rohkörper bei einer erhöhten Temperatur Ti in eine erste Gestalt Fi formt dann auf eine tiefere Temperatur Ti abkühlt und in eine 2. Gestalt F₂ umformt wobei die Temperaturen derart zu wählen sind, daß beim Wiederaufwärmen ohne; Zwang auf eine entsprechende Temperatur T F_x zumindest teilweise in Fi übergeht, worauf man gegebenenfalls den Körper mit F₂ auf T unter gleichzeitiger Einwirkung eines Zwanges zur Verhinderung einer Gestaltsänderung erwärmt