EP4168595A1 - Verfahren zur nutzung von auslagerungseffekten mit dem ziel der erhöhung der spannung und/oder der begrenzung des spannungsverlustes von vorspannelementen aus einer formgedächtnislegierung - Google Patents

Verfahren zur nutzung von auslagerungseffekten mit dem ziel der erhöhung der spannung und/oder der begrenzung des spannungsverlustes von vorspannelementen aus einer formgedächtnislegierung

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EP4168595A1
EP4168595A1 EP21731933.4A EP21731933A EP4168595A1 EP 4168595 A1 EP4168595 A1 EP 4168595A1 EP 21731933 A EP21731933 A EP 21731933A EP 4168595 A1 EP4168595 A1 EP 4168595A1
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EP
European Patent Office
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temperature
prestressing element
heating
time
nanometric
Prior art date
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Pending
Application number
EP21731933.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johanna FRENCK
Philipp KROOSS
Thomas Niendorf
Bernhard Middendorf
Alexander Wetzel
Ekkehard Fehling
Malte VOLLMER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Kassel
Original Assignee
Universitaet Kassel
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4168595A1 publication Critical patent/EP4168595A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C21D1/26—Methods of annealing
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    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
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    • C21D2211/004—Dispersions; Precipitations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2200/00—Constructional details of connections not covered for in other groups of this subclass
    • F16B2200/77—Use of a shape-memory material

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the tension or for limiting the tension loss in a prestressing element made of a shape memory alloy (hereinafter SMA), the prestressing element being fixed during the application of the method at the destination, i.e. on or in the component or structure.
  • SMA shape memory alloy
  • SMA are known as prestressing elements for structures or components.
  • SMA are metals that, as a result of a change in temperature and / or mechanical stress, change their crystal structure through a diffusion-free phase transition between a High-temperature phase (hereinafter austenite) and a low-temperature phase (hereinafter martensite) can change reversibly. They have the possibility to “remember” their original shape, which means that even after a large (pseudoplastic / pseudoelastic) mechanical deformation of a SMA, it can return to its original state.
  • austenite High-temperature phase
  • martensite low-temperature phase
  • the procedure here is that a prestressing element from a SMA stretched to a permanent pre-deformation is mechanically anchored on or in a building or component, and is activated in the fixed state, that is, the anchored prestressing element is heated to a certain characteristic temperature, which in or is above the activation temperature interval, heated, in which case the prestressing element strives to return to its initial state, and here and during the subsequent cooling, stresses are applied to the component or structure.
  • the pre-tensioning achieved in this way is determined by the tension interval at which a conversion to martensite takes place again at the operating temperature, ie at the temperature at which the component or structure to be fixed is usually used, and / or is limited by the strength of the material.
  • the tension may decrease over time or is no longer sufficient to ensure safe use of the component or structure.
  • the pretensioning element had to be replaced or that additional pretensioning elements had to be provided and pretensioned. This is associated with considerable effort and is correspondingly expensive.
  • composite pre-tensioning elements it has not previously been possible to re-tension to compensate for the pre-tensioning losses.
  • precipitate particles finely dispersed precipitates
  • the plastic deformation of the material is made more difficult by various mechanisms, such as coherent stress fields, the Kelly Fine mechanism or the Orowan mechanism.
  • Precipitation hardening often takes place by means of a heat treatment of a supersaturated mixed crystal (aging) in order to increase the driving force and diffusion speed to such an extent that nucleation and growth take place in the material.
  • the object on which the invention is based is to achieve an increase in strength and / or a decrease in transformation temperatures and thus ultimately also an increase in transformation stresses by relocating precipitated particles in the already fixed state at the destination.
  • the object on which the invention is based is to prevent a loss of preload during use in a simple and inexpensive manner certain level, by a precipitation-related change in the transformation temperatures and thus the occurring shape memory effects, to limit and / or to increase the mechanical stress generated by the prestressing element in a simple and inexpensive manner, that is, the mechanical stress in the prestressing element to z. B. the original or a higher voltage.
  • This enables the pretensioning element to be upgraded when the pretensioning element is installed and fixed. Since the pre-tensioning and the subsequent increase in the pre-tensioning can take place without relative movements between the component and the pre-tensioning element, there are no losses of the pre-tensioning force due to friction even with curved profiles of the pre-tensioning element's geometry.
  • the following work steps are provided according to a method for using outsourcing effects with the aim of increasing the stress and / or limiting the stress loss of prestressing elements from a SMA, the prestressing element being fixed in a component or structure: Prestressing element in the fixed state, starting from a first temperature T1 to a second temperature T2, which is above the first temperature T1, the second temperature T2 and the holding time HT2 at the second temperature T2 and / or the heating time AHT2 for heating the prestressing element the temperature T2 is such that it is nanometric
  • Precipitation particles form in the structure of the prestressing element and / or existing precipitate particles enlarge;
  • T1 and T3 can correspond to the operating temperature, for example the room temperature or the ambient temperature.
  • Precipitation particles consist of alloying elements, for example aluminum, nickel, titanium, which are previously randomly distributed in the matrix.
  • the precipitated particles increase the yield strength and the strength of the prestressing element, change the coefficient of thermal expansion and at the same time lower the transformation temperatures. This allows higher pre-stresses to be generated.
  • the precipitation particles are characterized in that
  • the heating time AT2 for heating the prestressing element on the temperature T2 and / or the holding time HT2 at the second temperature T2 is such that nanometric precipitation particles form in the structure of the prestressing element and / or existing precipitation particles increase;
  • the precipitated particles increase the yield strength and the strength of the prestressing element, change the coefficient of thermal expansion and the modulus of elasticity and at the same time lower the transformation temperatures (Mf, Ms, As and Af).
  • the transformation temperatures Mf, Ms, As and Af.
  • the lowering of the transformation temperatures leads to an increased stress level at which a renewed transformation into martensite takes place and to an increased stress level at which a transformation from martensite into austenite takes place. Both the increased strength and the changed
  • the coefficient of thermal expansion and the increased stress level of the transformation from austenite to martensite enable the pretension to be increased.
  • the increased stress level at which a transformation from martensite to austenite takes place, enables the formation of a stress plateau when the load is removed from the prestressing element, which can be used to limit the loss of prestressing.
  • a change in the modulus of elasticity in the relief path can also limit the loss of prestress.
  • the work steps according to claim 1 or claim 2 can be repeated (claim 3), whereby the temperatures, holding times, heating-up times and cooling-down times can differ from the previously used temperatures, holding times, heating-up times and cooling-down times, but don't have to.
  • the heating time AHT4 for heating the prestressing element to the fourth temperature T4 and / or the holding time HT4 different from or equal to the heating time AHT2 and / or the Holding time HT2, the heating time AHT4 for heating the prestressing element to temperature T4 and / or holding time HT4 at fourth temperature T4 is such that nanometric precipitation particles form in the structure of the prestressing element and / or existing nanometric precipitation particles grow;
  • Cooling of the prestressing element to a temperature T7 which is in the range of the third temperature T3, the cooling time AKT7 being different from or the same as the cooling time AKT3, with further nanometric precipitation particles forming in the structure of the prestressing element during the cooling time AKT Z to the temperature T7 and / or existing precipitates enlarge.
  • a repetition of the work steps according to claim 6 can also be provided in this context, wherein a Temperature T6 new is higher than or equal to the previous temperature T6 ai t at each repetition.
  • a Temperature T6 new is higher than or equal to the previous temperature T6 ai t at each repetition.
  • the temperature for example T2 or T4 or T6
  • the temperature is selected so that an at least partial reconversion of the martensitic structure into austenitic structure takes place in the pre-stretched state of the prestressing element in the initial state.
  • the nanometric waste particles have a size of 1 to 500 nanometers, but preferably a size of 1 to 25 nanometers, the nanometric waste particles advantageously acting as the source of the coherent or at least partially coherent stress fields. These are embedded in the SMA matrix, which is ultimately the reason for the increase in voltage, as already mentioned.
  • an SMA based on an iron and / or copper alloy with possibly nickel and / or aluminum components has the advantage that the temperatures for the formation of the precipitated particles can be kept relatively low, in particular in the range up to approx. 250 ° C, which is a temperature that concrete, for example, is able to withstand structurally with integrity.
  • the temperature T2, T4 or T6 for heating the prestressing element can be between 50 ° C and 700 ° C, depending on the application, but advantageously between 50 ° C and 250 ° C for use in buildings.
  • the heating time and also the holding time in the respective work steps are highly variable, which is essentially due to the wide range in which the temperature T2, T4 or T6 is, namely in the maximum range from 50 ° C to 700 ° C.
  • the temperatures T1, T3, T5 and T7 are the respective operating temperatures and are in the range from -196 ° C to 500 ° C, but ideally in the range from -50 ° C to 80 ° C.
  • FIG. 1 shows the pre-stretching process of an SMA pre-stressing element on the basis of an exemplary stress-strain diagram in the temperature range T ⁇ At;
  • Fig. 2 shows an exemplary stress-temperature diagram in which an SMA prestressing element which has been pre-stretched according to Fig. 1 is activated, i.e. heated and then cooled;
  • FIG. 3 shows an exemplary stress-strain diagram of the relief of an SMA prestressing element, as it is shown after a treatment according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows an example of a voltage-temperature diagram in which, at the same temperature, one SMA prestressing element according to FIG. 2 with the same end temperature (T2) but two different hold times (HT2 and HT2 new) have been treated;
  • FIG. 5 shows an exemplary illustration according to FIG. 2, in which a series of heating and cooling cycles are shown, each with a different maximum temperature but the same holding times;
  • Prestressing element arises. During the deformation, a stress plateau is created that is characteristic of the phase transformation or the de-twinning of the martensite. According to the case of the phase transformation, this characteristic stress plateau arises from the transformation of an essentially austenitic structure, as is the case with 0% elongation and without application of a stress s, through the increase in stress into a martensitic structure. If the prestressing element is then relieved from an SMA, i.e. the tension on the prestressing element is reduced to zero, a certain amount of expansion remains, so there is no complete structural transformation to austenite, rather the SMA prestressing element remains at least partially martensitic.
  • the pre-stretched prestressing element as it appears after the treatment according to Fig. 1, is what is fixed at the destination, i.e. in or on the component or structure.
  • This biasing element is now, as can be seen from FIG. 2, activated by heating and subsequent cooling.
  • the prestressing element is heated to a temperature T2, the temperature T2 being approximately 300 ° C., for example.
  • the prestressing element then cools down from temperature T2 to temperature T3.
  • the (partially) martensitic structure is converted into an at least partially austenitic structure, which leads to a contraction of the
  • Biasing element leads.
  • thermal expansion takes place, which counteracts the contraction caused by the conversion.
  • AHT2 heating time
  • AHT3 cooling time
  • HT2 holding time
  • the voltage initially increases considerably due to the negative thermal expansion.
  • the stress in the example at 350 MPa
  • a given temperature here approx. 150 ° C
  • the location of this kink point can be significantly influenced by the precipitated particles, as these make possible plastic deformation more difficult and increase the transformation stresses.
  • the temperatures T1 and T3 are in the range of the ambient temperature and are around 25 ° C.
  • FIG. 3 shows a stress-strain diagram similar to FIG. 1, but, in contrast to FIG. 1, in the stress-strain diagram according to FIG. have taken place previously.
  • the activated pretensioning element is gradually relieved of load, with an almost constant tension being shown over a large area during the relief, which is attributable to the transformation from martensitic structure to austenitic structure during relief. This is in turn due to the increased transformation stresses from martensite to austenite and thus, according to the Clausius-Clapeyron relationship, to the lowering of the transformation temperatures due to the precipitated particles. It has been found that the stress can be maintained by such a stress plateau over a large expansion range despite, for example, shrinkage and creep processes of the component, for example the concrete surrounding the prestressing element.
  • the illustration shows a double activation according to FIG. 2, the prestressing element being heated to a temperature T2 (here 250 ° C.) in a first cycle, in order then to be cooled to temperature T3;
  • T2 temperature
  • T3new temperature T3new
  • T3new temperature T3new
  • the difference between the two cycles shown is that the holding time for the first cycle is one second (HT2), whereas the holding time for the second cycle is 30 minutes (HT2new).
  • the last cooling process ends at a temperature T7new * , whereby it can be seen that the stress s has increased by approx. 100 MPa after each cycle.
  • the holding times during the individual cycles were kept the same at 30 seconds in each case.
  • the time between the heating processes from an operating temperature, for example T1, T3, T5, T7, to a correspondingly higher temperature can be several years.
  • the representation according to FIG. 5 reflects the teaching according to claim 3 and the teaching according to claims 6 and 7 again.

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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

VERFAHREN ZUR NUTZUNG VON AUSLAGERUNGSEFFEKTEN MIT DEM ZIEL DER ERHÖHUNG DER SPANNUNG UND/ODER DER BEGRENZUNG DES SPANNUNGSVERLUSTES VON VORSPANNELEMENTEN AUS EINER FORMGEDÄCHTNISLEGIERUNG
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 Spannungsintervail 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 nach lässt 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 beispiel weise 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 Mt 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 HT2 bei der zweiten Temperatur T2 und/oder die Aufheizzeit AHT2 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 AKT3 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 voriiegen;
- 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 AT2 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T2 und/oder die Haltezeit HT2 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 AKT3 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 T2neu, 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 AHT4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die vierte Temperatur T4 und/oder die Haltezeit HT4 unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AHT2 und/oder der Haltezeit HT2 ist, wobei die Aufheizzeit AHT4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T4 und/oder die Haltezeit HT4 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 AKTS unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AKT3, wobei sich während der Abkühlzeit AKTS auf die Temperatur T5 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern. in diesem Zusammenhang kann weiterhin eine Wiederholung der Arbeitsschritte nach Anspruch 4 vorgesehen sein, wobei eine Temperatur T4neu bei jeder Wiederholung geringer oder gleich der vorherigen Temperatur T4ait ist (Anspruch 5). Dadurch können weitere Ausscheidungsteilchen im Gefüge entstehen bzw. vorhandene Ausscheidungsteilchen wachsen, was in einer nachträglichen Erhöhung der erzielbaren Vorspannung resultiert.
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 AHtb zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die sechste Temperatur T6 und/oder die Haltezeit Htb unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AHT2 und/oder der Haltezeit HT2 ist, wobei die Aufheizzeit AHT6 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T6 und/oder die Haltezeit Htb 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 AKT7 unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AKT3, wobei sich während der Abkühlzeit AKTZ 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 T6neu bei jeder Wiederholung höher oder gleich ist als die vorherige Temperatur T6ait. 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 aulweisen, 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.
Fig. 1 zeigt den Vordehnvorgang eines FGL Vorspannelements anhand eines beispielhaften Spannung-Dehnung-Diagramm im Temperaturbereich T < At; Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Spannung-Temperatur-Diagramm, bei dem ein FGL Vorspannelement, das entsprechend Fig. 1 vorgedehnt worden ist, aktiviert wird, d.h. erwärmt und anschließend abgekühlt wird; Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Spannung-Dehnung-Diagramm von der Entlastung eines FGL Vorspannelementes, so wie es sich nach einer Behandlung gemäß Fig. 2 darsteilt;
Fig. 4 zeigt ein beispielhaftes Spannung-Temperatur-Diagramm, bei dem bei gleicher Temperatur ein FGL Vorspannelement gemäß Fig. 2 mit gleicher Endtemperatur (T2) aber zwei unterschiedlichen Haltezeiten (HT2 und HT2neu) behandelt worden ist;
Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Darstellung gemäß Fig. 2, bei der eine Reihe von Aufheiz- und Abkühlzyklen bei jeweils unterschiedlicher Maximaltemperatur aber gleichen Haltezeiten dargestellt sind;
Betrachtet man zunächst Fig. 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 s 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 Fig. 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 Fig. 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 HT2 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 (AHT2) und Abkühlzeit (AKT3) in diesem Temperaturbereich als auch die Haltezeit (HT2) bei der Temperatur T2 erheblichen Einfluss auf die resultierende Vorspannung und eine mögliche Begrenzung des Spannungsverlustes haben.
Bei der Abkühlung (AKT3) 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 Fig. 2 spiegelt insofern die Lehre nach dem Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 wieder. Fig. 3 zeigt ein Spannung-Dehnung-Diagramm ähnlich wie Fig. 1, wobei jedoch im Unterschied zu Fig. 1 bei dem Spannung-Dehnung-Diagramm gemäß Fig. 3 eine oder mehrere Wärmebehandlungen, wie sie beispielsweise in Fig. 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 Fig. 4 ergibt sich aus der Darstellung eine doppelte Aktivierung gemäß Fig. 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 (HT2) beträgt, wohingegen beim zweiten Zyklus die Haltezeit sich auf 30 Minuten (HT2neu) 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 Fig. 4 spiegelt insofern die Lehre nach dem Anspruch 3 bzw. die Lehre nach Anspruch 4 wieder.
Betrachtet man nunmehr Fig. 5, so ist hier eine solche Hintereinanderschaltung von Aufheizzyklen gemäß Fig. 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 T6neu (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 T7neu*, wie dies, wie bereits ausführt, der Darstellung gemäß Fig. 5 im Einzelnen zu entnehmen ist.
Der letzte Abkühlvorgang endet bei einer Temperatur T7neu*, wobei erkennbar ist, dass nach jedem Zyklus die Spannung s 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 Fig. 5 spiegelt die Lehre nach dem Anspruch 3 bzw. die Lehre nach den Ansprüchen 6 und 7 wieder.

Claims

Ansprüche:
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, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h 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 HT2 bei der zweiten Temperatur T2 und/oder die Aufheizzeit AHT2 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 AKT3 auf die Temperatur T3 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.
2. 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
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wiederholung der Schritte nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei sich die Temperatur T1 neu, die Temperatur T2neu, die Haltezeit HT2neu, die Aufheizzeit AHT2neu, die Temperatur T3neu und die Abkühlzeit AKT2neu von der Temperatur T1 , Temperatur T2, Haltezeit HT2, Aufheizzeit AHT2, Temperatur T3 und Abkühlzeit AKTS nach
Anspruch 1 oder Anspruch 2 unterscheiden können.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch - Erwärmendes Vorspannelementes auf eine vierte Temperatur
T4, die geringer oder gleich der zweiten Temperatur T2 ist, wobei die Aufheizzeit AHT4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die vierte Temperatur T4 und/oder die Haltezeit HT4 unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AHT2 und/oder der Haltezeit HT2 ist, wobei die Aufheizzeit AHT4 zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T4 und/oder die Haltezeit HT4 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 AKTS unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AKT3, wobei sich während der Abkühlzeit AKTS auf die Temperatur T5 weitere nanometrische Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Wiederholung der Schritte nach Anspruch 4, wobei jede Temperatur T4neu geringer oder gleich der Temperatur T4ait ist.
6. 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 AHtb zum Erwärmen des
Vorspannelementes auf die sechste Temperatur T6 und/oder die Haltezeit Htb unterschiedlich oder gleich zu der Aufheizzeit AHT2 und/oder der Haltezeit HT2 ist, wobei die Aufheizzeit AHTQ zum Erwärmen des Vorspannelementes auf die Temperatur T6 und/oder die Haltezeit HT6 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 AKT7 unterschiedlich oder gleich zu der Abkühlzeit AKT3, wobei sich während der Abkühlzeit AKp auf die Temperatur T7 weitere nanometrische
Ausscheidungsteilchen im Gefüge des Vorspannelementes bilden und/oder vorhandene Ausscheidungsteilchen sich vergrößern.
7. Verfahren nach Anspruch 6, ge ennzeichnet d urch eine mehrfache Wiederholung der Arbeitsschritte nach Anspruch 6, wobei eine Temperatur T6neu bei jeder Wiederholung gleich oder höher ist als die vorherige Temperatur T6ait.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, dass die Temperatur T2 oder T4 oder T6 und/oder die Aufheizzeit AHT2 oder A4HT4 oder A6HTQ so gewählt wird, dass eine zumindest partielle Umwandlung des martensitischen Gefüges in austenitisches Gefüge im Vorspannelement stattfindet.
9. 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 aulweisen.
10. 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.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, dass die nanometrischen Ausscheidungsteilchen kohärent oder zumindest teilkohärent in der Umgebungsmatrix vorliegen.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung Eisen und/oder Kupfer aufweist.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung Nickel und/oder Aluminium und/oder Titan aufweist.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dad urch 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.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, dass die Haltezeit zwischen einer Sekunde und 72 Stunden, insbesondere aber zwischen einer Sekunde und 24 Stunden liegt.
16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nanometrische Ausscheidungsteilchen Elemente aus einem oder mehreren der Legierungsbestandteile der Formgedächtnislegierung aufweisen.
17. 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.
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