EP0086011A2

EP0086011A2 - Verfahren zur Erzeugung eines reversiblen Zweiweg-Gedächtniseffektes in einem Bauteil aus einer einen Einwegeffekt zeigenden Legierung

Info

Publication number: EP0086011A2
Application number: EP83200127A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Albrecht; Thomas Dr. Duerig; Walter Weber
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1983-01-26
Publication date: 1983-08-17
Also published as: JPS58144461A; DE3367624D1; ATE23568T1; EP0086011A3; CH659481A5; US4405387A; EP0086011B1

Abstract

In einem aus einer lediglich einen Einwegeffekt zeigenden Gedächtnislegierung bestehenden Bauteil kann durch Aufbringen einer äusseren Kraft, welche eine innere, dem Einwegeffekt entgegenwirkende Spannung zur Folge hat, ein namhafter Zweiwegeffekt induziert werden. Bauteil aus Gedächtnislegierung in Form eines Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionsstabes (Schraubenfeder 2). Aeussere Kraft durch Gewicht oder Feder (Gegenfeder 3).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erzeugung eines Zweiweg-Gedächtniseffekts nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei den Gedächtnislegierungen kann man im allgemeinen einem sog. Zweiwegeffekt von einem Einwegeffekt unterscheiden. Während letzterer in der Regel ausgeprägter und bekannter ist (Ni/Ti-legierungen, β -Messinge) und auch zu zahlreichen Anwendungen geführt hat, ist der Zweiwegeffekt problematitischer und schwieriger zu beherrschen. Doch besteht in der Technik ein allgemeines Bedürfnis nach Bauelementen, welche einen quantitativ genügend grossen Zweiwegeffekt zeigen, um ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet zu erschliessen. Meist liegt nun jedoch der Punkt der martensitischen Umwandlung der klassischen Zweiwegeffekt-Legierungen in einem ungünstigen Temperaturbereich. Es gibt jedoch eine Anzahl von Gedächtnislegierungen, vorab die dem β-Messingtyp angehörenden klassischen Cu/Al/Ni- und Cu/Al-Legierungen, deren Umwandlungspunkt günstig liegt, die zwar wohl einen deutlichen Einweg- aber kaum einen namhaften Zweiwegeffekt zeigen.
Als Stand der Technik können u.a. folgende Dokumente angeführt werden:

R. Haynes, Some Observations on Isothermal Transformations of Eutectoid Aluminium Bronzes Below Their M_S Temperatures, Journal of the Institute of Metals 1954-55, Vol. 83, Seiten 357-358; W.A. Rachinger, A "super-elastic" single Crystal calibration bar, British Journal of Applied Physics, Vol. 9, Juni 1958, Seiten 250-252; R.P. Jewett, D.J. Mack. Further Investigation of Copper-Aluminium Alloys in the Temperature Range below the β
α+γ₂ Eutectoid, Journal of the Institute of Metals 1963-64, Vol. 92, Seiten 59-61; K.Otsuka and K. Shimizu, Memory Effect and Thermoelastic Martensite Transformation in Cu-Al-Ni Alloy, Scripta Metallurgia, Vol. 4, 1970 Pergamon Press Inc., Seiten 469-472; Kazuhiro Otsuka, Origin of Memory Effect in Cu-Al-Ni Alloy, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 10, No. 5, May 1971, Seiten 571-579.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach Bauelementen aus Gedächtnislegierungen des β-Messingtyps, welche bei für gewisse Anwendungen günstig liegender Umwandlungstemperatur einen namhaften Zweiwegeffekt aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Bauteile aus einer normalerweise nur einen Einwegeffekt zeigenden Legierungen ein Verfahren anzugeben, um in diesen Bauteilen mindestens im Betriebszustand einen beträchtlichen reversiblen Zweiweg-Gedächtniseffekt zu induzieren.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch eine Figur erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Dabei zeigt die Figur

ein nach dem Verfahren arbeitendes Bauteil am Beispiel einer Federkombination.
1 ist ein Rahmen (oder Joch), zwischen dessen parallelen Schenkeln je eine Schraubenfeder 2 aus einer lediglich einen Einwegeffekt zeigenden Gedächtnislegierung und ein.e gewöhnliche Feder 3 eingebaut ist. Die Federn 2 und 3 sind durch ein bewegliches Element 4 (Anker) miteinander verbunden, dessen Aufgabe darin besteht, seine Bewegung auf eine Anzeigevorrichtung, einen Auslösemechanismus oder ein Kraftübertragungsglied zu übertragen. Die Federn 2 und 3 sowie das Element 4 sind in der Grundstellung, d.h. im vollständig entspannten Zustand gezeichnet. Bei Erwärmung nimmt das bewegliche Element die Stellung 5 ein, um bei darauffolgender Abkühlung wieder in die Stellung 4 zurückzukehren. Dies ist durch entsprechende Pfeile angedeutet.
Ausführungsbeisiel 1:

Als Ausgangsmaterial wurde eine kommerziell hergestellte β -Titanlegierung der folgenden Zusammensetzung im gekneteten Zustand verwendet:
Ein geeignetes Werkstück in Stabform wurde zunächst einer Lösungsglühung im β-Mischkristallgebiet bei einer Temperatur von 850°C während 15 min unterworfen und anschliessend in Wasser abgeschreckt. Aus dem Werkstück wurde durch spanabhebende Bearbeitung ein zylindrischer Probestab von 7 mm

Durchmesser und 25 mm Messlänge herausgearbeitet. Dieser Probestab wurde einer Zugbeanspruchung in Längsrichtung unterworfen und derart gereckt, dass er eine totale Dehnung von 3 % aufwies. Die für diese Dehnung erforderliche Belastung wurde dann auf ein Mass reduziert, dass auf den Stabquerschnitt lediglich noch eine Zugspannung von 200 MPa wirksam war. In diesem Zustand wurde der Probestab auf eine Temperatur von 250°C erwärmt. Dabei konnte eine Zusammenziehung in der Längsrichtung von 0,7 % beobachtet werden, was dem Einweg-Gedächtniseffekt entsprach. Nach darauffolgender Abkühlung auf Raumtemperatur wurde eine Ausdehnung des Probestabs in Längsrichtung um den Betrag von 0,3 % festgestellt, also ein Zweiweg-Gedächtniseffekt. Weitere Temperaturzyklen zwischen Raumtemperatur und 250°C zeigten vollkommene Wiederholbarkeit der Effekte, was bewies, dass ein reversibler Zweiwegeffekt vorlag.
In einem Vergleichsversuch wurde ein Stab gleicher Abmessungen und gleicher Wärmebehandlung einem identischen Temperaturzyklus jedoch ohne gleichzeitige statische Belastung unterzogen. In diesem Fall konnte keinerlei Zweiwegeffekt beobachtet werden. Damit wurde bewiesen, dass in einem Material, das nach entsprechender thermischer und mechanischer Vorbehandlung nur einen Einwegeffekt zeigt, durch eine zusätzliche überlagerte statische Belastung ein, gemessen am Elastizitätsbereich eines gewöhnlichen Stahls immerhin bemerkenswerter Zweiweg-Gedächtniseffekt erzeugt werden kann.
Ausführungsbeispiel II:

Das Ausgangsmaterial bestand aus einer dem_/3 -Messingtyp angehörenden, nach herkömmlichen pulvermetallurgischen Methoden hergestellter Gedächtnislegierung. Die Zusammensetzung der Legierung war wie folgt:

Die Legierung wurde durch Warmwalzen in ein Band von 2,5 mm Dicke übergeführt. Dann wurden aus diesem Band Probestäbe von quadratischem Querschnitt 2,5 x 2,5 mm und 35 mm Länge herausgeschnitten und während 15 min bei 950°C lösungsgeglüht und in Wasser abgeschreckt. Die Probestäbe wurden hierauf einer Biegebeanspruchung unterworfen, dergestalt, dass die äussere Faser eine Dehnung von 5 % erlitt. Dann wurde je ein Probestab in ein die Auslenkung (Durchbiegung) bestimmendes Messgerät eingespannt und unter verschiedenen, eine Querkraft in positiver oder negativer Richtung ausübenden mechanischen Belastungen einem Temperaturzyklus zwischen 20°C und 250°C unterworfen. Dabei zeigte sich, dass unter der Belastung Null praktisch kein Zweiwegeffekt festgestellt werden konnte. Wurde eine die freie Bewegung des Probestabes hemmende oder unterstützende Belastung aufgebracht, konnte in beiden Fällen ein namhafter Zweiwegeffekt festgestellt werden. Der Effekt erreichte ein Maximum, wenn die Querkraft entgegen der Bewegungsrichtung des Stabes aufgebracht wurde und so gross gewählt wurde, dass sie einer Spannung in der äussersten Faser von 200 MPa entsprach. Die maximal erzielbare Auslenkung entsprach dabei einer reversiblen Dehnung (= Zweiweg-Gedächtniseffekt) von ca. 1,8 %. Wurde die Belastung weiter gesteigert, nahm der Zweiwegeffekt wieder ab.
Ausführungsbeispiel III:

Probestäbe der gleichen Zusammensetzung und Abmessungen wie in Beispiel II wurden in der gleichen Weise lösungsge- glüht_Jabgeschreckt und um 5 % verformt. Zusätzlich wurden sie nach der Verformung einer Formstabilisierungsbehandlung bei 300°C während 30 min unter statischer Last und einer Martensitstabilisierungsbehandlung bei 300°C während 30 min ohne Last unterworfen. Die nachherige Prüfung gemäss Beispiel II zeigte bereits bei der Belastung Null einen namhaften Zweiwegeffekt von ca. 1,5 % (Dehnung), der aber bei einer Spannung von 100 MPa entsprechenden, gegen die Bewegungsrichtung des Stabes gerichteten Belastung auf ca. 2 % gesteigert werden konnte. Wurde das Vorziehen der Belastung umgekehrt, nahm der Zweiwegeffekt beträchtlich ab und betrug bei einer Spannung von -100 MPa weniger als 0,8 %.

Ausführungsbeispiel IV:

Siehe Figur.

Aus dem Werkstoff gemäss Beispiel II wurde nach konventionellen Methoden ein Draht von 1 mm Durchmesser hergestellt und zu einer Schraubenfeder von 14 mm Windungsdurchmesser gewunden. Diese Feder wurde bei 900°C während 10 min einer Lösungsglühung unterworfen und in Wasser abgeschreckt. Die Schraubenfeder wurde um ein kritisches Mass verformt, um sie in den für den Gedächtniseffekt notwendigen Zustand zu bringen. In den Rahmen 1 wurden die Schraubenfeder 2 aus der Gedächtnislegierung und eine gewöhnliche Feder 3 koaxial und ohne Vorspannung eingebaut. Als Verbindung von 2 und 3 diente das bewegliche Element 4, welches zur Uebertragung eines Messwertes oder einer Kraft verwendet werden kann. Die einzelnen Teile 2, 3 und 4 sind in der Grundstellung gezeichnet. Bei Erwärmung auf ca. 200°C dehnte sich die Feder 2 aus und drückte die Feder 3 zusammen, welche somit eine variable Gegenkraft auf 2 ausübte. Das bewegliche Element 5 ist in der ausgelenkten Stellung nach der Erwärmung gezeichnet (Bewegungsrichtung: gestrichelter Pfeil). Bei Abkühlung zog sich 2 wieder zusammen und das bewegliche Element kehrte in die Grundstellung entsprechend 4 zurück (Bewegungsrichtung: ausgezogener Pfeil). Dieser Zyklus konnte beliebige Male wiederholt werden, was das Vorhandensein eines reversiblen Zweiwegeffekts in der Gesamtheit des zusammengesetzten Bauteils bewies.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Zur Erzeugung eines reversiblen Zweiweg-Gedächtniseffekts in einem zusammengesetzten Bauteil kann prinzipiell ein Bauelement aus jeder Gedächtnislegierung herangezogen werden, welche unter normalen Bedingungen, d.h. bei freier, ungehinderter Bewegungsmöglichkeit lediglich einen Einwegeffekt zeigt. Es muss im Betriebszustand dafür gesorgt werden, dass dem Bauelement eine Kraft aufgedrückt wird, welche eine innere Spannung zur Folge hat, die dem Einwegeffekt entgegenwirkt. Dies kann durch Aufbringen einer äusseren Last in Form eines Gegengewichts, einer Feder etc. erfolgen. Das Bauelement aus Gedächtnislegierung kann die Form eines Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionsstabes (auch in Form einer Schraubenfeder) aufweisen. Die aussen aufgedrückte Vorlast kann konstant oder variabel sein je nach dem Zweck der Verwendung des Bauelements.
Als Legierungen kommen hauptsächlich Cu/Al/Ni-, Cu/Al-, Cu/ Zn/Al-, Ti/V-, Ti/Nb-, Ni/Ti- und Ni/Ti/Cu-Gedächtnislegierungen in Frage.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird es möglich, in einem normalerweise keinen oder nur einen unbedeutenden Zweiweg-Gedächtniseffekt aufweisenden Bauteil - auch nachträglich - einen namhaften Zweiwegeffekt zu induzieren. Dadurch wird einer wichtigen Legierungsklasse ein weiteres, praktisch wichtiges Verwendungsgebiet im Relais-, Schalter-und Temperaturauslöserbau erschlossen.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines reversiblen Zweiweg-Gedächtniseffektes in einem Bauteil bestehend aus einer unter normalen Bedingungen lediglich einen Einwegeffekt zeigenden Gedächtnislegierung, wobei das Bauteil zunächst einer Lösungsglühung im Temperaturgebiet des β -Mischkristalls mit anschliessendem Abschrecken in Wasser sowie einer Verformung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bauteil im Betriebszustand eine, dem Einwegeffekt entgegenwirkende.innere Spannung erzeugende äussere Last in Form eines Zusatzgewichts, einer Feder oder eines sperrenden, die freie Bewegung des Bauteils hemmenden und mit ihm fest verbundenen zusätzlichen Bauelements aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gedächtnislegierung eine Cu/Al/Ni-, Cu/Al-, Cu/Zn/A1-, Ti/V-, Ti/Nb-, Ni/Ti- oder Ni/Ti/Cu-Legierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Zugstab ist, welchem eine axiale statische Vorlast in Form eines Gewichts aufgedrückt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Biegestab ist, welchem eine quer zur Längsachse wirkende statische Vorlast in Form eines Gewichts oder mittels einer Feder aufgedrückt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schraubenfeder ist, welcher eine gleichachsig aber dem Einwegeffekt entgegenwirkende Gegenfeder entgegengeschaltet und dadurch dem Bauteil eine variable Vorlast aufgedrückt wird.