Metalle 2

Question 1

Welche grundlegenden Eigenschaften charakterisieren eine Formgedächtnislegierung?
(Tipp: hier ist NICHT die sog. Superelastizität gemeint; gehen Sie auf das Verhalten bei
Verformung und Temperaturänderungen ein)

Question 2

Welcher metallische Formgedächtniswerkstoff ist in der Medizintechnik von primärer
Bedeutung (Handelsname und Zusammensetzung)? Geben Sie bei der Zusammensetzung
an, ob es sich um Gew% oder Mol% handelt.

Question 3

Auf welchem physikalischen Vorgang basiert der Formgedächtniseffekt maßgeblich?

Question 4

Warum tritt der Formgedächniseffekt nicht auch bei Stahl auf?

Question 5

Welche Rolle spielt die Fähigkeit zur Selbstakkomodation in Zusammenhang mit dem
Formgedächniseffekt?

Question 6

Was versteht man unter dem Einweg-Formgedächniseffekt (3 Schritte der Anwendung
eines Bauteils mit Einwegeffekt )?

Question 7

Beschreiben Sie die Anwendung eines Bauteils mit (a) extrinsischem (drei Schritte) und
(b) intrinsischem (4 Schritte) Zweiweg-Formgedächtniseffekt.

Question 8

Was versteht man unter Pseudoplastischer Dehnung beim Einwegeffekt?

Question 9

Was versteht man unter Superelastizität?

Question 10

Warum ist die (a) Herstellung und (b) Sterilisation bei NiTinol von besonderer
Bedeutung (Beispiele)?

Question 11

Skizzieren Sie die relative Abhängigkeit der Austenitumwandlungstemperatur Astart
(As) (Darstellung qualitativ (mit Achsbeschriftung! …es geht um die Größenordnung der
Temperatur- und Ni-Gehaltbereiche bzw. -gradienten))
a) vom Ni-Gehalt bei NiTinol (mit Größenordnung des Skalenbereiches…)
b) von der Zahl der thermomechanischen Zyklen (mit Größenordnung des
Skalenbereiches…und qualitativem Verlauf)

Question 12

Skizzieren Sie qualitativ ein typisches Spannungs-Dehnungsdiagramm für Nitinol im
Vergleich zu einem rostfreien Stahl. Markieren Sie den Bereich der Superelastizität.

Question 13

Wovon hängen die mechanischen Kenndaten bei einer Formgedächtnislegierung ab?

Question 14

Nennen Sie typische Anforderungen und Randbedingungen für den Einsatz von FGL als
Implantatwerkstoff in der Medizin.

Question 15

Nennen Sie die Voraussetzungen hinsichtlich der charakteristischen Temperaturen zum
Einsatz als Implantatmaterial beim
a) Einwegeffekt
b) Zweiwegeffekt
c) und bei der Superelastizität.

Question 16

„Während der Phasenumwandlung vom Austenit in Martensit geht bei einem Bauteil aus
herkömmlichem Stahl die Ausgangsform verloren, weil der Austenitanteil eine höhere
Festigkeit als der Martensit aufweist.“ Ist die Aussage richtig oder falsch? Warum?

Question 17

Welche Formgedächniseffekte werden insbesondere in der Medizintechnik genutzt?
Warum?

Question 18

Erläutern Sie die Ihnen bekannten vier charakteristischen Effekte von
Formgedächtnislegierungen (beschreiben Sie nicht das physikalische Wirkprinzip sondern
nennen Sie den Effektnamen und beschreiben die von außen wirkende Ursache und deren
Wirkung)!

Answer 18

Nennen Sie die Ihnen bekannten vier charakteristischen Effekte von
Formgedächtnislegierungen und kreuzen Sie die entsprechenden Lastzustände und die Art
der Auslösung an (je nur ein Kreuz)! Geben Sie für jeden Effekt ein medizinisches
Anwendungsbeispiel an.

Effekt:

Auslösbar:
☐ mit Last
☐ ohne Temperaturveränderung
☐ ohne Last
☐ durch Temperaturerhöhung
☐ unabhängig von Last
☐ durch Temperaturerniedrigung
☐ durch Temperaturerhöhung und –erniedrigung

Anwendungsbeispiel:

Question 19

Nennen Sie Vor- und Nachteile von Aktoren aus Formgedächtnislegierungen.

Question 20

Worin unterscheidet sich der intrinsische vom extrinsischen Zweiwegeffekt?

Question 21

Bewerten Sie die Aussage (mit Begründung!): “Der intrinsische Zweiwegeffekt lässt sich
bei gleichbleibender Effektgröße beliebig oft wiederholen.“

Question 22

Die Phasenumwandlung des Gefüges einer Formgedächtnislegierung wurde in der
Vorlesung anhand spezifischer Temperaturgrenzen erläutert.
a) Benennen Sie die vier Temperaturgrenzen und tragen Sie diese auf dem Zahlenstrahl
auf.
b) Erläutern Sie anhand des Zahlenstrahls wie die Grenzen zur Martensit- und
Austenitumwandlung im Verhältnis zur Körper- und Raumtemperatur gewählt werden
müssen, damit der intrinsische Zweiwegeffekt und die Superelastizität bei medizinischer
Anwendung (z.B. als Implantatmaterial) stattfinden können. Geben Sie außerdem den
Temperaturbereich an, in dem der Effekt jeweils stattfindet. (Zweigeffekt/Superelsatizität)

Question 23

Was hat die Grenztemperatur MD für eine Bedeutung?

Question 24

In welchem Temperaturbereich - bezogen auf die charakteristische(n)
Umwandlungstemperaturen – tritt superelastisches Verhalten auf? Welche Rolle spielt in
diesem Zusammenhang die Grenztemperatur Md?

Question 25

Was ist besonders bei der Dampfsterilisation von Bauteilen aus
Formgedächtnislegierungen hinsichtlich der Nutzung des Einwegeffektes zu berücksichtigen?

Question 26

Skizzieren Sie qualitativ den typischen Verlauf des Volumenanteils des martensitischen
Gefüges über der Temperatur bei einer thermoelastischen Phasenumwandlung.
Tragen Sie die charakteristischen Temperaturgrenzen für die Martensit- und Austenit-
Umwandlung ein (Ms, Mf, As, Af)! Kennzeichnen Sie eindeutig die Richtung der Erwärmung
und Abkühlung.

Question 27

Zeichnen Sie die Bereiche elastischer, pseudoplastischer und plastischer Verformung in
das Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Formgedächtniswerkstoffes ein!

Question 28

Um welchen Formgedächtniseffekt handelt es sich in nachfolgender Skizze? (Skizze: Feder, die unter Belastung verfomt, dann entlastet wird und dann erhitzt wird, um in Ausgangsform gebracht zu werden. Am Ende wir noch abgekühlt)
Geben Sie für jeden der drei Zustände das (vorherrschende) Gefüge an (nicht alpha = 0/+/-,
sondern die Bezeichnung) und skizzieren Sie schematisch die zweidimensionale
Gefügestruktur (hier ist nach alpha = 0/+/- gefragt)!
In welchem Prozessschritt findet die Selbstakkomodation statt?

Question 29

Skizzieren Sie qualitativ ein charakteristisches Spannungs(σ)-Dehnungsdiagramm(ε) für
eine Formgedächtnislegierung bei Belastung und Entlastung (!) im Bereich der
Superelastizität!
Geben Sie die typischen Dehnungswerte (in %) und Spannungswerte (in N/mm²) an!
Markieren Sie den Bereich der nutzbaren Energie! Machen Sie die Richtung der Verformung
deutlich!

Question 30

Welcher Gefügezustand ist nach der Entlastung eines superelastischen Bauteils
vorherrschend?

Question 31

Welche Aussagen zu Formgedächtnislegierungen (FGL) sind richtig und welche sind falsch?
a) Das innere Gleiten im Metallgitter eines FG-Werkstoffs ermöglicht die
Selbstakkomodation.
b) In einer FGL findet die Selbstakkomodation im weicheren austenitischen Gefüge statt.
c) Superelastische Bauteile unterliegen einer Hysterese, die bewirkt, dass die
aufgebrachte Verformungsenergie höher ist, als die freiwerdende Energie bei der
Rückverformung.
d) Spannungsinduzierter Martensit wird nur unterhalb der Grenztemperatur MD gebildet.

Question 32

Nennen Sie einen nickelhaltigen in der Medizin eingesetzten metallischen
Formgedächtniswerkstoff und dessen Zusammensetzung (nennen Sie die Hauptelemente und
ihre Anteile in mol%)! Nennen Sie zwei Gründe warum Ni bei dieser FGL i.A. bzgl. Nickelallergien unkritisch ist. Unter welchen Bedingungen kann dieser zugrundeliegende
Schutz gestört werden?

Question 33

Nennen Sie (je 4) Vor- und Nachteile von Aktoren aus FGL

Question 34

Wodurch entstehen amorphe Metalle?

Question 35

Erläutern Sie die Bedeutung der „kritischen Dicke“ bei amorphen Metalllegierungen
/Bauteilen.

Question 36

Nennen Sie typische Eigenschaften gegenüber konventionellen (kristallinen)
Metalllegierungen

Question 37

Warum sind amorphe Metalle potentiell für scharfe Instrumente/ Implantate/ MR-kompatible Instrumente/ Implantate …geeignet?
(Bzw. Nennen und begründen Sie anhand typischer Materialeigenschaften potentielle
Anwendungsgebiete in der Medizin.)

Question 38

Zeichnen Sie in das Diagramm Streckgrenze vs. Elastizität die typischen Bereiche für
Stähle, Ti-Legierungen, Kunststoffe und amorphe (Zr, Ti,…) Legierungen ein (Diagramm mit
Achsbeschriftung wird vorgegeben).

Question 39

Wie verhalten sich spezifische Festigkeit und Härte von Ti6Al4V und modernen
amorphen Ti-Legierungen? (größer/kleiner? Ggf. ca.-Wert %?)

Question 40

Ist Schwefel für amorphe Titanlegierungen ein wünschenswertes Legierungselement
(mit Begründung)?

Question 41

Welche Rolle hat Schwefel bei Zr- und Cu-Basis-Legierungen?

Question 42

Welche Rolle hat Zr- bei Ti-Zr-Legierungen bzgl. kritischer Bauteildicke und Stabilität
der unterkühlten Schmelze /bzgl. der Verarbeitbarkeit durch Thermoplastisches Formen bzw.
3D-Druck?

Question 43

Lassen sich amorphe Metalle thermoplastisch umformen? In welchem
Temperaturbereich (zahlenmäßig) findet dies statt und wovon ist dies abhängig? Nennen Sie
Anwendungsbeispiele.

Question 44

Nennen Sie ein typisches (frühes) Verfahren zur Herstellung dünner Bandstrukturen aus
amorphem Metall

Question 45

Nennen sie typische Herstellungsverfahren für (a) große Stückzahlen und sehr hohe
Oberflächengüte für massive Bauteile mittlerer Komplexität, (b) geringe bis mittlere
Stückzahlen, hohe Komplexität und Bauteilgrößen.

Question 46

Nennen und begründen Sie typische potentielle Anwendungsbeispiele für
Medizinprodukte aus amorphen Metallen.

Question 47

Nennen Sie /vergegenwärtigen sich aktuelle Herausforderungen bei der Entwicklung/Zulassung (erster) Medizinprodukte aus amorphen Metallen.