آلیاژهای حافظه دار(1)

درواقع آلیاژهای حافظه‌دار یا ‏SMA(Shape Memory Alloy)‏‌ها موادی هستند كه خصوصیات حافظه‌پذیری دارند. چنانچه یك آلیاژ حافظه‌دار مقداری تغییر شكل دهد و سپس تا دمایی بالاتر از دمای تغییر شكلش گرم شود، می‌تواند به شكل اولیه خود باز گردد.

دمای تغییر فرم، دمای تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت و بالعكس است. این دو فاز، دارای خواص كاملا متفاوتی هستند.‏

اولین گام‌های گزارش شده به سمت كشف اثر حافظه‌پذیری به سال 1930 بر می‌گردد. اولاندر و همكارانش رفتار سوپرالاستیك آلیاژ ‏Au-Cd‏ را در سال 1932 كشف كردند. مورادین و گرینگر در سال 1938 ، تشكیل و ناپدید شدن فاز مارتنزیت را با كاهش و افزایش دمای آلیاژ ‏Cu- Zn‏ مشاهده كردند. پدیده اصلی اثر حافظه‌پذیری كه با رفتار ترموالاستیك فاز مارتنزیتی كنترل می‌شود، به‌طور گسترده ای در یك دهه بعد توسط كردجامو در سال 1949، ونیز توسط چانگ و رید در سال 1951، گزارش شد.

در سال 1961 اثر حافظه داری شکل در آلیاژ نیکل تیتانیوم با درصد اتمی مساوی (50%50) توسط بوهلر و در آزمایشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordanance Lab) کشف و تحت نام نیتینول (Nitinol) مشهور شد. دو حرف اول نیتینول در ارتباط با نیکل، دو حرف بعدی مربوط به عنصر تیتانیوم و سه حرف آخر در رابطه با آزمایشگاه ناول اوردانس می باشد. از اوایل سال 1980 استفاده از آلیاژهای حافظه دار در بین محققان و مهندسان مورد توجه قرار گرفت و این آلیاژ هوشمند در زمینه های وسیعی از جمله تعدیل رفتار آئروالاستیسیته آنتن ماهواره ها، کنترل ارتعاش سازه های فضایی، کنترل ارتعاش سطوح کنترلی هواپیماها و حتی در شبیه سازی های پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است و کشف مزایای اصلی و علمی آن هر روز افزایش یافته است.

موادی که باعث سازگاری سازه با محیط خود می شوند، مواد محرک نامیده می شوند. این مواد می توانند شکل، سفتی، مکان، فرکانس طبیعی و سایر مشخصات مکانیکی را در پاسخ به دما و یا میدان های الکترومغناطیسی تغییر دهند. امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده می شود که شامل آلیاژهای حافظه دار، سرامیکهای پیزوالکتریک، مواد مغناطیسی سخت و مایعات الکترورئولوژکال و مگنتورئولوژیکال می باشند. این مواد از زمره مواد هوشمند محرک می باشند. مواد هوشمند آن دسته از موادی هستند که می توانند به تغییرات محیط به بهترین شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغییرات تنظیم نمایند.

درواقع آلیاژهای حافظه دار ، آلیاژهایی هستند كه دو مشخصه بی همتا از خود نشان می دهند

1- Shape Memory Effect ( رفتار حافظه ای )

2- Pseudoelastic Behavior ( رفتار شبه الاستیك )

ویژگی های دیگر این آلیاژها عبارت است از : مقاومت به خوردگی بالا ، مقاومت ویژه الكتریكی نسبتا بالا، خواص مكانیكی نسبتا خوب ، خستگی طولانی ، شكل پذیری بالا و قابلیت انطباق با بدن . مهمترین كاربرد این آلیاژها در صنایع هوا فضا و صنایع پزشكی است.

معرفی آلیاژهای حافظه دار

آلیاژهای حافظه دار عنوان گروهی از مواد محرک می باشند که خواص متمایز و برتری نسبت به سایر آلیاژها دارند. عکس العمل شدید این مواد نسبت به برخی از پارامترهای ترمودینامیکی و مکانیکی و قابلیت بازگشت به شکل اولیه در اثر اعمال پارامترهای مذکور به گونه ای است که می تواند رفتار سیستم را بهبود بخشد. وقتی یک آلیاژ معمولی تحت بار خارجی بیش از حد الاستیک قرار می گیرد؛ تغییر شکل می دهد. این نوع تغییر شکل بعد از حذف بار باقی می ماند. اما آلیاژهای حافظه دار، من جمله آلیاژهای Ni Ti، Cu Zn، Cu Zn Al، Cu Zn Ga، Cu Zn Sn، Cu Zn Si، Cu Al Ni، Cu Au Zn، Cu Sn، Au Cd، Ni Al، Fe Pt و... رفتار متفاوتی از خود ارائه می نمایند. در دمای پایین، یک نمونه حافظه دار می تواند تغییر شکل پلاستیک چند درصدی را تحمل کند و سپس به صورت کامل به شکل اولیه خود در دمای بالا برگردد. در فرآیند برگشت به شکل اولیه، آلیاژ می تواند نیروی زیادی تولید کند که این نیرو برای تحریک مفید می باشد.

مکانیزم اصلی که خواص آلیاژهای حافظه دار را کنترل می کند در رابطه با تغییر کریستالی آلیاژ است. به این معنی که ساختار مارتنزیتی در دمای پایین با افزایش دما به ساختار آستنیتی تبدیل می شود و در هنگام سرد کردن؛ فرآیند عکس رخ خواهد داد. بسیاری از مواد، استحاله مارتنزیتی دارند اما برتری که آلیاژهای حافظه دار را نسبت به آلیاژهای دیگر متمایز می نماید قابلیت دو قلو شدن این آلیاژ در فاز مارتنزیت می باشد. در حالیکه مواد دیگر به وسیله لغزش و حرکت نابجائیها تغییر شکل می یابند، آلیاژهای حافظه دار به وسیله تغییر جهت ساده ساختار کریستالهای خود و از طریق مرزهای دو قلوئی به تنشهای اعمال شده، عکس العمل نشان می دهند.

اگر در این آلیاژها در دمای پائین، هنگامیکه فاز مارتنزیت حاکم است، تغییر فرم پلاستیکی روی دهد، ساختار کریستالی دو قلو شده ای برای آلیاژ ایجاد می شود که ناشی از تغییر فرم پلاستیک می باشد. با گرم کردن آلیاژ تغییر فرم یافته تا دمای شروع فاز آستنیت می توان شکل اولیه را بازگرداند. این توانائی بعنوان اثر حافظه شکل خوانده می شود و حاصل از تغییر فاز مارتنزیت در دمای پائین به فاز آستنیت در دمای بالا می باشد. در اثر خم کردن میله حافظه دار در دمای پایین و جایی که فاز مارتنزیت حاکم است، تغییر فرم پلاستیک در میله رخ داده و طول آن زیاد می شود. حال اگر میله خم شده، گرم شود و فاز آستنیت حاکم گردد، میله به بهینه ترین حالت به شکل اولیه خود بر می گردد. وقتی هم که میله سرد شود و به فاز مارتنزیت برگردد، نیز کرنشهای پلاستیک کاملا حذف شده اند و به حالت اولیه درخواهد آمد. در حقیقت در اثر فرآیند برگشت به شکل اولیه، تنشهایی در آلیاژ تولید میشود که این تنش باعث تحریک میشود. این تنشهای حاصل شده، تنش بازیافتی خوانده می شود و بهبود توزیع تنش و کرنش، بهبود خواصی چون مدول یانگ و تنش تسلیم و توانائی کنترل رفتار سیستم، از جمله آثار مفید تنشهای بازیافتی می باشد. بعنوان مثال اگر در نوعی از این آلیاژ کرنش 8 درصدی رخ دهد، با گرم کردن می توان این کرنش را کاملا از بین برد.

رفتار ترمودینامیکی آلیاژهای حافظه دار به دما، تنش و ترکیب شیمیایی و ساختار آلیاژ بستگی دارد. در فرآیند گرم کردن آلیاژ و در دمای پایین تر از دمای آغاز فاز آستنیت ماده 100% در فاز مارتنزیت می باشد و در دمای پایان فاز آستنیت ماده 100% در فاز آستنیت می باشد. و در فرآیند سرد کردن و در دمای بالاتر از دمای آغاز فاز مارتنزیت ماده 100% در فاز آستنیت می باشد در حالیکه در دمای پایین تر از دمای پایان فاز مارتنزیت ماده کاملا در فاز مارتنزیت می باشد. اما در دمای مابین و و همچنین مابین دماهای و ماده بصورت دو فازی است و بخشی از آن در فاز مارتنزیت و بخشی از آن در فاز آستنیت می باشد.

حالت ماده در دماهای مختلف توسط درصد حجمی فاز مارتنزیت بیان می شود که در دمای پایینتر از در فرآیند گرم کردن و دمای پایین تر از در فرآیند سرد کردن برابر مقدار 1 می باشد و در دمای بالاتر از در فرآیند گرم کردن و بالاتر از در فرآیند سردکردن برابر مقدار صفر می باشد. اما در دمای مابین دماهای تغییر فاز بسته به نوع فرآیند سرد و گرم کردن به دما وابسته می باشد .در دمای پایین و به ازای مدول الاستیسیته آلیاژ برابر با مدول فاز مارتنزیت و در دمای بالا و به ازای مدول الاستیسیته آلیاژ برابر به مدول فاز آستنیت می باشد. اما در دمای مابین دماهای تغییر فاز، تغییرات مدول الاستیسیته تابعی بر حسب دما می باشد. همچنین تنشهای بازیافتی تولید شده نیز به دما وابستگی دارد. بایستی توجه شود که تنشهای بازیافتی به مقدار کرنش اولیه بستگی داشته و در حالتی که آلیاژ تحت هیچگونه کرنش اولیه ای نباشد، در اثر تغییر فاز، تنش بازیافتی تولید نمی شود.

  ادامه دارد...

منبع : samairan-wikipedia- metallurg- .biomedical