آلیاژها - جلسه چهارم

عنوان:
مقایسه آلیاژها

اهداف جلسه:
· آشنایی با آلیاژ های هویسلر
· آشنایی با روش های ساخت آلیاژ

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· پودر نیکل
· پودر منگنز
· پودر ایندیوم
· گاز آرگون
· آسیاب سیاره ای
· کوره
· حمام آب یخ

مقدمه:
یكی از موضوعات مهم در زمینه اسپینترونیك، تزریق اسپینی از فلز فرومغناطیس به درون نیم رسانا است و برای افزایش هرچه بیشتر بازده این فرایند امروزه تلاش زیادی برای كشف فرومغناطیس های جدید بعمل می اید. به همین دلیل، نیم فلزات فرومغناطیس، یعنی موادی كه برای یك نوع اسپین رفتار فلزی دارند و برای اسپین نوع دیگر هم چون نیم رسانا عمل می كنند، به دلیل قطبیدگی اسپینی 100 % آن ها در تراز فرمی مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. از جمله نیم فلزهایی است كه گرچه اخیراً مورد توجه قرار گرفته آلیاژ Co2CrAl  است. ویژگی آلیاژها بستگی به نوع فلزات و تعداد فلزات مورد استفاده در ساخت آن دارد. اما از آنجایی كه این تركیب دمای كوری پایینی دارد، لذا آن را با آهن می آلایند تا دمای كوری آن بالا رفته و پایداری مغناطیسی آن افزایش یابد. نتایج تجربی نشان می دهد كه اگر 40 % از اتم های كروم در این آلیاژ با آهن جایگزین شوند علاوه بر این كه خاصیت نیم فلزی سیستم حفظ می شود، دمای کوری آن تا 640 کلوین افزایش می یابد. به همین خاطر این آلیاژ جدید توجه زیادی را به خود جلب كرده است و طی آزمایش های تجربی، مغناطو-مقاومت 30 درصد و مغناطو- مقاومت تونل زنی 19 % برای آن اندازه گیری شده است. علی رغم این كه محاسبات مبتنی بر نظریه تابعی چگالی و در برخی موارد اندازه گیری های تجربی خاصیت نیم فلزی بسیاری از آلیاژهای هویسلر را در حالت انبوهه تایید می كنند، لیكن نتایج متعدد تجربی و نظری مبین آن است كه چنین رفتاری لزوما در سطوح و مرزهای مشترك پایدار نخواهد بود و لذا قطبش اسپینی اندازه گیری شده در این موارد با مقدار ایده آل آن تفاوت زیادی دارد. بنابراین یافتن مرزهای مشترك مناسب ، كه در آن ها خاصیت نیم فلزی حفظ شود، برای صنعت بسیار حائز اهمیت است. آلیاژ حافظه‌ دار به آلیاژهایی گفته می‌شود که خواص ترمومکانیکی قدرتمندی همراه با تغییر ناگهانی در ساختار شبکه خود از طریق استحاله مارتنزیتی فعال‌شده توسط تنش یا دما نشان می‌دهند. در تعریفی دیگر به دسته ای از آلیاژها گفته می شود که قادرند تغییر شکل و کرنش های دایمی که بر آن‌ها اعمال می‌شود را بازیابی نموده و در نهایت به‌ شکل اولیه‌ خود بازگردند.
رفتار آلیاژهای حافظه‌ دار، براساس یك دگرگونی فازی و تغییر ساختار بلوری می ‏باشد كه درآن، آلیاژ از یك ساختار مستحكم و پایدار در دمای بالاتر، به یك ساختار تغییر فرم‌ پذیر پایدار دردمای پایین‌ تر ،تبدیل می‌ گردد.

الیاژ حافظه دار خواص متفاوتی دارند. دو خاصیت معمول در این آلیاژ
حافظه‌ داری یک‌طرفه
حافظه‌ داری دوطرفه

یکی دیگر از خواص این الیاژ سوپرالاستیسیته می باشد که آلیاژ به محض باربرداری به شکل اولیه اش باز می گردد. بنابراین در این حالت برای رسیدن به شکل اولیه نیازی به اعمال حرارت نمی باشد.


این آلیاژها دارای ویژگی هایی مانند:
مقاومت به خوردگی بالا
مقاومت ویژه الکتریکی نسبتا بالا
خواص مکانیکی نسبتا خوب
خستگی طولانی
شکل پذیری بالا
قابلیت انطباق با بدن

اولین گام‌ ها به‌سوی کشف اثر حافظه‌ داری شکلی در دهه 1930 گزارش‌شده است. به توجه به مطالب اوتسوکا و وایمن رفتار شبه الاستیک آلیاژ طلا - کادمیوم را اولاندر در سال 1932 کشف کرد. گرنینگر و مرادیان (1938) شکل‌گیری و ناپدید شدن فاز مارتنزیت در آلیاژ کادمیوم –روی را براثر افزایش و کاهش دما مشاهده کردند. اولین نمودهای اثر حافظه‌ داری که تابع رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیت است به‌طور گسترده‌ ای یک دهه بعد توسط کردجومو و خاندروس (1949) و نیز توسط چانگ و رد (1951) گزارش‌شده است.در سال 1956 اثر حافظه دار در آلیاژ مس و روی تز دکترا ی هوربوژن بود. [۴] آلیاژهای نیکل و تیتانیوم برای اولین بار در سال‌های 1962-1963 توسط بوهلر و همکارانش توسعه‌یافته و نام تجاری نیتینول به خود گرفت. خواص قابل‌توجه این آلیاژ به‌طور تصادفی کشف شد. نوع دیگری از آلیاژهای حافظه‌دار شکلی وجود دارد به نام آلیاژ فرومغنازطیس با حافظه شکلی که تغییر شکل تحت میدان مغناطیسی قوی رخ می‌دهد. این مواد به میدان‌های مغناطیسی سریع‌تر و کارآمدتر از تغییرات دما پاسخ می‌دهند.آلیاژهای فلزی تنها آلیاژهای پاسخگو به حرارت نیستند؛ پلیمرهای با حافظه شکلی نیز توسعه‌ یافته‌ اند و از اواخر دهه 1990 به‌صورت تجاری در دسترس هستند.
عاملی که سبب تغییر شكل فلز و یا بازگشت به شكل اولیه آن می‌شود اختلاف ساختار مولكولی در هر فاز است. زمانی كه بار اعمال می‌شود، فلز تغییر شكل می‌ دهد. سپس به محض برداشته شدن بار و اعمال كمی گرما، مولكول‌ها به شكل ساختاری سخت در می‌آیند، به گونه‌ ای كه به یك ساختار با شبكه‌ ای متفاوت مبدل می‌شوند.
تغییر آرایش منجر به ایجاد ساختار كریستالی فاز جدید و پایدار می شود. پیشرفت تغییر حالت بدون نیاز به حركت و جابجایی اتم ها به صورت مجزا ، را می توان مستقل از زمان دانست و به همین دلیل می توان وابستگی دما را به عنوان اصلی ترین عامل پیشرفت این تغییر نشان داد.

1.    آلیاژ نیکل - تیتانیوم به عنوان پر استفاده ترین آلیاژ حافظه دار شناخته شده است.
2.    آلیاژ های حافظه دار دیگر شامل فلزات :
1. مس، آلومینیوم، نیکل
2.مس،روی،آلومینیوم
3.آهن،منگنز،سیلیکون
4.   نیکل،تیتانیوم،هافنیوم
5.   نیکل،تیتانیوم،پالادیوم
6.   تیتانیوم،نیوبیوم

ساخت آلیاژ به طریقه ذوب و ریخته گری با استفاده از كوره های القایی و كوره های مقاومتی صورت می گیرد.
درشت‌ شدن دانه‌ ها و به‌ وجود آمدن رسوبات، مهم‌ ترین مشکلات تولید به‌ روش ریخته‌ گری است که می‌ توانند باعث کاهش خواص حافظه‌ داری و خواص مکانیکی گردند.
آلیاژهای هویسلر برای اولین بار در سال ۱۹۰۳ میلادی باکشف ترکیب Cu2MnAl توسط فریتز هویسلر معرفی شد. این آلیاژها از لحاظ ساختاری از سه فلزX، Y و Z  تشکیل شده اند. دو فلز آن از عناصر واسطه و یک فلز از گروه 3 یا 4 یا 5 جدول تناوبی می شوند. آلیاژ های هویسلر بر پایه نیکل - منگنز خاصیت جالبی از خود نشان می دهند که به آن حافظه پذیری می گویند. این پدیده یک حالت گذار ساختاری بدون نفوذ در حالت جامد است که اجازه می دهد ماده پس از تغییر شکل دوباره به حالت اول برگردد. این گذار ساختاری میتواند بر اثر عواملی نظیر تغییر دما یا اعمال میدان مغناطیسی صورت گیرد.


روش کار
1- مواد اولیه شامل پودرهای نیکل، منگنز و ایندیوم با درجه خلوص بالا با نسبت معین با هم مخلوط شده و با استفاده از آسیاب سیاره ای آسیاب شوند.
2-برای جلوگیری از اکسید شدن بهتر است تحت گاز خنثی  مثل ارگون انجام شود. بعد از 20 ساعت آسیاب، پودر را به مدت 2 ساعت تحت کوره 900 درجه سانتی گراد باز پخت کنید. و پس از آن بر اثر تبادل گرمایی با محیط به آرامی سرد شد.
3- بخش دیگری از این پودر، درون لوله ای از جنس کوارتز قرار گیرد و پس از خلأ کامل هوای داخل، سر آن بسته شود و در کوره قرار گیرد.
4- در دمای ۹۰۰ درجه به مدت ۲ ساعت بازپخت شود.
5- در مخلوط آب و یخ به سرعت سرد شد.

سوالات
1. ویژگی دو آلیاژ با هم چه تفاوتی دارد؟


بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل: - تنظیم: زینب شاه مرادی