Download
1 / 27
340 likes | 702 Views
آلیاژهای حافظه دار (SMA) Shap Memory Alloys.
E N D
مقدمهموادي که باعث سازگاري سازه با محيط خود مي شوند، مواد محرک ناميده مي شوند. اين مواد مي توانند شکل، سفتي، مکان، فرکانس طبيعي و ساير مشخصات مکانيکي را در پاسخ به دما و يا ميدان هاي الکترومغناطيسي تغيير دهند. امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده مي شود که شامل :1آلياژهاي حافظه دار:2سراميکهاي پيزوالکتريک:3 موادمغناطيسي سخت:4مايعات الکترورئولوژکال و5:مگنتورئولوژيکالمي باشند. اين مواد از زمره مواد هوشمند محرک مي باشند. مواد هوشمند آن دسته از موادي هستند که مي توانند به تغييرات محيط به بهترين شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغييرات تنظيم نمايند.
آلیاژهای حافظه دار:آلیاژهای حافظه دار گروه جدیدی از مواد هستند که اگر با ترکیب شیمیایی مشخّص تحت عملیات حرارتی مناسبی قرار گیرند ، توانایی بازگشت به شکل یا اندازه از قبل تعیین شده را از خود نشان می دهند.در واقع آلياژهاي حافظه داراین توانایی را دارند كه اگر آنها را تا بالای دمای ویژه ای گرم كنیم ، قادر به بازیابی شكل اولیه خود خواهند بود.همچنین این مواد قابلیت تبدیل انرژی گرمایی (الکتریکی) را به انرژی مکانیکی دارند واگر گرم وسرد کردن این آلیاژها با جریان الکتریکی کنترل شود؛ میتوان حرکتهای سیکلی با قابلیت تکرار در دفعات متوالی ایجاد کرد.آلياژهاي حافظه دار دو مشخصه بي همتا از خود نشان مي دهند :1: Shape Memory Effect (رفتار حافظه اي)2: Pseudoelastic Behavior(رفتار شبه الاستيك)
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.این آلیاژها در بیشتر موارد شامل Ni-Ti ، Cu-Zn-Al ، Cu -Al-Ni هستند كه در این مقاله آلیاژ Ni-Ti مورد بحث است .در سال 1961 اثر حافظه داري شکل در آلياژ نيکل- تيتانيوم با درصد اتمي مساوي (50-50%) توسط بوهلر و در آزمايشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordanance Lab) کشف و تحت نام نيتينول (Nitinol) مشهور شد. دو حرف اول نيتينول در ارتباط با نيکل، دو حرف بعدي مربوط به عنصر تيتانيوم و سه حرف آخر در رابطه با آزمايشگاه ناول اوردنانس مي باشد.
مکانيزم اصلي که خواص آلياژهاي حافظه دار را کنترل مي کند در رابطه با تغيير کريستالي آلياژ است. به اين معني که ساختار مارتنزيتي در دماي پايين با افزايش دما به ساختار آستنيتي تبديل مي شود و در هنگام سرد کردن؛ فرآيند عکس رخ خواهد داد. بسياري از مواد، استحاله مارتنزيتي دارند اما برتري که آلياژهاي حافظه دار را نسبت به آلياژهاي ديگر متمايز مي نمايد قابليت دو قلو شدن اين آلياژ در فاز مارتنزيت مي باشد. در حاليکه مواد ديگر به وسيله لغزش و حرکت نابجائيها تغيير شکل مي يابند، آلياژهاي حافظه دار به وسيله تغيير جهت ساده ساختار کريستالهاي خود و از طريق مرزهاي دو قلوئي به تنشهاي اعمال شده، عکس العمل نشان مي دهند. اگر در اين آلياژها در دماي پائين، هنگاميکه فاز مارتنزيت حاکم است، تغيير‌فرم پلاستيکي روي دهد، ساختار کريستالي دو قلو شده اي براي آلياژ ايجاد مي شود که ناشي از تغيير فرم پلاستيک مي باشد. با گرم‌کردن آلياژ تغيير فرم يافته تا دماي شروع فاز آستنيت مي‌توان شکل اوليه را بازگرداند. اين توانائي بعنوان اثر حافظه- شکل خوانده مي‌شود و حاصل از تغيير فاز مارتنزيت در دماي پائين به فاز آستنيت در دماي بالا مي‌باشد.
در پديده حافظه داري، نمونه در حالت كاملاً مارتنزيتي به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود سپس با گرم كردن نمونه و برگشت آن به حالت آستيني، شكل نمونه نيز به حالت اول خود بر گردد .شكل (1) سيكل حرارتي مكانيكي توصيف كننده پديده حافظه داري شكلي
1- تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن:تغيير حالت متالورژيكي جامدات از دو طريقه زير امكان پذير است .1) حركت و جابجايي اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغيير در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي.2) تغيير آرايش اتمي به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگي به زمان و هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي .تغيير حالت هاي مارتنزيتي به طريقه دوم مرتبط است و داراي مشخصات زير است:1) تغيير مكان به صورت شبه برشي مي باشد و در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شود. 2) ديفوزيون اتمي در آن اتفاق نمي افتد. رفتار حافظه دار شدن كاملاً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتم هاي آلياژ نبايد به هم بخورد.
2- كريستالوگرافي مارتنزيتي:تغيير حالت تبديل آستنيت به مارتنزيت از لحاظ كريستالوگرافي در سه مرحله قابل بررسي است .1- تغيير فرم شبكه اي 2- برش ناهمگن 3- دوران شبكه اي فرآيند تبديل آستنيت به مارتنزيت در مرحله تغيير فرم شبكه اي در شكل 2 نشان داده شده است . در اين مرحله اتم ها با جابه جايي جزئي و هماهنگ، پيشروي فصل مشترك از هر لايه اتمي را موجب مي شوند.
بايد توجه داشت پديده حافظه داري بدون تغيير حجم و تغيير شكل امكان پذير بوده و برش ناهمگن توجيه كننده اين مطالب مي باشد. برش ناهمگن در مارتنزيت به دو طريق امكان پذير است :1) مكانيزيم لغزش يافتن صفحات اتمي 2) مكانيزيم تشكيل دوقلويي ها
تصاوير نشان داده شده چگونگي انطباق فاز مارتنزيت بر فاز آستنيت را در هنگام جابجايي جزيي و گروهي اتمها با حفظ شبكه كريستالي نشان مي دهد. بايد توجه داشت كه لغزش صفحات اتمي به علت شكسته شدن باند هاي اتمي بعنوان مكانيزيم تغيير فرم پلاستيك دائم محسوب مي شود، در صورتي كه در مكانيزيم دو قلويي به علت انرژي پايين مرز دوقلويي و برخورداري از تحرك و لغزندگي نسبي تغيير فرم غير دائم است. در آلياژهاي حافظه دار ، كرنش هاي ناشي از تغيير حالت در اثر تشكيل يك جفت از دوقلويي هاي دو طرف مرز ذخيره سازي مي شوند و براي برگشت پذيري از آن استفاده مي شود.
شكل) 4) مرز دوقلويي را نمايش مي دهد و هر يك از دوقلويي هاي دو طرف مرز دوقلويي يك وا ريانت را شامل مي شود. در صورت وارد كردن تنش برشي به مرز دو قلويي باعث حركت يكي از واريانت ها شده و واريانت ديگري حذف مي شود.(شكل 4 ،B) اين روند مي تواند تا تبديل تمامي واريانت به يك واريانت واحد ادامه يابد(شكل 4، C) .بررسي پديده حافظه داري در تك كريستال آستنيت در شكل 5 نمايش داده شده است.
مرحله اول همانطور كه از شكل پيداست بعد از سرد كردن كريستال در زير دماي Mf واريانت هاي A و B و C و D تشكيل مي شوند مرحله دوم با وارد كردن تنش به كريستال ، واريانتها شروع به حركت و حذف شدن مي كنند تا واريانت واحد A تشكيل گردد. حين تشكيل واريانت واحد A كرنش هايي در جهت واريانتA ذخيره مي شود. مرحله سوم مربوط به حرارت دادن كريستال نمونه براي تبديل مارتنزيت به آستينت مي باشد از آنجاييكه كرنش ها تنها در جهت واريانت A ذخيره شده اند، پس تنها مسير براي برگشت پذيري، واريانت A مي باشد و نمونه به شكل اوليه خود باز مي گردد.
3- رفتار ترمومكانيكي:آلياژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصيات مكانيكي بسياري مي باشند در شكل 6 منحني هاي ساده تنش - كرنش براي آلياژ تيتانيم- نيكل مشاهده مي شود. آلياژ در دماهاي پايين ، متوسط و بالاي دماي استحاله مورد آزمايش قرار گرفته است. تغيير شكل در مارتنزيت با چند در صد كرنش و تنش فشاري نسبتاً كم ديده مي شود . در حاليكه آستنيت در درجه حرارت بالا نياز به تنش نسبتا زيادي براي تغيير شكل دارد. خط چين روي منحني مارتنزيت نمايانگر برگشت پذيري آلياژ بعد از برداشتن تنش وارد شده بعد از گرم كردن نمونه و تبديل به فاز آستنيت مي باشد ولي چنانچه كه مشاهده مي شود در منحني مربوط به آستينت با برداشتن تنش و گرم كردن نمونه امكان برگشت پذيري وجود ندارد.
4- خاصيت ارتجاعي كاذب:خصوصيت جالب توجه درباره منحني تنش - كرنش درقسمت منحني C ديده مي شود.به طوري كه پس از حرارت دادن نمونه كمي بالاتر از درجه حرارت انتقال ، در درجه حرارت بالاي Af به نمونه در فاز مارتنزيت تنش وارد مي شود. با افزايش مقدار تنش ، تغيير شكل نيز به صورت يكنواخت افزايش مي يابد (منحني AB). در اين هنگام رفتار تغيير شكل و تنش پايداري مشاهده مي شود با كاهش تنش( منحني CD) مارتنزيت به آستينت تبديل مي شود بايد توجه داشت كه برگشت پذيري انجام شده به خاطر تغيير حرارت نمونه نمي باشد و دليل آن كاهش فشار است. اين پديده را كه موجب مي شود آلياژ خاصيت كشساني نامحدود پيدا كند به عنوان خاصيت ارتجاعي كاذب ناميده مي شود.
5- اثر حافظه دار يك طرفه و دو طرفه:الف )اثر حافظه دار يك طرفه :در صورتيكه اثر حافظه داري فقط بعد از تغيير شكل در حالت مارتنزيتي و سپس در سيكل گرم كردن مشاهده شود به آن اثر حافظه يك طرفه گفته مي شود. اين بدان معني است كه در اين حالت تغيير شكل ايجاد شده ، فقط با گرم كردن به حالت اوليه قبل از تغيير شكل باز مي گردد و چنانچه جسم را دوباره سرد كنيم تغييري در شكل آن حاصل نمي شود.نخستین استفاده مهم صنعتی از این پدیده در صنایع فضایی آمریکا برای نصب ماهواره های فضایی بود . این خصوصيت در شكل شماره 7 نمايش داده شده است.
همانطور كه در تصوير مشاهده مي شود ابتدا فنر در دماي Mf به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود به صورتيكه تغيير فرم دائمي در آن باقي بماند حال اگر فنر تغيير فرم داده شده را تا دماي Af حرارت دهيم مجدداً به شكل اوليه خود بر مي گردد و در سيكل سرد شدن تا دماي Mf هيچگونه تغيير شكلي در فنـــر مشاهده نمي شود.
ب)اثر حافظه دار دو طرفه :برگشت پذيري به حالت اوليه خود در اثر سرد و گرم كردن آلياژ هاي حافظه دار دو طرفه در بازه معيني از دما امكان پذير است . در شكل 8 يك فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به صورت باز شده در حالت آستيني و شكل جمع شده در حالت مارتنزيتي نشان داده شده است.همانطور كه مشاهده مي شود اگر فنر گرم شود باز شده و در سيكل سرد شدن مجدداً به شكل جمع شده در مي آيد. بايد توجه داشت كه آلياژ هاي حافظه دار براي اينكه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان دهند نياز به انجام عمليات ترمومكانيكي خاصي بر روي آنها مي باشد.
6 ـ کاربرد آلیاژهای حافظه دار :کاربرد اصلی این مواد ، در سه گروه عمده دسته بندی می شوند :ــ وسایل سوپر الاستیک ــ عملگرهای حافظه دارــ وسایل مارتنزیتی* وسایل سوپر الاستیکوسایل سوپر الاستیک در کاربردهایی که انعطاف پذیری بالا و یا قابلیت تحمل نیروی گشتاوری زیاد نیاز باشد ، مورد استفاده قرار می گیرند . این مواد توانایی جذب مقادیر زیادی از کرنش را دارند . از جمله این مواد ، آلیاژ TiـNi می باشد که الاستیسیته آنها در حدود 10 برابر فولاد است . این مواد همچنین با یک نیروی ثابت ، محدوده وسیعی از کرنش را از خود نشان می دهند و در مقابل پیچش بسیار مقاوم هستند .مثال هایی از کاربرد وسایل سوپر الاستیک شامل آنتن تلفن های همراه سلولار ، وسایل ضربه گیر ، قاب عینک ، سیم های ماهیگیری و فایل های کانال ریشه در دندانپزشکی می باشد .
* عملگرهای حافظه داردر این وسایل از اثر حافظه داری برای بازیابی شکل ویژه جسم تحت دمایی بالاتر از دمای تغییر حالت استفاده می شود . از این اثر همچنین برای ایجاد نیرو و یا انجام کار استفاده می شود .مثال هایی از این نوع کاربرد نیز شامل بست ها و اتصالات ، آندوسکوپ های فعال ، موتورهای مبدل انرژی ، فعال کننده های حرارتی ،سوئیچ های حرارتی حافظه دار، اتصال دهنده استخوان ها و استنت ها می باشد .* وسایل مارتنزیتیخواص بی نظیر فاز مارتنزیت در آلیاژهای حافظه دار ، آنها را به ماده مناسبی برای بسیاری از کاربردها تبدیل نموده است . استحاله مارتنزیتی به دلیل داشتن ساختار دوقلویی قابلیت بسیار خوبی برای جذب انرژی دارد . از طرف دیگرفاز مارتنزیتی در این آلیلژها مقاومت خستگی بسیار خوبی دارد و بعلاوه به راحتی تغییر فرم می دهد . در نتیجه می توان از این مواد در جذب کننده های ارتعاش ، سیم های با مقاومت خستگی بالا و ابزار جراحی با خم شدن مکرر استفاده نمود .
SMA applications Biomedical applications: orthodontic, orthopedic, guide systems, stent, glasses, micro-actuators
…. SMA applications Superelastic effect
خلاصه تحقیق آلیاژهای حافظه دار ازجمله موادهوشمند محرک می باشند که قادرند به تغییرات محیط پاسخ داده و رفتارخود را نسبت به تغییرات تنظیم کنند.آلیاژهای حافظه دار اگربا ترکیب شیمیایی مشخص تحت عملیات حرارتی مناسبی قرارگیرند،توانایی بازگشت به شکل یا اندازه ازقبل تعیین شده را ازخود نشان می دهند. ویژگی این آلیاژها،مقاومت به خوردگی بالا،مقاومت ویژه الکتریکی بالا،خستگی طولانی،شکل پذیری بالا وقابلیت انطباق با بدن می باشد.ومهمترین کاربردشان درصنایع هوافضا وصنایع پزشکی است. کاربرد اصلی این مواد ، در سه گروه عمده دسته بندی می شوند : 1- وسایل سوپر الاستیک: آنتن تلفن های همراه سلولار، وسایل ضربه گیر ، قاب عینک ، سیم های ماهیگیری و فایل های کانال ریشه در دندانپزشکی 2-عملگرهای حافظه دار: بست ها و اتصالات ، آندوسکوپ های فعال ، موتورهای مبدل انرژی ، فعال کننده های حرارتی ،سوئیچ های حرارتی حافظه دار، اتصال دهنده استخوان ها 3- وسایل مارتنزیتی:جذب کننده های ارتعاش ، سیم های با مقاومت خستگی بالا و ابزار جراحی با خم شدن مکرر
آلیاژهای حافظه دار قابلیت دوقلوشدن درفازمارتنزیت را دارند که این عامل باعث برتری این آلیاژها نسبت به آلیاژهای دیگر است. مکانیزم اصلی که خواص آلیاژهای حافظه دار را کنترل می کند در رابطه باتغییرکریستالی آلیاژاست.به این معنی که ساختار مارتنزیتی دردمای پایین باافزایش دما به ساختارآستنیتی تبدیل می شود. درپدیده ی حافظه داری،نمونه درحالت کاملا مارتنزیتی به مقدارمعینی تغییرفرم داده می شود سپس با گرم کردن نمونه وبرگشت آن بحالت آستنیتی،شکل نمونه نیزبه حالت اول خود برمی گردد. تغییرشکل ایجاد شده درحالت مارتنزیتی،فقط باگرم کردن به حالت اولیه قبل ازتغییر شکل بازمی گردد وچنانچه جسم را دوبارسرد کنیم تغییری درشکل آن حاصل نمی شود.به این حالت اثرحافظه داری یک طرفه گفته می شود. برگشت پذیری به حالت اولیه دراثرسرد وگرم کردن آلیاژهای حافظه دار دربازه ی معینی ازدما امکان پذیراست که به این حالت اثرحافظه داری دوطرفه گفته می شود. برای اینکه آلیاژهای حافظه دار،اثرحافظه دار دوطرفه ازخود نشان دهند نیازبه انجام عملیات ترمومکانیکی خاص برروی آنها می باشد.
