شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی

آلیاژهای حاقفظه دار شکلی

آلیاژهای حاقفظه دار شکلی

ارسالی از :جعفر دارا رشخواری

مقدمه:

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 پیزوالکتریک۲، مواد مغناطیسی سخت۳ و مایعات الکترورئولوژکال۴ و  گنتورئولوژیکال۵ 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. به طور کلی مواد حافظه دار موادی هستند که دارای چند عملکرد یا به عبارتی دیگر هوش ذاتی هستند که در ساختار آنها بوجود آمده است .که مواد حافظه دار می توانند از فلزات ،سرامیکها،پلیمرهاو…باشند. .

واژه آلیاژحافظه دار (SMA) برای گروهی از مواد فلزی بکار می رود که قدرت و توانائی مربوط به برخی اندازه ها یا شکلهای  قبلا تعریف شده را موقعی که تحت عملیات حرارتی مناسب قرارمیگیرند تشخیص میدهند .

حرارت دادن در بالای دمای انتقال به این آلیاژها باعث تغییر فاز در ساختار کریستالی آنها می گردد . بعضی از این آلیاژها با حرارت دادن حافظه داری خود را نشان می دهند و بعضی از آنها با سرد کردن و گرم کردن.  در پدیده حافظه داری، نمونه در حالت کاملاً مارتنزیتی به مقدار معینی تغییر فرم داده می شود سپس با گرم کردن نمونه و برگشت آن به حالت آستینی، شکل نمونه نیز به حالت اول خود بر گردد .

چگونگی پی بردن به حافظه داربودن این آلیاژها:History”SMAs”:

در سال ۱۹۶۱در لابراتوار اسلحه و مهمات نیروی دریایی White Oak بود ،که به خاصیت بی همتاو شگفت انگیز این گونه آلیاژها پی برده شد.

Dr.Wiliam.j.Buehler   اولین نفری بود که به حافظه دار بودن این آلیاژها پی برد. اکتشاف حقیقی خاصیت حافظه دار بودن آلیاژ به طور تصادفی به دست آمد.در نشست هیئت مدیره لابراتوار یک نوار از این آلیاز که مدتها از خم شدن آن می گذشت مهیا بود.یکی از حاضران به نام « دکتر دیوید» نوار را با فندک مخصوص پیپش گرم کرد وبه طور شگفت آوری نوار کشیده شد و به حالت اولیه خود برگشت.

آزمایش جهت بررسی حافظه دار بودن یک آلیاژ حافظه دار: 

 به منظور بررسی اثر حافظه دار بودن یک آلیاژ حافظه دار پایه مس،چندین ترکیب مختلف از سیستم سه تایی مس-روی-آلومینیوم انتخاب شد ند.نمونه های آزمایشی با استفاده از مواد اولیه با خلوص تجارتی توسط فرایند ذوب در کوره القایی و نورد گرم و سرد تهیه شدند و بر روی یکی از ترکیبات ساخته شده درمحدوده حرارتی ۲۹۰-۲۰۰ درجه سانتیگراد رفتار پیری ایزو ترمال مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از آزمایشات خمش، سختی، کشش مکانیکی، اندازه گیری ضریب مقاومت الکتریکی وبررسی(اثرحافظه دار ورفتار پیری مورد مطالعه قرار گرفت.  SEMمتالوگرافی با میکروسکوپ نوری و الکترونی ) نتایج بدست آمده بیانگر آن است که اثر حافظه دار در این آلیاژها در اثر تحول مارتنزیتی بوده ودر محدوده حرارتی تغییر حالت خواص آلیاژ بطور قابل توجهی تغییر پیدا می کند.رفتار پیری با استفاده از روابط سینتیکی مورد بررسی قرار گرفت.نتایج حاصله نشان می دهند که از بین رفتن اثر حافظه دار در این آلیاژها با تغییرات خواص آلیاژ(افزایش سختی، استحکام کششی، تسلیم،ضریب مقاومت الکتریکی ومدول الاستیسیته)همراه می باشند. چنین تغییراتی ناشی از تحولهای اکتیواسیون حرارتی بوده و انرزی محرکه تغییر حالت پیری ایزوترمال در حدود ۱۱۰ kj/mol می باشد.

  اساس حافظه داری آلیاژ : NiTinol

آلیاژهای حافظه دار از عناصر نیکل و تیتانیوم تشکیل شده اند، که تحت نام نایتینول شناخته می شوند.اصل حافظه داری درآلیاژ نایتینول تغییر فاز می باشد. در واقع پس از کشف این خاصیت درآلیاژهای حافظه

دار سؤال این بود که تا چه مقدار این فلزات می توانند شکل اولیه خود را به خاطر آورند. « دکتر فردریک» کهیک پژوهشگر در ساختمان کریستالی است با دقت تغییرات ساختمانی که در تراز اتمی  خاصیت بی همتای این فلزات تاثیر داشتند بررسی کرد.او فهمید که نیتینول یک فاز متغییر دارد (البته در حالت  جامد) و این فاز متغییر مارتنزیت و آستنیت می باشد.نیتینول می تواند در دمای نسبتا پایین تغییر فرم پلاستیک یافته و سپس در درجه حرارت بالا به شکل قبل از تغییر فرم پلاستیک برگردد.اساس خاصیت برگشت پذیری این آلیاژها«تغییر حالت مارتنزیتی فاز آستنیت می باشد».درفاز مارتنزیت نیتینول می تواند خم شود و به اشکال مختلف تغییر شکل بدهد.

روشی نو جهت کنترل ترکیب لایه‌های نازک حافظه دار آلیاژ پایه:                             

لایه‌های نازک NiTi با درصد مساوی از نیکل و تیتانیم به عنوان یک ماده عملگر خودکار در سیستم‌های میکروالکترومکانیکال به خاطر دانسیته انرژی مکانیکی بالا که از تحول مارتنزیتی ناشی می‌شود مورد توجه زیادی قرار گرفته است. در این میان لایه‌های نازک (Ni(Ti+Hf) نیز به خاطر وجود تحولات فازی پایدار در دماهای بالاتر از آلیاژ NiTi به عنوان مناسب‌ترین لایه‌های نازک هوشمند دما بالا از اهمیت ویژه‌ای  برخوردارند.در این قسمت یک روشی نو جهت کنترل ترکیب لایه‌های نازک حافظه دار آلیاژ پایه NiTi اعم از  (X<0.3)Ni0.5Ti0.5-X , HFX , Ni1-XTiX توسط لایه نشانی همزمان از طریق تارگت‌های مجزا در سیستم‌ پراکنش با خلاء UHV (<10-8torr) بررسی می شود.تأثیر پارامترهای مهم دستگاه پراکنش از جمله اثر توان اعمالی به تارگت‌ها در ترکیب لایه، اثر فشار گاز آرگون (Ar) بر ریز ساختار و خواص حافظه داری، و اثر هندسه لایه نشانی بر انحراف ترکیب در واحد طول و ضخامت لایه مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که در فشار گاز آرگون بالاتر از Pa2/1، لایه به شدت ترد و خواص حافظه‌داری آن بسیار ضعیف می‌شود در حالیکه با کاهش فشار گاز آرگون به مقدار Pa6/0 لایه‌های نازک حافظه‌دار با ترکیبات مختلف و قابل مقایسه با خواص کپه‌ای آلیاژ NiTi قابل دستیابی است. مشخصه‌‌یابی لایه‌های بهینه شده توسط روش‌های مختلف آنالیز نظیر  XRD,DSC,AFM و اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی بر حسب دما، TEM, RBS, SEM(EDS) و نانوسختی سنجی انجام پذیرفت. نتایج آزمایشهای XRD نشان داد که لایه نشانده شده به ضخامت m 2 در دمای اتاق آمورف بوده و نیاز به عملیات حرارتی مناسبی دارد. عملیات حرارتی و یا به عبارت دیگر فرآیند آنیلینگ بر اساس دمای کریستالیزاسیون لایه‌ها که از آنالیز حرارتی DSC به دست آمد انجام پذیرفت.                     

نتایج نشان داد که دمای کریستالیزاسیون، وابسته به ترکیب لایه‌ها می‌باشد (به عنوان مثال، دمای کریستالیزاسیون لایه نازک NiTi با درصد مساوی از نیکل و تیتانیم Cْ ۴۷۲ و در لایه NiTiHf با ترکیب  %at7/28=HF برابر Cْ۵۱۹ اندازه‌گیری شد). بنابراین آنیلینگ لایه‌های نازک NiTi در دمای Cْ۵۰۰ و لایه‌های NiTiHF به دلیل دمای کریستالیزاسیون بالاتر، در دمای Cْ۵۵۰ به مدت یک ساعت انجام پذیرفت.

مشخصه‌یابی لایه‌های نشانده شده توسط روش‌های XRD بر اساس تابعی از دما، DSC و اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی نشان داد که دماهای تغییر فاز تابعی از ترکیب لایه می‌باشند. در لایه‌های نازک NiTi این دماها وابسته به نسبت Ni/Ti بوده به طوریکه در لایه‌های غنی از نیکل دماهای تغییر فاز در زیر دمای اتاق رخ داده در حالیکه در لایه‌های غنی از تیتانیم و ترکیب مساوی از نیکل و تیتانیم بالاتر از دمای اتاق و پایین‌تر از Cْ۱۰۰ گزارش می‌شود. نتایج مشخصه یابی لایه‌های هوشمند NiTiHf نیز نشان داد که با جایگزین کردن Hf به جای  Ti در سیستم دوتایی NiTi به میزان at%10 دمای تغییر فاز به بالاتر از Cْ۱۰۰ رسیده و در at%4/24 دمای  Ap (دمای پیک آستنیتی) به Cْ ۴۱۴ افزایش می‌یابد. همچین فاز R در ترکیبات مختلف از ۱۵ at%=Hf مشاهده گردید. تأثیر ترکیب شیمیایی لایه‌های نازک بر ساختار، مورفولوژی سطح، دماهای تغییر فاز و رفتار مکانیکی لایه‌ها نیز مورد بررسی قرار گرفـت. نتایج نشان داد که این خواص وابستگی شدیدی به انحراف ترکیب به میزان کم را دارند. اثر انحراف ترکیب از مقدار نسبت مساوی نیکل و تیتانیم باعث ایجاد رسوباتی از نوع  Ni4Ti3 در لایه‌های غنی از نیکل و Ti2Ni در لایه‌های غنی از تیتانیم شده از وجود آنها، دماهای تغییر فاز را جابجا می‌کند. نتایج حاصل از مشاهدات AFM نشان از نانو ساختار  سطحی لایه‌ها را داشت. لایه‌های نازک آلیاژ  NiTi و NiTiHf به ترتیب با اندازه دانه کمتر از nm50 و nm100 دارای خواص حافظه داری و سوپر الاستیسیته مطلوب و قابل مقایسه با حالت کپه‌ای همان آلیاژها می‌باشند. اندازه دانه‌ها و مطالعه فازهای مختلف با TEM نیز مورد بررسی قرار گرفت که نشان از نانوساختار بودن لایه‌ها را داشت. خواص مکانیکی لایه‌های نازک که توسط روش نانوسختی سنجی در دمای اتاق انجام پذیرفت در عمق‌های فرورونده کمتر از nm200 در  لایه‌های غنی از نیکل خاصیت سوپرالاستیسیته و در لایه‌های غنی از تیتانیم و درصد مساوی از نیکل و تیتانیم تغییر فرم مارتنزیتی را نشان داد.

مدل‌های تغییر فرم در زیر ماده فرورونده در دو حالت ذکر شده بررسی شده است. همچنین مدل یانگ و سختی لایه‌ها بر حسب تابعی از عمق فرورونده مورد مطالعه قرار گرفتند. در پایان، با توجه به نتایج به دست آمده، روش لایه نشانی پیشنهادی از تارگت‌های مجــزا می‌تواند روشی مناسب در کنترل ترکیب لایه بوده و نیازی به تولید آلیاژهای مختلف NiTi برای ساخت تارگت‌های آلیاژی نیست. این روش برای ساخت لایه‌های نازک حافظه دار دوتایی و سه تایی در ساخـت سیستم‌های MEMS و BioMEMS پیشنهاد می‌شود.

 

روش تهیه:        

برای تهیه آلیاژ حافظه دار تیتانیوم – نیکل؛چهار روش :ذوب  در کوره مقاومتی، کوره مقاومتی خلاء، کوره کوانتومتری و توسط روش سنتز احتراقی بررسی شده اند.محصول دو روش اول همگن نبوده وقابلیت نورد گرم ندارند ولی  قطعهً ذوب شده در کوره کوانتومتری ازنظر ترکیب شیمیایی یکنواخت است وقابلیت کارگرم دارد.

درفرآیند سنتز احتراقی علاوه بر اینکه صرفه جوئی  قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی وزمان صورت می گیرد ؛محصول فرآیند نیزمی تواند به راحتی نورد گرم وسرد شوند وبر خلاف سه روش قبلی نیازی به عملیات حافظه دار کردن ندارند.

روش های اصلی ساخت آلیاژ های حافظه دار در دو گروه عمده قابل بررسی است:

الف) ساخت آلیاژ به طریقه  ذوب و ریخته گری  با استفاده  از کوره های القایی  و کوره های مقاومتی

ب) ساخت آلیاژ به طریقه متالورژی پودر

برای تولید آلیاژهای حافظه دار درتناژهای بالا و تجارتی ، از روش ذوب و ریخته گری استفاده می شود.

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 ومکانیکی و قابلیت بازگشت به شکل اولیه دراثراعمال  پارامترهای مذکوربه گونه ای است که می تواند رفتارسیستم را بهبود بخشد. وقتی  یک آلیاژمعمولی تحت بار خارجی بیش از حد الاستیک قرارمی گیرد؛ تغییر شکل  می دهد. این نوع تغییرشکل بعد از حذف بارباقی می ماند.اما آلیاژهای حافظه دار، از جمله آلیاژهایNi-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…  رفتارمتفاوتی از خودارائه مینمایند. دردمای پایین، یک نمونه حافظه دارمی تواند تغییرشکل پلاستیک چنددرصدی راتحمل کندوسپس 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.این فرآینداولین باردر سال ۱۹۳۸ مشاهده شد و برای مدت زمان طولانی در حد کنجکاوی  آزمایشگاهی باقی ماند. درسال ۱۹۶۱ اثر حافظه داری  شکل  در آلیاژنیکل –  تیتانیوم با درصداتمی مساوی  (۵۰-۵۰%)  توسط  بوهلر و در آزمایشگاه  ناوال اوردنانس (Ordanance Lab Naval) کشف تحت نام نایتینول (Nitinol) مشهور شد.

دوحرف اول نایتینول درارتباط با نیکل ، دوحرف  بعدی مربوط به عنصر تیتانیوم و سه حرف آخر دررابطه با آزمایشگاه ناول اوردانس می باشد.ازاوایل  سال ۱۹۸۰استفاده  از آلیاژهای حافظه دار در بین محققان ومهندسان مورد توجه قرار گرفت و  این آلیاژ هوشمند در زمینه های  وسیعی از جمله تعدیل رفتار آئرو الاستیسیته  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. 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 ساختارآستنیتی تبدیل می شود و درهنگام سرد کردن؛ فرآیندعکس 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 تنش های اعمال شده، عکس العــمل نشان می دهند.

اگردراین آلیاژها در دمای پائین،هنگامی که فازمارتنزیت حاکم است، تغییر‌فرم پلاستیکی روی ‌دهد، ساختار کریستالی دو قلو شده ای برای آلیاژ ایجاد می شود که ناشی از تغییر فرم پلاستیک می باشد . با گرم‌کردن آلیاژ  تغییر فرم  یافته تا دمای شروع فازآستنیت می‌تواند شکل اولیه را بازگرداند. این توانائی بعنوان اثر حافظه –   شکل خوانده می‌شود و حاصل از تغییر فاز مارتنزیت دردمای پائین به فاز آستنیت  دردمای بالا می‌باشد .  هما ن گونه که در شکل ملاحظه می گردد ،

دراثر 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  در خواهد  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 می‌باشد. بعنوان مثال اگر در نوعی از این آلیاژ کرنش ۸ درصدی رخ دهد، با گرم کردن می توان این کرنش را کاملا از بین برد.

 

تغییر حالت های مارتنزیتی و پدیده حافظه دار شدن:

تغییر حالت متالورژیکی جامدات از دو طریقه زیر امکان پذیر است .

۱)حرکت و جابجایی اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغییر در ترکیب شیمیایی فاز جدید نسبت به زمینه قبلی.

۲ )تغییر آرایش اتمی به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگی به

زمان و هیچگونه تغییری در ترکیب شیمیایی فاز جدید نسبت به زمینه قبلی .

تغییر حالتهای مارتنزیتی به طریقه دوم مرتبط است و دارای مشخصات زیر است

۱)تغییر مکان به صورت شبه برشی می باشد و در آن اتم ها به صورتهماهنگ و گروهی جابجا می شود.

۲) دیفوزیون اتمی در آن اتفاق نمی افتد.

 

کریستالوگرافی مارتنزیتی:

تغییر حالت تبدیل آستنیت به مارتنزیت از لحاظ کریستالوگرافی در سه مرحله قابل بررسی است .

۱- تغییر فرم شبکه ای

۲- برش ناهمگن

۳- دوران شبکه ای

فرآیند تبدیل آستنیت به مارتنزیت در مرحله تغییر فرم شبکه ای در شکل ۲ نشان داده شده است . در این مرحله اتم ها با جابه جایی جزئی و هماهنگ ،  پیشروی فصل مشترک از هر لایه اتمی را موجب می شوند.

 Untitled

باید توجه داشت پدیده حافظه داری بدون تغییر حجم و تغییر شکل امکان پذیر بوده و برش ناهمگن توجیه کننده این مطالب می باشد. برش ناهمگن در مارتنزیت به دو طریق امکان پذیر است :

۱) مکانیزیم لغزش یافتن صفحات اتمی

۲) مکانیزیم تشکیل دوقلویی ها

 

اثر حافظه – شکل آلیاژهای حافظه دار:

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 ۱۰۰% در فاز مارتنزیت می باشد و در دمای پایان فاز آستنیت ماده ۱۰۰% در فاز آستنیت می باشد. و در فرآیند سرد کردن و در دمای بالاتر از دمای آغاز فاز مارتنزیت ماده ۱۰۰% 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 ۱ 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 شکل ۲-۳ چگونگی این ارتباط بر حسب دما نشان داده شده است. 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 و بصورت شکل ۳-۳ می باشد.

همچنین تنشهای بازیافتی تولید شده نیز به دما وابستگی دارد که این ارتباط در شکل ۴-۳ آورده شده است. 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.
شکل ۲-۳) نمودار درصد حجمی فاز مارتنزیت بر حسب دما

شکل ۳-۳) تغییرات مدول الاستیسیته بر حسب دما

شکل ۴-۳) تنش بازیافت لایه‌های نازک NiTi با درصد مساوی از نیکل و تیتانیم به عنوان یک ماده عملگر خودکار در سیستم‌های میکروالکترومکانیکال به خاطر دانسیته انرژی مکانیکی بالا که از تحول مارتنزیتی ناشی می‌شود مورد توجه زیادی قرار گرفته  ست.

دراین میان لایه‌های نازک (Ni(Ti+Hf) نیز به خاطر وجود تحولات فازی پایدار در دماهای بالاتر از آلیاژ  NiTi به عنوان مناسب‌ترین لایه‌های نازک هوشمند دما بالا از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. در این رساله یک روشی نو جهت کنترل ترکیب لایه‌های نازک حافظه دار آلیاژ پایه NiTi اعم از (X<0.3)Ni0.5Ti0.5-X , HFX , Ni1-XTiX توسط لایه نشانی همزمان از طریق تارگت‌های مجزا در سیستم‌ پراکنش با خلاء UHV (<10-8torr) مورد مطالعه قرار گرفت. تأثیر پارامترهای مهم دستگاه پراکنش از جمله اثر توان اعمالی به

تارگت‌ها در ترکیب لایه، اثر فشار گاز آرگون (Ar) بر ریز ساختار و خواص حافظه داری، و اثر هندسه لایه نشانی بر انحراف ترکیب در واحد طول و ضخامت لایه مورد مطالعه قرار گرفت.

نتایج نشان داد که در فشار بالاتر از ۲/۱ پاسکال ، لایه به شدت ترد و خواص حافظه داری آن بسیار  ضعیف می شود در حالی که با کاهش فشار گاز آرگون به مقدار۶/۰پاسکال لایه های نازک حافظه دار با ترکیبات مختلف و قابل مقایسه با خواص کپه ای آلیاژ NiTi    قابل دستیابی است.مشخصه یابی لایه های بهینه شده توسط روشهای    مختلف آنالیز نظیر DSC,XRD,AFM و اندازه گیری مقاومت الکتریکی برحسب دما ، TEM,RBS,SEM(EDS) ونانو سختی سنجی انجام پذیرفت.

نتایج آزمایش های XRD نشان داد که لایه نشانده شده به ضخامت ۲متردر دمای اتاق آمورف بوده و نیاز به عملیات حرارتی مناسبی دارد. عملیات حرارتی و یا به عبارت دیگر فرآیند آنیلینگ بر اساس دمای کریستالیزاسیون لایه‌ها که از آنالیز حرارتی DSC به دست آمد انجام پذیرفت. نتایج نشان داد که دمای  کریستالیزاسیون، وابسته به ترکیب لایه‌ها می‌باشد (به عنوان مثال، دمای کریستالیزاسیون لایه نازک NiTi با درصد مساوی از نیکل و تیتانیم Cْ ۴۷۲ و در لایه NiTiHf با ترکیب %at7/28=HF برابر Cْ۵۱۹

اندازه‌گیری شد). بنابراین آنیلینگ لایه‌های نازک NiTi در دمای Cْ۵۰۰ و لایه‌های NiTiHF به دلیل دمای کریستالیزاسیون بالاتر، در دمای Cْ۵۵۰ به مدت یک ساعت انجام پذیرفت. مشخصه‌یابی لایه‌های نشانده شده توسط روش‌های XRD بر اساس تابعی از دما، DSC و اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی نشان داد که دماهای تغییر فاز تابعی از ترکیب لایه می‌باشند.

در لایه‌های نازک NiTi این دماها وابسته به نسبت Ni/Ti بوده به طوریکه در لایه‌های غنی از نیکل دماهای  تغییر فاز در زیر دمای اتاق رخ داده در حالیکه در لایه‌های غنی از تیتانیم و ترکیب مساوی از نیکل و تیتانیم بالاتر از دمای اتاق و پایین‌تر از Cْ۱۰۰ گزارش می‌شود. نتایج مشخصه یابی لایه‌های هوشمند  NiTiHf نیز نشان داد که با جایگزین کردن Hf به جای Ti در سیستم دوتایی NiTi به میزان at%10 دمای تغییر فاز به بالاتر از Cْ۱۰۰ رسیده و در at%4/24 دمای Ap (دمای پیک آستنیتی) به Cْ ۴۱۴

افزایش می‌یابد. همچین فاز R در ترکیبات مختلف از ۱۵ at%=Hf مشاهده گردید. تأثیر ترکیب شیمیایی لایه‌های نازک بر ساختار، مورفولوژی سطح، دماهای تغییر فاز و رفتار مکانیکی لایه‌ها نیز مورد بررسی قرار گرفت.

نتایج نشان داد که این خواص وابستگی شدیدی به انحراف ترکیب به میزان کم را دارند. اثر انحراف ترکیب از مقدار نسبت مساوی نیکل و تیتانیم باعث ایجاد رسوباتی از نوع Ni4Ti3 در لایه‌های غنی از نیکل و  Ti2Ni در لایه‌های غنی از تیتانیم شده از وجود آنها، دماهای تغییر فاز را جابجا می‌کند. نتایج حاصل از  مشاهدات AFM نشان از نانو ساختار سطحی لایه‌ها را داشت. لایه‌های نازک آلیاژ NiTi و NiTiHf به ترتیب با اندازه دانه کمتر از nm50 و nm100 دارای خواص حافظه داری و سوپر الاستیسیته مطلوب و

قابل مقایسه با حالت کپه‌ای همان آلیاژها می‌باشند. اندازه دانه‌ها و مطالعه فازهای مختلف با TEM نیز مورد بررسی قرار گرفت که نشان از نانوساختار بودن لایه‌ها را داشت.

خواص مکانیکی لایه‌های نازک که توسط روش نانوسختی سنجی در دمای اتاق انجام پذیرفت در عمق‌های فرورونده کمتر از nm200 در لایه‌های غنی از نیکل خاصیت سوپرالاستیسیته و در لایه‌های غنی از تیتانیم و درصد مساوی از نیکل و تیتانیم تغییر فرم مارتنزیتی را نشان داد. مدل‌های تغییر فرم در زیر ماده فرورونده در دو حالت ذکر شده بررسی شده است. همچنین مدل یانگ و سختی لایه‌ها بر حسب تابعی از  عمق فرورونده مورد مطالعه قرار گرفتند. در پایان، با توجه به نتایج به دست آمده، روش لایه نشانی پیشنهادی از تارگت‌های مجزا می‌تواند روشی مناسب در کنترل ترکیب لایه بوده و نیازی به تولید آلیاژهای مختلف NiTi برای ساخت تارگت‌های آلیاژی نیست. این روش برای ساخت لایه‌های نازک حافظه دار دوتایی و سه تایی در ساخت سیستم‌های MEMS و BioMEMS پیشنهاد می‌شود .

همچنین آلیاژ نایتینول ماده ای هوشمند است؛ زیرا با داشتن امکان تشخیص و قابلیت بازگشت به شکل مشخص،امکان اقدام خودکار در شرایط ضروری را دارا می باشد. ساختار این ماده در دمای پاییــن، مارتنزیت و در دمای بالا آستنیتی است. نایتینول ماتنزیتی نرمی فوق العاده ،تنش تسلیم پایین و شکل پذیری قابل توجهی دارد.

 

با تبدیل ساختار آلیاژ به آسنیت در اثر افزایش دما شکل قبلی آلیاژ بازیابی می شود. آستنیت استحکام تسلم بالایی داشته و بسیار سفت تر از ماتنزیت است.برای استحاله آستنیت به مارتنزیت یا بالعکـس درجه حرارت شروع و پایان استحاله باید تعیین شود.مقدار این دما با توجه به نوع کاربرد مهم می باشد.   چگونگی ساخت، عملیات حرارتی، کار سرد و ترکیب شیمیایی تـاًثیرات بسزایی بر خواص آلیاژ و ساختار میکروسکوپی دارند.

 

کاربردهای آلیاژ حافظه دار

آلیاژهای حافظه دار کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارند ؛ از جمله این کاربردها، کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی، هواوفضا، صنایع خودروسازی، صنایع الکترونی و بعضی کاربرد های دیگر می باشد. مواد حافظه دار عملکردهای ویژه و بدیعی از خود به نمایش می گذارند که از آن جمله حس گرایی(که شامل سه بخش حرارتی یا میدان می شود) به کار انداز ضربه بالا ، میرایی بالا، پاسخ های انطباقی، قابلیت حافظه داری و سوپرالاستیسیته میباشند که قابل استفاده در وسایل مختلف مهندسی جهت سیستمهای هوشمند است. کاربردهای آلیاژهای حافظه دار در مقاله ای فنی و مهندسی به چهاردسته تقسیم می شوند:

 

۱- بازیابی آزاد                                  ۲- بازیابی مقید

۳- محرکها                                       ۴- تغییر شکل سوپر الاستیک

همچنین این آلیاژها ها برای مواردی از قبیل فعّال کننده (محرک بازوی عامل مکانیسم) ویا در پاسخگویی

به حرارت ویا  میدان مغناطیسی مفید هستند .

 

کاربرد در صنایع خودروسازی

امروزه آلیاژهای حافظه دار جهت کنترل موتور، انتقال قدرت وتوقّف اتومبیل استفاده می شودهمچنین از آن به عنوان جا یگزینی به جای موتور  DC استفاده می شودکه درهرچه سبکترکردن سیستم تحریک، حذف گیربکس وکلاچ کمک بسیارزیادی می کندودرلغایت تمام این مذایاباعث افزایش اعتماد به نفس راننده وبالا رفتن ضریب اطمینان براثر کنترل دقیق اتومبیل خواهد شد.

 

کاربرد در پزشکی

کاربرد آلیاژهای حافظه دار به عنوان سیستم تحریک روز به روز بیشتر می شود.از جمله استفاده آلیاژهای حافظه دار در پزشکی را می توان در ساخت پلاکها و ایمپلنت های پزشکی نام برد .

کاربرد پزشکی آلیاژ های حافظه دار به عنوان یک عملگر با اثر باقیمانده در داخل بدن قابل بررسی است آلیاژی که در بدن افراد برای بهبود رفتار بالینی اعضای آنها بکار گرفته شده است نباید مولد هیچ گونه حساسیتی باشد علاوه بر آن آلیاژ بکارگرفته شده نباید به صورت ذراتی از یون آن ماده وارد خون شخص گیرنده این گونه آلیاژها شود.
جنبه های متعددی شامل شاخص های مزاجی افراد همچون سن ، قوای بدن و سلامتی و خصوصیات شیمیایی مواد همانند خوردگی ، تخلخل پذیری سطح ، تأثیرات سمی و عناصر موجود در مواد به منظور پذیرش مواد مذکور در بدن افراد باید مورد بررسی قرار گیرند.

تحقیقات متعددی در مورد تولید و بکارگیری آلیاژهای حافظه دار با کاربرد پزشکی با پایه عنصری Ni-Ti انجام پذیرفته است . این تحقیقات نشان می دهد که آلیاژNi-Ti در کاربرد و استفاده، نسبت به بقیه آلیاژها از موقعیت خوبی برخوردار است.
تحلیل خواص آلیاژ Ni-Ti با بررسی خواص جداگانه نیکل و تیتانیم امکان پذیر است .

نیکل رنگ سفید نقره ای براق دارد و فلزی است سمی ، شکننده که از قابلیت پولیش خوبی برخوردار است این فلز جز ء فلزات غیر آهنی سنگین با جرم مخصوص Kg/dm3  ۹/۸ و نقطه ذوب ۱۴۵۵ می باشد و در مقابل خوردگی بسیار مقاوم بوده و به  سیله آهن ربا جذب می شود. همچنین در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبی نشان می دهد موارد استفاده آن شامل پوشش محافظ در آبکاری فلزات ، تولید فولادهای آلیاژی و غیره می باشد.

تیتانیم فلزی است نقره فام مایل به خاکستری و جزء فلزات غیر آهنی سبک است و جرم مخصوص آنKg/dm 3 5/4 و نقطه ذوب آن ۱۶۷۰ می باشد. مقاومت در مقابل خوردگی و سایش و استحکام زیاد آن موجب کاربرد در ساخت قطعات هواپیما ، سفینه فضایی ، لوازم نظامی و جراحی شده است. آلیاژهای تیتانیم دار فلز اصلی ساختمان هواپیمای مافوق صوت را تشکیل می دهد . تیتانیوم بر خلاف نیکل در پزشکی بسیار مؤثر عمل می کند ، علاوه بر این با توجه به خواص بسیار خوب مکانیکی برای اصلاح دندان های کج و همچنین ترمیم استخوان های آسیب دیده کاربرد فراوان دارد.
بررسی تحقیقات خواص بالینی آلیاژ   Ni-Ti چگونگی کنترل مقاومت در مقابل خوردگی و عوامل خارجی مؤثر بر این آلیاژ را نشان می دهد.

 

موارد استفاده پزشکی از آلیاژ Ni-Ti:

 الف) کاربردهای مربوط به قلب و عروق:

فیلتر سیمون برای جلوگیری از انسداد جریان خون در  رگ ها می باشد.

Untitled

 

ب) کاربردهای ارتوپدی
از آلیاژهای حافظه دار (SMA) به عنوان فضا گیر یا spacer بین مهره های ستون فقرات در حین عمل جراحی استفاده می شود که موجب استحکام ما بین دو مهره در حین بهبودی بعد از تغییر شکل ایجاد شده در جراحی اسکولیدز می شود .در شکل ۱۳B- سمت چپ مهره تغییر شکل یافته در فاز مارتنزیتی است که پس از جایگزینی در محل مورد نظر به حا لت سمت راستی (شکل اولیه ) بر می گردد.

Untitled

 

شناخت این گونه آلیاژها

برای شناخت ترمودینامیکی ومکانیکی آلیاژ های حافظه دارTI_ NI آزمایشاتی از قبیل اندازه گیری مقدار گرما برای انتقال فاز ؛ مقدار کرنش قابل بازیافت ، عمر و ضریب میرایی آلیاژ باید انجام پذیرد . برای مطالعه بر روی این آلیاژها و ارائه ترکیب آلیاژهای جدید و ساخت این گونه آلیاژها آزمایشات مختلف از جمله ذوب، بررسی فرآیند انجماد، انجام عملیات نورد، انجام عملیات حرارتی وتستهای متالوگرافی انجام می گیرد.

 

  اثر حافظه دار یک طرفه و دو طرفه:

الف )اثر حافظه دار یک طرفه :

در صورتیکه اثر حافظه داری فقط بعد از تغییر شکل در حالت مارتنزیتی و سپس در سیکل گرم کردن مشاهده شود به آن اثر حافظه یک طرفه گفته می شود. این بدان معـنی است که در این حالت تغییر شکل ایجاد شده ، فقط با گرم کردن به حالت اولیه قبل از تغییر شکل باز می گردد و چنانچه جسم را دوباره سرد کنیم تغییری در شکل آن حاصل نمی شود این خصوصیت در شکل شماره ۷ نمایش داده شده است.

Untitled

 

همانطور که در تصویر مشاهده می شود ابتدا فنر در دمای   Mf به مقدار معینی تغییر فرم داده می شود به صورتیکه تغییر فرم دائمی در آن باقی بماند حال اگر فنر تغییر فرم داده شده را تا دمای Af حرارت دهیم مجدداً به شکل اولیه خود بر می گردد و در سیکل سرد شدن تا دمای   Mf هیچگونه تغییر شکلی در فنـــر مشاهده نمی شود.
ب)اثر حافظه دار دو طرفه :

برگشت پذیری به حالت اولیه خود در اثر سرد و گرم کردن آلیاژ های حافظه دار دو طرفه در بازه معینی از دما امکان پذیر است . در شکل ۸ یک فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به صورت باز شده در حالت آستینی و شکل جمع شده در حالت مارتنزیتی نشان داده شده است.

Untitled

 

همانطور که مشاهده می شود اگر فنر گرم شود باز شده و در سیکل سرد شدن مجدداً به شکل جمع شده در می آید.

باید توجه داشت که آلیاژ های حافظه دار برای اینکه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان دهند نیاز به انجام عملیات ترمومکانیکی خاصی بر روی آنها می باشد.

 

تاثیر ناخالصی های گازی بر ساختار میکروسکوپی و سختی آلیاژ حافظه  دار نایتینول:

آلیاژ نایتینول از دو عنصر نیکل و تیتانیم با درصد اتمی مساوی یا نزدیک به هم درست شده است. این آلیاژ به سبب داشتن خواص منحصر به فردی هم چون حافظه داری، زیست سازگاری، نرمی و سفتی انتخابی مورد توجه مهندسین صنایع جدید و متخصصین رشته های پزشکی و بیو مواد قرار گرفته است. لازمه تولید آلیاژ نایتینول به خواص مطلوب، دقت درانتخاب ماده اولیه و بهینه سازی فرایند ساخت است. به هم خوردن ترکیب شیمیایی و یا جذب ناخالصی از محیط، تاثیرات عمده ای بر خواص آلیاژ می گذارند. این مقاله به تاثیر تغییر ترکیب شیمیایی و نفوذ ناخالص های گازی بر خواص آلیاژ پرداخته و اهمیت این تاثیرات هنگام به کارگیری آلیاژ مورد بحث قرار داده است.

در نتیجه معلوم شده که حضور گازهایی همچون نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن و آرگن در هنگام ذوب آلیاژ سبب افزایش سختی، کاهش کارپذیری و تغییر ویژگی های حافظه داری آلیاژ می گردد. تصاویر میکروسکوپی آموزنده ای از مورفولوژی رسوبات حاصل از ترکیب شدن گازها با آلیاژ نیز در مقاله ارائه شده اند.

 

نتیجه گیری:

۱-تغییر حالت مارتنزیتی به طریقه دوم تغییر حالت متالورژیکی جامدات مربوط بوده و در آن تغییر آرایش اتمی بدون هیچ وابستگی به زمان و تغییری در ترکیب شیمیایی فاز جدید، به صورت هماهنگ و وابسته به دما انجام می گیرد.
۲-رفتار حافظه دار شدن با تغییر مکان به صورت شبه برشی امکان پذیر می باشد که در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهی جابجا می شوند.

۳-مکانیزم دوقلویی در برش ناهمگن توجیه کننده چگونگی حافظه دار شدن آلیاژنمونه بدون تغییر درحجم نمونه اولیه است.

۴- در رفتار ارتجاعی کاذب، آلیا‍ژ خاصیت کشسانی نامحدودی پیدا می کند.

۵-اثر حافظه داری به دو صورت یک طرفه و دو طرفه در آلیاژهای حافظه دار قابل بررسی است.

۶- آلیاژهای حافظه دار به دو روش ۱-روش ذوب و ریخته گری ۲- متالورژی پودر ساخته می شوند.

۷-آلیاژهای NiTi به دلیل داشتن ویژگی هایی همچون مقاومت در مقابل خوردگی ،سازگاری زیستی بالا،

قابلیت تولید در اندازه های خیلی کوچک ، خاصیت ارتجاعی بالا و تولید نیرو در تجهیزات مهندسی پزشکی کاربرد فراوان دارند. و همچنین وجود ناخالصی های گازی در ساختار نایتینول منجر به تغییر خواص و از جمله افزایش سختی می شود.میزان سختی به ترتیب حضور توسط گازهای هیدروژن آرگون نیتروژن و اکسیژن افزایش می یابد.مطالعه  تصاویر میکروسکوپی نشان می دهد که جزایر ابری شکل و ماری شکل معرف حضور اکسیژن میباشند.ناخالصی های نیتریدی نیز به شکل صلیبی و دندریتی در ساختار میکروسکوپی حضور می یابند. از آنجا که هیدروژن دارای نشانه خاصی نیست لذا گاهی با مارتنزیت اشتباه گرفته می شود. با توجه به تأثیر عناصر ناخا لصی موجود در محیط  ذوب به ویژه گازهای اتمسفری بهترین روش برای ساخت آلیاژ نایتینول استفاده از کوره القایی با فرکانس بالا تحت خلأ است.اگر چه ورود کربن به داخل آلیاژ نامطلوب است اما به لحاظ سهولت بهره برداری و هزینه پایین استفاده از بوته گرافیتی و قالب مسی با خلوص بالا یا فولاد زنگ نزن برای استفاده درفرایند ذوب

ریخته گری  وعملیات میانی مانند نگهداری جا بجایی و انجماد فلز مناسب می باشند. برای پی بردن به نوع ناخالصی های جذب شده توسط الیاژ اندازه گیری سختی و مشاهده تصاویر میکروسکوپی آلیاژ کاملأ راه گشا خواهد بود.

 

در پایان :

به دلیل عدم آشنایی صنعت با تکنولوژی آلیاژهای حافظه دار استفاده از این محرک هنوز به رشد لازم نرسیده است. اما مراکزعلمی جهت فهم مکانیزم وخواص این گونه محرک ها در حال انجام تحقیقات گسترده ای هستند که ژاپن پیشرودراین زمینه می باشد وتاکنون بیش از ۱۰۰مقاله درباره این گونه آلیاژها ارائه کرده است.

 

منابع:

www.felezat.com

www.shef.ir

www.nnoble.com

www.iran.ac.ir

و وبلاگ تخصصی مهندسی صنایع و مهندسی مکانیک ایران

  • مجله مهندسی متالوژی
درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.