شنبه , ۱۳ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
image005

آلیاژهای حافظه دار (shape memory alloys)

آلیاژهای حافظه دار (shape memory alloys)

ارسالی از : یگانه دهقان

  • آلیاژ حافظه‌دار گروهی از آلیاژهای فلزی هستند که این توانایی را دارند که اگر آن‌ها را تا بالای دمای ویژه‌ای گرم کنیم، قادر به بازیابی شکل اولیه خود خواهند بود. که می‌توان از آن برای انجام آزمایشات سرگرم‌کننده استفاده کرد. به عنوان مثال اگر شما یک فنر فلزی معمولی را از دو طرف بکشید تا صاف شود، راهی برای بازگشت فنر به شکل اولیه وجود ندارد. در حالی که یک فنر ساخته شده از فلز حافظه‌دار می‌تواند به راحتی به فرم مارپیچ خود با حرارت دادن تا دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد (توسط آب داغ یا هوای داغ تولید شده توسط سشوار) تبدیل شود (شکل ۱). فلز حافظه‌دار را می‌توان با یک نوار لاستیکی مقایسه کرد که می-تواند به طور قابل توجهی کشیده شود بدون اینکه از شکل خارج شود. وقتی فنری از فلز حافظه‌دار ساخته می‌شود، قابلیت کشش و انبساط دارد و شبکه‌ی کریستالی قابل تغییر است بدون اینکه خراب شود. وقتی فنر تا دمای خاصی حرارت داده می‌شود، اتم‌های شبکه‌ی کریستالی مجددا نظم و ترتیب اولیه‌ی خود را به‌دست می‌آورند و فنر مارپیچ می‌شود. به عبارت دیگر فنر شکل اولیه‌ی خود را به یاد می‌آورد.

image001

شکل ۱
در سال ۱۹۶۵، اولین سری از آلیاژ فلزی از نیکل و تیتانیوم توسط ناوال اوردنانس (Naval Ordnance) ساخته شد. که این آلیاژها را نایتینول نامیدند. نام این آلیاژ، از حرف اول  Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory (Nitinol) گرفته شده‌است. این دسته از آلیاژها خواص منحصر به فردی دارند. آن‌ها شکل خود را به حافظه می‌سپارند. این خاصیت هوشمندانه ناشی از توانایی ماده در برابر تغییر فاز است.

 

 

معرفی آلیاژهای حافظه دار(shape memory alloys)

آلیاژهای حافظه دارعنوان گروهی ازموادمحرک می باشند که خواص متمایزوبرتری نسبت به سایرآلیاژهادارند.عکس العمل شدیداین موادنسبت به برخی ازپارامترهای ترمودینامیکی ومکانیکی وقابلیت بازگشت به شکل اولیه به گونه ای است که میتواندرفتارسیستم رابهبودبخشدوقتی 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 Ptو… 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 دارراکنترل می کند دررابطه باتغییرکریستالی آلیاژاست. 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.

اگردراین آلیاژهادردمای پایین،هنگامیکه 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 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 ۸ درصدی رخ دهد، با گرم کردن می توان این کرنش را کاملا از بین برد.

رفتارترمودینامیکی آلیاژهای حافظه داربه دما،تنش وترکیب شیمیایی وساختارآلیاژبستگی 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 دردماهای مختلف توسط درصدحجمی فازمارتنزیت 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 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

تاریخچه ی  آلیاژهای حافظه دار.

اولین گام‌ها به‌سوی کشف اثر حافظه‌داری شکلی در دهه ۱۹۳۰ گزارش‌شده است. به توجه به مطالب اوتسوکا و وایمن رفتار شبه الاستیک آلیاژ طلا-کادمیوم را اولاندر در سال ۱۹۳۲ کشف کرد. گرنینگر و مرادیان (۱۹۳۸) شکل‌گیری و ناپدید شدن فاز مارتنزیت در آلیاژ کادمیوم –روی را براثر افزایش و کاهش دما مشاهده کردند. اولین نمودهای اثر حافظه‌داری که تابع رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیت است به‌طور گسترده‌ای یک دهه بعد توسط کردجومو و خاندروس (۱۹۴۹) و نیز توسط چانگ و رد (۱۹۵۱) گزارش‌شده است.‎ آلیاژهای نیکل و تیتانیوم برای اولین بار در سال‌های ۱۹۶۲-۱۹۶۳ توسط بوهلر و همکارانش در آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی ایالات‌متحده توسعه‌یافته و نام تجاری نیتینول (مخفف نیکل تیتانیوم آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی) به خود گرفت. خواص قابل‌توجه این آلیاژ به‌طور تصادفی کشف شد. نمونه‌ای که چند بار خم‌شده و از شکل اصلی خود خارج‌شده بود در جلسه مدیریت آزمایشگاه ارائه شد. یکی از مدیران فنی، دکتر دیوید موزی ، تصمیم گرفت تا ببینید اگر نمونه گرم شود چه اتفاقی خواهد افتاد و فندک خود را زیر آن گرفت. در کمال شگفتی نمونه به شکل اصلی خود بازگشت‎.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 توسعه‌یافته‌اند و از اواخر دهه ۱۹۹۰ به‌صورت تجاری در دسترس هستند.

ساختارآلیاژهای حافظه دار

خاصیت حافظه داری در این آلیاژها به وسیله تغیر موقعیت فاز جامد است . که در آن چیدمان مجدد مولکولی رخ می دهد . آلیاژهای حافظه دار دارای دو فاز ثابت هستند . فاز در دمای بالا که آستنیت ( Austenite )  نامیده می شود . که ساختمان آن مکعبی بوده و به علت دارا بودن تقارن بالا محکم تر است . فاز با دمای پایین که مارتنزیت ( Martensite ) نامیده می شود ؛ که می تواند به حالت دوقلویی و غیر دوقلویی موجود باشد . شکل آن منوکلینیک بوده  و نسبت به آستنیت تقارن کمتری دارد .  فاز مارتنزیت از نوع فاز ترموالاستیک بوده که دو خصوصیت لغزنده بودن و انرژی کم فصل مشترک را دارا است . که با تغییر کوچک دما و تنش تغییر می کند. بمحض سرد کردن آلیاژ در نبود بارگذاری  تغییر فاز از آستنیت  به مارتنزیت صورت می پذیرد که نتیجه این تغییر فاز قابل مشاهده ماکروسکپیک نیست . بمحض گرم کردن ماده در فاز مارتنزیت ، برگشت فاز اتفاق می افتد . در نمودار تغییر فاز چهار نقطه اختصاصی مشخص شده است ؛ دمای آغاز مارتنزیت (M0s) که در آن دما بسته های مارتنزیت شروع به بزرگ شدن می کنند. دمای پایان مارتنزیت (M0f) که در این دما تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت  به طور کامل صورت گرفته است و ما مارتنزیت داریم. دمای شروع آستنیت (Aos) که دمای شروع تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت است ؛ و دمای پایان آستنیت (Aof) که در آن تغییر فاز مارتنزیت به آستنیت کامل شده است.

اگر بارگذاری مکانیکی روی آلیاژ در فاز مارتنزیت دوقلویی انجام شود ، مارتنزیت از حالت دوقلویی خارج شده  و تغییر شکل می دهد . به محض برداشتن بار ، مارتنزیت به همان حالت باقی می ماند .  با گرم کردن آلیاژ بالا تر از دمای (Aof) فاز  مارتنزیت به آستنیت تغییر می یابد .  در نتیجه این تغییر فاز ، آلیاژ شکل اولیه خود را باز می یابد . آنچه در اینجا شرح داده شد به عنوان Shape Memory Effect شناخته می شود . اگر بارگذاری در فاز آستنیت انجام شود و ماده سرد شود ، تغییر فاز آستنیت به مارتنزیت دوقلویی نشده مشاهده می شود .  که نتیجه آن یک کرنش ( در حدود ۵-۸ % ) است .  ولی با گرمای مجدد و تغییر فاز معکوس ، آلیاژ به شکل قبلی خود باز می گردد . چهار نقطه اختصاصی که در نمودار تغییر فاز – دما موجود هستند به عنوان دمای انتقال شناخته می شوند . این نقاط وابسته به شدت بارگذاری بوده و یک رابطه خطی بین دمای انتقال و شدت بارگذاری موجود است . ما همچنین می توانیم تغییر فاز در آلیاژ را فقط با بارگذاری مکانیکی ایجاد کنیم که نتیجه این عمل مارتنزیت دوقلویی نشده به همراه مقدار زیادی کرنش است . حال اگر دمای آلیژ بالای (Aof) باشد ؛ به محض عدم بارگذاری ، آلیاژ به شکل اول خود باز می گردد. بنابر این رفتار ماده به نوعی الاستیک خواهد بود . از این خاصیت به عنوان Pseudoelastic Behavior نام برده می شود

خواص آلیاژهای حافظه دار

الیاژ حافظه دار خواص متاوتی دارند. دو خاصیت معمول در این آلیاژها:

۱٫حافظه داری یک طرفه

۲٫حافظه داری دوطرفه

میباشد.تصویر شماتیک این دواثررادرشکل زیر ملاحظه میفرمایید.

image002

 

یکی دیگرازخواص این آلیاژسوپرالاستیته می باشد که آلیاژبه محض باربرداری به شکل اولیه اش بازمیگردد.بنابراین دراین حالت برای رسیدن به شکل اولیه نیازی به اعمال حرارت نمی باشد.

به عبارت دیگرآلیاژهای حافظه دارآلیاژهایی هستندکه دومشخصه بی همتاازخودنشان می دهند.

۱٫٫shape memory effect(رفتارحافظه ای)

  1. Pseudoelastic Behavior ( رفتار شبه الاستیک )

ویژگی های دیگر این آلیاژها عبارت است از : مقاومت به خوردگی بالا ، مقاومت ویژه الکتریکی نسبتا بالا، خواص مکانیکی نسبتا خوب ، خستگی طولانی ، شکل پذیری بالا و قابلیت انطباق با بدن .

کاربرد آلیاژهای حافظه دار

۱٫استخوان‌های شکسته می‌توانند با آلیاژهای حافظه‌دار بهبود پیدا کنند. ورق آلیاژ دارای حافظه‌ی انتقال دما است که نزدیک به دمای بدن است و به هر دو سر استخوان شکسته متصل می‌شود. بر اثر حرارت بدن، ورق تمایل دارد تا منقبض شود تا شکل اولیه‌ی خود را حفظ کند. بنابراین یک نیروی تراکمی را به استخوان شکسته در قسمت ترک یا شکستگی اعمال می‌کند. بعد از اینکه استخوان شکسته التیام می‌یابد، ورق‌های حافظه‌دار به طور مداوم با اعمال نیروی فشرده سازی باعث تقویت استخوان‌ها در مدت توانبخشی می‌شوند. آلیاژهای حافظه‌دار همچنین به جای مفصل ران هم کاربرد دارند که ناشی از قابلیت ارتجاعی بسیار بالای (سوپرالاستیسیته) آن است.

image005

  1. در گرفتگی رگ‌های خونی، یک نوع لوله از جنس آلیاژ حافظه‌دار به صورت فشرده داخل رگ تنگ، قرار می‌گیرد، فلز حافظه‌دار یک حافظه‌ی انتقال دما را نزدیک به دمای بدن دارد، بنابراین فلز حافظه‌دار منبسط می‌شود تا رگ‌های خونی را باز کند.image006
  2. استفاده از آلیاژ حافظه‌دار در ارتودنسی دندان، شکل دیگری از قابلیت‌های آن است. سیم‌های ارتودنسی از جنس Ni-Ti  وقتی در دمای ثابتی هستند شکل خود را حفظ می‌کنند، و به دلیل قابلیت سوپرالاستیسیته‌ی این فلز، سیم‌ها، شکل اولیه‌ی خود را بعد از تکرار فشار و حذف آن دوباره به‌دست می‌آورند.

image007

۴٫ انتخاب دما و کنترل سیستم دمایی آب در حمام و دوش آب، نیز یکی دیگر از کاربرد آلیاژ حافظه‌دار است. آلیاژ‌های حافظه‌دار می‌توانند برای محدود کردن جریان آب از طریق واکنش در برابر تغییرات دمایی، طراحی شوند. که این امر از سوخته شدن با آب داغ جلوگیری می‌کند. فلزات حافظه دار این امکان را نیز فراهم می‌کنند که آب، در دمای مناسب جریانش را از سر بگیرد.

image008

۵٫ خطوط و لوله‌های حامل گاز و یا سیالات سمی یا اشتعال پذیر بایستی به دلیل جلوگیری از حوادث فاجعه آفرین، به شدت کنترل شوند. بنابراین سیستم‌های کنترلی می‌توانند توسط آلیاژهای حافظه‌دار برنامه‌دار شوند تا به محض افزایش دما خاموش شوند. که این امر تا حدود زیادی می‌تواند از مشکلات احتمالی در صنایعی نظیر پتروشیمی، گاز، داروسازی و … بکاهد.

image009

۶٫ در آگهی‌های تجاری خاص، شرکت‌های سازنده‌ی عینک، نشان می‌دهند که قاب یا فریم‌های عینک می‌توانند خم و کج بشوند و مجددا به حالت اول خود بازگردند که در واقع این فریم‌های عینک از فلزات حافظه‌دار با خاصیت سوپرالاستیسیته ساخته شده‌اند.

image010

 

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

152647

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.