آلیاژهای حافظه دار

2 آلیاژهای حافظه دار 1

  1. آلیاژهای حافظه دار

  2. مقاله آلیاژحافظه دار

  3. مقاله آلیاژحافظه دار (۲)

3

  1. آلیاژهای حافظه دار

  2. آلیاژهای حافظه دار(SMA)

آلیاژ حافظه‌دار(Shape Memory Alloy) :

به آلیاژهایی گفته می‌شود که خواص ترمومکانیکی قدرتمندی همراه با تغییر ناگهانی در ساختار شبکه خود از طریق استحاله مارتنزیتیفعال‌شده توسط تنشیا دما نشان می‌دهند.

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

  • حافظه داری یک طرفه
  • حافظه داری دو طرفه

میباشد. تصویر شماتیک این دو اثر را در شکل زیر ملاحظه میفرمایید :

1یکی دیگر از خواص این آلیاژ سوپر الاستیسیتهمیباشد 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.

سیستم‌های معمول :

تاکنون خواص حافظه‌داری در چند سیستم آلیاژی دیده شده است اما اکثر آنها هنگام فعالسازی نیرو یا کرنشبالایی ایجاد نمی‌کنند. دو سیستم آلیاژ حافظه‌دار عمده که هنگام فعالسازی توانایی ایجاد نیروی بالایی در آنها مشاهده شده‌است، عبارتند از سیستم‌های بر پایه مس (مثلاً ‎Cu-Sn، Cu-Zn، Cu-Al‎) و سیستم‌های بر پایه ‎ Ni-Ti‎(مثلاً نایتینول). خواص حافظه‌داری سیستم‌های سه‌تایی بسیاری بر پایه این سیستم‌های دوتایی بررسی شده است.

کاربردها :

یکی از اولین کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار در مقیاس انبوه، استفاده در اتصالات لوله‌های هیدرولیک  اف ۱۴ بود. اما پزشکی اولین زمینه‌ای است که آلیاژهای حافظه‌دار در آن کاربردهای زیادی یافتند. علت این امر مناسب بودن دمای بدن برای عملکرد آلیاژهای حافظه‌دار در ناحیه شبه‌الاستیک است. کاربردهای پزشکی آلیاژهای حافظه‌دار شامل استنت‌ها ، فیلترها، سیم‌های هادی آنژیوپلاستی و گیره‌ها هستند.

تاریخچه‌ی آلیاژهای حافظه‌دار   

با گذشت زمان، علم و فناوری، تأثیر زیادی از مواد پیشرفته و جدید پذیرفته و در آینده نیز، بیش از پیش، تأثیر خواهد پذیرفت. در این میان، آلیاژهای حافظه‌دار، جایگاه ویژه‌ای را به ‌خود اختصاص داده‌اند. این دسته از مواد، با قابلیت‌های بی‌نطیری که تاکنون از خود بروز داده‌اند، فصل جدیدی را در فناوری پیشرفته و روز دنیا گشوده‌اند.
اولین مشاهدات ثبت‌شده در مورد پدیده‌ی حافظه‌داری به سال ۱۹۳۲ میلادی و در مورد آلیاژ Au-Cu بر می‌گردد. درسال ،Cu-Zn درآلیاژ،۱۹۳۸پیدایشوپسازآن، از بین‌رفتنیکفاز معیندراثرکاهشوافزایشدما، گزارش شد. در نهایت، پایه و اساس رفتار حافظه‌داری و ترموالاستیک (کشسانی حرارتی) بین سال‌های ۱۹۴۹ تا ۱۹۵۱ تشریح و تفسیر گردید. از آن زمان به بعد، این آلیاژها، به‌مرور، کاربردهای فراوانی یافتند، تا این‌که امروزه، ردپای این آلیاژها را در صنایع هوافضا تا صنایع پزشکی، خودروسازی و روباتیک، به‌وضوح می‌توان مشاهده‌نمود. در شکل زیر، می توانید نظاره‌گر دو نمونه از کاربرد‌های آلیاژهای حافظه‌دار باشید.

12۱ : استنت، نمونه‌ای از کاربرد آلیاژهای حافظه‌دار در علم پزشکی؛ ۲ : ربات ۶۰ میلی‌گرمی پرنده، نمونه‌ای از کاربرد آلیاژهای حافظه‌دار در علم روباتیک.

بررسی رفتار آلیاژهای حافظه‌دار

آلیاژهای حافظه‌دار به دسته‌ای از آلیاژها گفته می‌شود که قادرند تغییر شکل و کرنش‌های دائمی که بر آن‌ها اعمال می‌شود را بازیابی نموده و در نهایت، به‌شکل اولیه‌ی خود، بازگردند.

رفتارآلیاژهای حافظه‌دار، براساس یک دگرگونی فازی و تغییرساختاربلوری رخ می‌دهد که درآن، آلیاژ،از یک ساختار مستحکم و پایدار در دمای  بالاتر (آستنیت)، به یک ساختار تغییر فرم‌ پذیر پایدار در دما یپایین‌ تر (مارتنزیت)، تبدیل می‌گردد. به‌ طورخاصه، خاصیت حافظه‌داری، به‌صورت استاندارد، به پدیده‌ای گفته‌می‌شود که در آن، یک آلیاژ را در دمای پایین، تغییر شکل داده و این آلیاژ تغییرشکل‌یافته را به‌منظور تغییر فاز و رساندن آن به فاز مادر (فاز آستنیت) و متعاقباً، به‌شکل اولیه، حرارت داده و آن را به همان شکل قبل از تغییر شکل باز، می گردانند.

بر این اساس، خاصیت حافظه‌داری، به دو دسته‌ی عمده تقسیم می‌شود:

در دسته‌ی اول، تغییرشکل ایجادشده، فقط با گرم‌کردن به حالت اولیه‌ی قبل از تغییرشکل باز می‌گردد و اگر جسم را دوباره سرد کنیم، تغییر جدیدی در شکل آن مشاهده نمی‌شود که این پدیده را «حافظه‌داری یک‌طرفه» نامیده‌اند. در آلیاژهایی که دارای این ویژگی می‌باشند، هدف، بازیابی شکل اولیه‌ی نمونه‌ای است که تحت بارگذاری مکانیکی قرار گرفته و تغییرشکل داده‌است.

دسته‌ی دوم از این آلیاژها، پدیده‌ی «حافظه‌داری دوطرفه» را از خود بروز می‌دهند. این آلیاژها قادرند با سرد و گرم‌شدن در محدوده‌ی معینی از دما، دوباره به‌حالت قبلی خود بازگردند؛ یعنی، در دو طرف محدوده‌ی تغییر دما، شکل مشخصی از خود به نمایش می‌گذارند. آلیاژهایی که در این گروه هستند، کاربردی متفاوت دارند؛ بدین‌گونه در این نوع کاربرد، نیازی به اعمال نیرو نمی‌باشد و فقط با فراهم‌کردن شرایط دمایی معین، در دو سر بازه‌ی دمایی تعریف‌شده برای آلیاژ حافظه‌دار دوطرفه، می‌توان به شکل معین و ازپیش‌تعیین‌شده‌ای برای این دسته از آلیاژها رسید. با اصلاح میکروساختار آلیاژهای حافظه‌دار دوطرفه، می‌توان به خواص پایدارتری رسید. به‌طور مثال، تربیت آلیاژهای حافظه‌داری که دارای استحکام بالاتری می‌باشند (دانه‌های ریزتر) به‌منظور رسیدن به خاصیت حافظه‌داری دوطرفه، کار دشوارتری می‌باشد.

مقایسه‌ی گروه‌هایی از آلیاژهای حافظه‌دار

از میان آلیاژهایی که رفتار حافظه‌داری را بروز می‌دهند، آلیاژهای پایه‌ی Ti-Ni، برای کاربردهای فناورانه، به‌دفعات مورد استفاده واقع شده‌اند. با این حال، در کاربردهایی، از آلیاژهای پایه‌ی مس بهره گرفته و اخیراً نیز، آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌یFe-Mn-Si ، برای کاربردهای صنعتی به‌کار گرفته‌شده‌اند. بدون شک، آلیاژهای پایه‌ی ‌Ti-Ni، با وجود اثر حافظه‌داری مطلوبی که از خود نشان می‌دهند، هزینه‌ی بالای آن‌ها،از به‌کارگیری بسیار زیاد آن برای استفاده‌های عملی، جلوگیری می‌کند.

در این میان، آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی آهن، عموماً ارزان‌تر هستند و در دهه‌ی گذشته، به‌عنوان یک گزینه برای جانشین‌شدن به‌جای آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌یTi-Ni ، توجه زیادی را به‌خود جلب کرده‌اند. به‌طور کلی، آلیاژهای پایه‌ی آهن، دارای ۴ خصوصیت مهم ذیل هستند:

  1.  قیمت پایین
  2. کار پذیری خوب
  3. ماشینکاری خوب
  4. جوش پذیری خوب

نایتینول
همان‌ طور که  گفته‌ شد، یکی از آلیاژهایی که امروزه در میان گروه‌های مختلف آلیاژهای حافظه‌دار، نظیر آلیاژهای حافظه دار پایه‌ی مس و پایه‌ی آهن، در صنایع مختلف، کاربردهای فراوانی یافته، «نایتینول» است.                                     دردهه‌ی،۱۹۶۰   بهلر و همکارانش، در آزمایش‌های خود، ویژگی حافظه‌داری را در آلیاژ نیکل-تیتانیوم بانسبت اتمی معادل، کشف نمودند.  دلیل انتخاب این اسم (Nitinol) برای آلیاژ حافظه‌دار نیکل- تیتانیوم (Nickel-Titanium)، آن بود که این آلیاژ، برای اولین بار، در آزمایشگاهی به‌ نام (Naval Ordance Laboratory) شناسایی شد. نایتینول، به‌دلیل ویژگی‌های مطلوبی که از خود به‌معرض نمایش گذاشت، به‌زودی کاربردهای خاص خود را در علم پزشکی پیدا کرد. همان‌گونه که از «شکل ۳» مشخص است، نایتینول، رفتار مکانیکی بسیار مشابهی با اعضای بدن از خود نشان می‌دهد.

13«شکل ۳»

استنت‌هایی که به‌وسیله‌ی فولادهای زنگ‌نزن و یا آلیاژهای پایه‌ی کبالت، به‌طور رایج، مورد استفاده قرار می‌گیرند، تنها قادرند در حدود ۱% از کرنشی که توسط نیرو به آن‌ها اعمال شده‌است را بازیابی کنند؛ در صورتی‌که این مقدار، در مقایسه با کرنشی که مواد طبیعی (استخوان، تاندون و…) قادر به بازیابی آن هستند (در حدود ۱۰%)، ناچیز است. با مقایسه‌ی این اعداد و شکل شماره‌ی ۳، می‌توان دلیل افزایش کاربرد نایتینول را در علم پزشکی دریافت.

14شکل ۴: کاربرد آلیاژهای حافظه‌دار در پزشکی، به‌عنوان استنت

آلیاژهای حافظه دار پایه مس :

گروهی دیگر از آلیاژهای حافظه‌دار، آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس هستند. آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس، از جمله آلیاژهای حافظه‌دار تجاری متداول می‌باشند. این آلیاژها، باتوجه به خواص منحصربه‌فرد خود، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله مزایای آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس، می‌توان به دمای کاری بالا، قیمت پایین‌تر و راحت‌تر بودن فرآیند تولید در مقایسه با آلیاژهای حافظه‌دار نایتانول اشاره کرد. مهم‌ترین کاربرد آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس، در حسگرها و محرک‌ها می‌باشد.

15«شکل ۵»

از میان آلیاژهای حافظه‌دار تجاری پایه‌ی مس، آلیاژ Cu-Al-Ni، یکی از پرکاربردترین آن‌ها است. از این رو، شناخت و توسعه‌ی روش‌های تولید این آلیاژ که از لحاظ اقتصادی به‌صرفه بوده و خواص مطلوبی ایجاد نمایند، ضروری به‌نظر می‌رسد. یکی از چالش‌های اصلی پیش پای آلیاژهای حافظه‌دار، به‌خصوص آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس، مشکل‌بودن روش تولید آن‌هاست. حجم کم سرمایه‌گذاری، دسترسی به آلیاژ همگن، کاهش مصرف انرژی، ساخت قطعه با کمترین هزینه، سرعت بالای تولید و به‌حداقل‌رساندن آلودگی، متغیرهای تعیین‌کننده‌ای هستند که روی انتخاب روش تولید این آلیاژها اثر می‌گذارند.

مقایسه برخی روش های تولید آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس :

به‌طور کلی، دو روش برای تولید آلیاژ‌های حافظه‌دار پایه‌ی مس، متداول‌تر هستند: روش ریخته‌گری و روش متالورژی پودر. در روش ریخته‌گری، به‌دلیل حساسیت بالای این آلیاژها به تردی در اثر درشت‌شدن دانه‌ها در فرآیندهای ریخته‌گری متداول و به‌وجود آمدن رسوبات ترد، کنترل ترکیب شیمیایی، از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است. درشت‌شدن دانه‌ها و به‌وجود آمدن رسوبات، مهم‌ترین مشکلات تولید به‌روش ریخته‌گری است که می‌توانند باعث کاهش خواص حافظه‌داری، خواص مکانیکی و خصوصاً افت شدید داکتیلیته گردند. هرچند که ریخته‌گری این دسته از آلیاژها، مزایایی مانند کاهش هزینه‌ها و قابلیت تولید قطعاتی با شکل‌های پیچیده‌تر را دارد، اما معایب روش ریخته‌گری، باعث مورد توجه قرارگرفتن روش‌هایی مانند روش ریخته‌گری چرخشی و یا استفاده از متالورژی پودر در سال‌های اخیر شده‌است.

کاربردهای مختلف آلیاژهای حافظه‌دار :

در این قسمت، به کاربردهای آلیاژهای حافظه‏‌دار اشاره می‌شود که به‌طور کلی، به پنج مجموعه تقسیم‏‌بندی ‏شده‌است:

۱-    کاربردهای با بازیابی آزاد (استفاده از حرکت) :

کاربردهایی که در آن‌ها، آلیاژ حافظه‏‌دار در حین سرد و گرم‏‌شدن، آزادانه شکل اولیه‌ی خود را بازیابی می‏‌کنند، بدون آن‌که یک تنش بیرونی، از این کار ممانعت به‌عمل آورد و بنابراین، تولید یک کرنش بازیابی می‏‌کنند. برای مثال، در آنتن‏‌های سفینه‏‌های فضایی که پس از قرارگرفتن سفینه در فضا، بدون اعمال تنش بیرونی و فقط با استفاده از گرم‏‌کردن، باز می‏‌شوند.

۲-   کاربردهایی با بازیابی مقید (استفاده از نیرو) :

به کاربردهایی اطلاق می‏‌شود که در آن‌ها، نیروی خارجی، جلوی بازیابی کرنش در آلیاژ را می‏‌گیرد. اگرچه در این کاربردها، هیچ کرنشی بازیابی نمی‏‌شود، ولی مقدار زیادی تنش ایجاد می‏‌شود. از این خاصیت، در کاربردهایی مانند چفت‏‌ها و بست‏‌ها و کوپلینگ‏‌های لوله استفاده می‏‌شود. این کاربرد، وسیع‏‌ترین کاربرد برای این آلیاژ را شامل می‏‌شود.

۳-  کاربردهای با بازیابی تحت فشار (استفاده از کار) :

به کاربردهایی اطلاق می‏‌شود که در آن‌ها، هم تنش و هم کرنش در حین گرم‏‌کردن بازیابی شده و کار مکانیکی ایجادشده، مورد استفاده قرار می‏‌گیرد. این خاصیت، در محرک‏‌ها مورد استفاده قرار می‏‌گیرد. این محرک‏‌ها، به دو نوع محرک‏‌های گرمایی و الکتریکی تقسیم می‏‌شوند.

16                 «شکل ۶»

در «شکل ۶»، مصداقی از کاربرد یک سیم از جنس آلیاژ حافظه‌دار را می‌توان مشاهده نمود که با تغییر دمای ناشی از مقاومت سیم در برابر جریان و بسته به شرایطی که برای سیم حافظه‌دار تعریف شده‌است، سیم در محدوده‌ی معینی، انبساط و انقباض می‌یابد.

۴-   کاربردهای ابرکشسانی (ذخیره‌ی انرژی مکانیکی) :

این کاربرد، بر اساس وجود درصد بسیار بالای کشسانی یا بازگشت فنری که در اکثر آلیاژهای Ti-Ni یافت‌می‏‌شود، بنیان نهاده‌شده‌است و باعث ذخیره‌شدن انرژی مکانیکی می‏‌شود و در کاربردهایی نظیر فنرها، مورد استفاده قرار می‏‌گیرد. اگرچه محدوده‌ی دمایی بروز این خاصیت کوچک است، ولی در همین محدوده، آلیاژ می‏‌تواند رفتار الاستیکی معادل ۱۵ برابر فولادهای فنری را از خود نشان‌دهد.

۵-   خاصیت میراکنندگی ارتعاشات :

از این خاصیت، برای مهار ارتعاشات در سازه‏‌هایی که تحت ارتعاشات شدید قرار دارند، استفاده می‏‌گردد. برای مثال، می‏‌توان به صفحات آزاد میراکننده‌ی ارتعاش در سفینه‏‌های فضایی اشاره کرد. همچنین، می‏‌توان از این آلیاژها، در پی ساختمان، برای میراکردن ارتعاشات ناشی از زلزله استفادهکرد.

پاسخ دهید