آلیاژهای حافظه دار به دسته ای از آلیاژها گفته می شود که قادرند تغییر شکل و کرنش های دائمی که بر آن ها اعمال می شود را بازیابی نموده و در نهایت به شکل اولیه ی خود بازگردند
آلیاژهای حافظه دار دارای دو فاز ثابت هستند . فاز در دمای بالا که آستنیت ( Austenite ) نامیده می شود و ساختمان آن مکعبی بوده و به علت دارا بودن تقارن بالا محکم تر است . فاز با دمای پایین که مارتنزیت ( Martensite ) نامیده می شود. شکل آن منوکلینیک بوده و نسبت به آستنیت تقارن کمتری دارد . فاز مارتنزیت از نوع فاز ترموالاستیک بوده و دارای دو خصوصیت لغزنده بودن و انرژی کم فصل مشترک است .
رفتارآلیاژهای حافظه دار، براساس یک دگرگونی فازی وتغییرساختاربلوری رخ می دهد که درآن،آلیاژ ازیک ساختارمستحکم وپایدار در دمای بالاتر (آستنیت)، به یک ساختارتغییرفرم پذیرپایداردردمای پایین تر (مارتنزیت)،تبدیل می گردد. ساختار مارتنزیتی در دمای پایین با افزایش دما به ساختار آستنیتی تبدیل می شود و در هنگام سرد کردن، فرآیند عکس رخ خواهد داد.
مقدمه ای برای آلیاژهای حافظه دار
آلیاژهای حافظه دار دو مشخصه بی همتا از خود نشان می دهند :
1- رفتار حافظه ای Shape Memory Effect
2- رفتار شبه الاستیک (Pseudoelastic Behavior)
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 . مهمترین کاربرد این آلیاژها در صنایع هوا فضا و صنایع پزشکی است.
در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پدیده حافظه داری شکلی توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذیری حافظه شکلی را در AuCd از طریق مطالعات فلز شناسی و تغییرات مقاومت آلیاژ ، بررسی کردند.
در سال 1956 مشاهدات و نتایج تحقیقات مربوط به تز دکترای Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلیاژCu-Zn منتشر شد. . در سال 1962 Buhler و همکارانش در آزمایشگاه نیروی دریایی ایالات متحده امریکا به بررسی پدیده حافظه داری شکلی در آلیاژ Ti-Ni که دارای اتمهای برابر می باشند پرداختند. در این هنگام تحقیق درباره متالورژی و کاربردهای عملی اولیه آن به طور جدی آغاز شد.
تاریخچه
عاملی که سبب تغییر شکل فلز و یا بازگشت به شکل اولیه آن می شوداختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. زمانی که بار اعمال می شود، فلز تغییر شکل می دهد. سپس به محض برداشته شدن بار و اعمال کمی گرما، مولکول ها به شکل ساختاری سخت در می آیند، به گونه ای که به یک ساختار با شبکه ای متفاوت مبدل می شوند
علت تغییر شکل فلز و یا بازگشت به شکل اولیه آن
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 برمی گردد
تغییر آرایش اتم ها بدون هیچگونه تغییری در ترکیب شیمیایی فاز زمینه را نشان می دهد. این تغییر آرایش منجر به ایجاد ساختار کریستالی فاز جدید و پایدار می شود. پیشرفت تغییر حالت بدون نیاز به حرکت و جابجایی اتمها به صورت مجزا ، را می توان مستقل از زمان دانست و به همین دلیل می توان وابستگی دما را به عنوان تنها عامل پیشرفت این تغییر نشان داد.
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.
بررسی بر روی تغییر حالت متالوژیکی نمونه جامد
آلیاژ های حافظه دار در درجه حرارت های مختلف دارای خصوصیات مکانیکی بسیاری می باشند.
تغییر شکل در مارتنزیت با چند در صد کرنش و تنش فشاری نسبتاً کم دیده می شود . در حالیکه آستنیت در درجه حرارت بالا نیاز به تنش نسبتا زیادی برای تغییر شکل دارد.
رفتار ترمومکانیکی:
الف )اثر حافظه دار یک طرفه
ب) اثر حافظه دار دوطرفه
اثر حافظه دار یک طرفه و دو 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.
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.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.
سیستم های بر پایه مس (مثلاً Cu-Sn، Cu-Zn، Cu-Al) و سیستم های بر پایه Ni-Ti (مثلاً نایتینول). خواص حافظه داری سیستم های سه تایی بسیاری بر پایه این سیستم های دوتایی بررسی شده است.
از مزایای آلیاژهای حافظه دار پایه ی مس، می توان به دمای کاری بالا، قیمت پایین تر و راحت تر بودن فرآیند تولید در مقایسه با آلیاژهای حافظه دار نایتینول اشاره کرد. مهم ترین کاربرد آلیاژهای حافظه دار پایه ی مس، در حسگرها و محرک هاست برخی نمونه های آلیاژ حافظه دار شامل عناصری است که در جدول معرفی شده اند.
مهم ترین مواد هوشمندحافظه دار
ساخت آلیاژهای حافظه دار
روش های اصلی ساخت آلیاژ های حافظه دار در دو گروه عمده قابل بررسی است:
قابلیت های مختلف آلیاژهای حافظه دار
قابلیت بازیابی آزاد (استفاده از حرکت) :
کاربردهایی که در آن ها، آلیاژ حافظه دار در حین سرد و گرم شدن، آزادانه شکل اولیه ی خود را بازیابی می کنند، بدون آن که یک تنش بیرونی، از این کار ممانعت به عمل آورد و بنابراین، تولید یک کرنش بازیابی می کنند. برای مثال، در آنتن های سفینه های فضایی که پس از قرارگرفتن سفینه در فضا، بدون اعمال تنش بیرونی و فقط با استفاده از گرم کردن، باز می شوند.
قابلیت بازیابی مقید (استفاده از نیرو) :
به کاربردهایی اطلاق می شود که در آن ها، نیروی خارجی، جلوی بازیابی کرنش در آلیاژ را می گیرد. اگرچه در این کاربردها، هیچ کرنشی بازیابی نمی شود، ولی مقدار زیادی تنش ایجاد می شود. از این خاصیت، در کاربردهایی مانند چفت ها و بست ها و کوپلینگ های لوله استفاده می شود. این کاربرد، وسیع ترین کاربرد برای این آلیاژ را شامل می شود.
قابلیت بازیابی تحت فشار (استفاده از کار) :
به کاربردهایی اطلاق می شود که در آن ها، هم تنش و هم کرنش در حین گرم کردن بازیابی شده و کار مکانیکی ایجادشده، مورد استفاده قرار می گیرد. این خاصیت، در محرک ها مورد استفاده قرار می گیرد. این محرک ها، به دو نوع محرک های گرمایی و الکتریکی تقسیم می شوند.
مصداقی از کاربرد یک سیم از جنس آلیاژ حافظه دار را می توان مشاهده نمود که با تغییر دمای ناشی از مقاومت سیم در برابر جریان و بسته به شرایطی که برای سیم حافظه دار تعریف شده است، سیم در محدوده ی معینی، انبساط و انقباض می یابد.
قابلیت ابرکشسانی (ذخیره ی انرژی مکانیکی) :
این کاربرد، براساس وجود درصد بسیار بالای خاصیت کشسانی یا بازگشت فنری که در اکثر آلیاژهای Ti-Ni یافت می شود، بنیان نهاده شده است و باعث ذخیره شدن انرژی مکانیکی می شود و در کاربردهایی نظیر فنرها، مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه محدوده ی دمایی بروز این خاصیت کوچک است، ولی در همین محدوده، آلیاژ می تواند رفتار الاستیکی معادل 15 برابر فولادهای فنری را از خود نشان دهد.
قابلیت میراکنندگی ارتعاشات :
از این خاصیت، برای مهار ارتعاشات در سازه هایی که تحت ارتعاشات شدید قرار دارند، استفاده می گردد. برای مثال، می توان به صفحات آزاد میراکننده ی ارتعاش در سفینه های فضایی اشاره کرد. همچنین، می توان از این آلیاژها، در پی ساختمان، برای میراکردن ارتعاشات ناشی از زلزله استفاده کرد.
کاربردهای آلیاژهای حافظه دار
کاربردهای هوافضا
یکی از اولین کاربردهای آلیاژهای حافظه دار در مقیاس انبوه، استفاده در اتصالات لوله های هیدرولیک هواپیمای اف-۱۴ بود.
سطح بال وسیع هواپیما موجب سهولت برخاستن و فرود می شود، اما در سرعت های مافوق صوت، به عنوان عاملی مزاحم، مقاومت زیادی ایجاد می کند که ضریب DRAG هواپیما را افزایش می دهد. امروزه با ورود مواد هوشمند به صنعت هواپیما و ساخت بال های قابل جمع شدن، به تمام شرایط مورد نظر پاسخ داده می شود
کاربردهای پزشکی – ارتوپدی
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.
تحقیقات نشان می دهد که آلیاژNi-Ti در کاربرد و استفاده، نسبت به بقیه آلیاژها از موقعیت خوبی برخوردار است
آلیاژهای حافظه دار همچنین به جای مفصل ران هم کاربرد دارند که ناشی از قابلیت ارتجاعی بسیار بالای (سوپرالاستیسیته) آن است.
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
ترمیم و بهبود شکستگی استخوان از دیگر کاربردهای ارتوپدی آلیاژ های حافظه دار می باشد. انواع مختلفی از بست های با خاصیت حافظه داری در ترمیم شکستگی یا ترک استخوان ساخته شده است. بست ها به صورت باز شده در محل شکستگی یا ترک معمولاً پیچ شوند. با کمک گرما بست ها به گونه ای تغییر شکل می یابند که دو طرف شکستگی یا ترک را با هم یکی کرده و می فشرند. گرمای ایجاد شده را می توان به کمک یک وسیله خارجی به آلیاژ منتقل کرد.
عموماً از این بست ها در مواقعی استفاده می شود که محل شکستگی یا ترک را نتوان گچ گرفت، مانند نواحی صورت شامل، بینی ، فک و حفره چشم از جمله محل های مورد کاربرد می باشند.