به آلیاژهایی که در طی یک چرخه تنشی یا چرخه حرارتی به شکل اولیه تعریف شده خود، باز می گردند، آلیاژهای حافظه دار (shape memory alloys) یا SMA می گویند. آلیاژهای حافظه دار دارای توانایی تغییر ساختار کریستالوگرافی خود در پاسخ به یک محرک، در قالب تنش یا حرارت هستند. این تغییر در ساختار به این معنی است که ماده ای که دارای یک شکل خاص در دما و سطح تنشی معین است، با تغییر دما و سطح تنش، شکل متناظر با آن تغییرات را خواهد داشت. دو ساختار کریستالوگرافی برای آلیاژهای حافظه دار به ترتیب فاز مارتنزیت در دمای پایین و فاز آستنیت در دمای بالا است.
از انواع مهم آلیاژهای حافظه دار می توان به نیکل-تیتانیوم (Ni-Ti)، مس-روی-آلومینیوم و مس-آلومینیوم-نیکل اشاره کرد. معروف ترین و پر کاربردترین آلیاژ حافظه دار، آلیاژ نیکل-تیتانیوم است که با نام تجاری نایتینول (Nitinol) شناخته می شود. نایتینول در نیمه قرن بیستم توسط William J. Buehler و همکارانش، در آزمایشگاه نیروی دریایی (Naval Ordnance Laboratory) آمریکا کشف و معرفی شد. نامگذاری Nitinol بر اساس ترکیب حروف اختصاری نیکل (Ni)، تیتانیوم (Ti) و آزمایشگاه نیروی دریایی (NOL) انجام گرفته است. گریدهای مهم نایتینول، نایتینول ۵۵ و نایتینول ۶۰ است. نایتینول ۵۵ آلیاژ نیکل-تیتانیوم با ۵۵ درصد نیکل و ۴۵ درصد تیتانیوم و نایتینول ۶۰ آلیاژ نیکل-تیتانیوم با ۶۰ درصد نیکل و ۴۰ درصد تیتانیوم است. نایتینول دارای خواص الکتریکی و مکانیکی عالی، طول عمر بالا و مقاوم در برابر خستگی است. مقاومت به خوردگی بالایی دارد. بسیار سازش پذیر بوده و برای محکم کنار هم قرار گرفتن مواد متجانس/نامتجانس که به طریق دیگری قادر به چسبیدن به یکدیگر نیستند، بسیار مناسب می باشد. تقاضا برای نایتینول در استنت های قلبی-عروقی مورد استفاده در انژیوپلاستی و سایر ایمپلنت ها و وسایل جراحی، محبوبیت این آلیاژ را نسبت به سایر آلیاژهای دارای حافظه شکلی نمایان می کند.
استفاده از آلیاژهای حافظه دار به منظور اتصال مفاصل لوله به یکدیگر؛ a: قرار گیری کوپل آلیاژ حافظه دار در محل اتصال، b: چسبیدن کوپل به مفصل در اثر گرمایش و تحریک حرارتی
اثر حافظه شکلی در آلیاژهای حافظه دار
حتی پس از اینکه آلیاژهای حافظه دار در دمای اتاق تحت کرنش های پلاستیک قرار می گیرند، با گرمایش تا دمای انتقال قادر به برگشت به شکل اولیه خود هستند، از این رو لفظ حافظه دار به آن ها اطلاق می گردد. شکل زیر فرایندهای کریستالوگرافی درگیر در تغییرات فازی مربوط به اثر حافظه داری را نشان می دهد. آلیاژهای حافظه دار در دمای بالا وارد فاز آستنیت و در دماهای پایین وارد فاز مارتنزیت می شوند. به دلیل این که استحاله مارتنزیتی یک دگرگونی بدون نفوذ و برشی بوده و به موجب آن یک ساختار دوقلویی در دماهای پایین شکل می گیرد، به آن مارتنزیت دوقلویی می گویند. لازم به ذکر است که تغییرات شکلی به صورت ماکروسکوپی قابل مشاهده نیست، چرا که حجم اشغالی توسط مارتنزیت دوقلویی و فاز آستنیت برابر با یکدیگر می باشد. در نتیجه تشکیل مارتنزیت، تحت عنوان مارتنزیت خودسازگار معرفی می شود. با اعمال تنش به مارتنزیت دوقلویی، مارتنزیت تغییرشکل یافته حاصل می شود. با گرمایش این آلیاژ تا دماهای بالاتر، مجدداً فاز آستنیت تشکیل می شود. در حین فرایند گرمایشِ آلیاژ حافظه دار، کرنش باقیمانده در مارتنزیت تغییر شکل یافته، به طور کامل بازیابی شده و آلیاژ مجدداً شکل اولیه خود را به دست می آورد. این فرایند “اثر حافظه شکلی” نامیده شده و معرف رفتار آلیاژهای حافظه دار می باشد. آلیاژها مستقیماً و یا توسط گرمای ژول (یا گرمایش مقاومتی؛ گرمایش توسط القاء/جریان الکتریسیته از داخل یک رسانا) تا دمای انتقال، به منظور انجام استحاله آستنیت-مارتنزیت حرارت می بینند. انجام استحاله آستنیت به مارتنزیت ممکن است در غیاب تنش های داخلی و خارجی، موجب پیدایش مارتنزیت دوقلویی شده و در هنگام وجود این تنش ها تا سطح معین، مارتنزیت های غیردوقلویی حاصل شود.
فرایندهای کریستالوگرافی درگیر در تغییرات فازی مربوط به اثر حافظه داری آلیاژهای حافظه دار
تحقیقات در حوزه آلیاژهای حافظه دار محدود به مکانیزم های تغییر شکل آن نبوده است، بلکه در رابطه با قطعات از جنس آلیاژ حافظه دار تعبیه شده به عنوان فعال کننده های اثر دمپینگ، کنترل کننده ارتعاشات و …. هم پژوهش های فراوانی انجام گرفته است. دمپینگ، عمدتاً به علت از دست دادن انرژی از یک شکل به شکلی دیگر، در هنگام بارگذاری ارتعاشی می باشد. انرژی از دست رفته ممکن است به طور مستقیم به حرارت تبدیل شود یا به ساختارهای متصل شده و عوامل محیطی انتقال یابد، که تحت عنوان دمپینگ ساختاری بیان می شود. تمامی تغییرات میکروسکوپی یا ماکروسکوپی که در داخل حجمی از ماده یا بخشی مکانیکی از آن رخ می دهد و موجب اتلاف انرژی در حین تغییر شکل می شود، تحت مشارکت ماده در دمپینگ در نظر گرفته می شود.
هوش ذاتی (مانند توانایی سنجش تنش یا گرما)، تحریک پذیری، پاسخ گویی فعال یا تطبیقی و توانایی حافظه داری و بازیابی، از جمله ویژگی های آلیاژهای حافظه دار است که آن ها را از مواد پیشگامِ مورد استفاده در هوا-فضا قرار داده است.
آلیاژهای حافظه دار یک طرفه و دو طرفه
حافظه داری می تواند یک طرفه و یا دو طرفه باشد. آلیاژهای حافظه دار یک طرفه، حالت تغییرشکل یافته خود را پس از حذف نیروی خارجی حفظ می کنند و به محض گرمایش و تشکیل فاز آستنیت از مارتنزیت، به شکل اولیه خود باز می گردند. این آلیاژها فقط شکل خود را در فاز آستنیت می توانند باز یابند. اگر آلیاژ حافظه دار علاوه بر فاز آستنیت، بتواند شکل خود را در فاز ماتنزیت نیز بازیابد، به این خاصیت اثر حافظه داری برگشت پذیر یا اثر حافظه داری دو طرفه می گویند. آلیاژهای حافظه دار دارای توانایی به خاطرسپاری شکل خود در هر دو دمای بالا و پایین می باشند و می توانند با تغییر دما شکل های مختلفی را به خود بگیرند.
a: آلیاژ حافظه دار یک طرفه b: آلیاژ حافظه دار دو طرفه
متاسفانه پاسخگویی اثر حافظه داری دوطرفه از ویژگی های ذاتی آلیاژهای حافظه دار نیست، بلکه نیازمند تکرار فرایندهای ترمومکانیکی در طول یک مسیر با بارگذاری معین می باشد. بنابراین در آلیاژهای د وطرفه، شکل های دائمی و موقتی نگه داشته شده در دماهای متفاوت، نیازمند برنامه ریزی توسط یک پروفیل حرارتی می باشد.
رفتار سوپرالاستیسیته در آلیاژهای حافظه دار
خاصیت سوپرالاستیسیته یا شبه کشسانی در آلیاژهای حافظه دار، پدیده ای است که به موجب آن، پس از بارگذاری آلیاژ حافظه دار، کرنش هایی بزرگ به محض باربرداری بازیابی می شود. در آلیاژهای حافظه دار، خاصیت سوپرالاستیسیته را می توان تحت عنوان اثر حافظه داری فعال شونده با تنش تعریف کرد. فاز مارتنزیت در آلیاژهای حافظه دار با اعمال تنش در دمایی بالاتر از Ms، به صورت هم دما قابل حصول می باشد، که این مارتنزیت تحت عنوان مارتنزیت ناشی از تنش شناخته می شود. به محض حذف تنش، شکل موقتی حذف و شکل اولیه به صورت الاستیکی حاصل می شود. به موجب این پدیده، اثر حافظه داری مکانیکی به جای اثر حافظه داری حرارتی نمایان می شود. آلیاژهای حافظه دار به دو علت، خاصیت سوپرالاستیسیته را از خود به نمایش می گذارند: تشکیل مارتنزیتِ برگشت پذیرِ ناشی از تنش به محض بارگذاری آلیاژ در فاز آستنیتی آن و دیگری استحاله به فاز آستنیت به محض باربرداری.
آلیاژهای حافظه داری مغناطیسی
مشابه با آلیاژهای حافظه دار پاسخگو به حرارت، به آلیاژهای حافظه داری که در پاسخ به میادین مغناطیسی اعمالی خارجی، دچار تغییر شکل و ایجاد تنش می شوند، آلیاژهای حافظه دار مغناطیسی می گویند. این مواد، مغناطوکشسان (magneto strictive) بوده و عموماً آلیاژهایی از نیکل، منیزیم و گالیوم می باشند. در مواد فرو مغناطیس، بازآرایی مجدد مغناطیسی در نتیجه هم راستا شدن ممان های مغناطیسی میکروسکوپی، در جهت میدان اعمالی می باشد. آلیاژهای حافظه دار مغناطیسی، هنگامی که حرکات دقیق و سریع نیاز باشد، مانند ربات ها، ابزارهای بیومدیکال، سوپاپ های حساس، دمپ کننده ها و … کاربرد دارند.
امروزه انواع زیادی از آلیاژهای حافظه دار کشف شده و توسعه پیدا کرده اند. بدون شک آلیاژهای حافظه دار جلوه ای از پیشرفت علم مواد همگام با صنعت و نیازهای روز جامعه است، به طوری که هماکنون آلیاژهای حافظه دار در بسیاری از زمینه ها، از کاربردهای زیست پزشکی تا کاربردهای فضایی، استفاده های فراوانی پیدا کرده اند.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.