آلیاژهای حافظه دار : جزء گروهی از آلیاژهای فلزی هستند كه این توانایی را دارند كه اگر آنها را تا بالای دمای ویژه ای گرم كنیم ؛ قادر به بازیابی شكل اولیه خود خواهند بود.
علوم و تكنولوژی در قرن آینده به طور قطع تاثیر زیادی از مواد جدید خواهد گرفت . آلیاژ های حافظه دار یكی از این مواد نو هستند . اولین مشاهده ثبت شده در مورد پدیده حافظه داری در سال 1932 مشاهده شد ، اما تا سال 1960 هیچ تحقیق جدی در این زمینه انجام نشد . در سال 1962 در آزمایشگاه نیروی دریایی ایالات متحده آمریكا در حین عملیات حرارتی یك میله از جنس Ni.Ti پدیده حافظه داری در این آلیاژها كشف شد .
آلیاژهای حافظه دار ، آلیاژهایی هستند كه دو مشخصه بی همتا از خود نشان می دهند :
1- Shape Memory Effect ( رفتار حافظه ای )
2- Pseudoelastic Behavior ( رفتار شبه الاستیك )
ویژگی های دیگر این آلیاژها عبارت است از : مقاومت به خوردگی بالا ، مقاومت ویژه الكتریكی نسبتا بالا، خواص مكانیكی نسبتا خوب ، خستگی طولانی ، شكل پذیری بالا و قابلیت انطباق با بدن . مهمترین كاربرد این آلیاژها در صنایع هوا فضا و صنایع پزشكی است.
این آلیاژها در بیشتر موارد شامل Ni-Ti ، Cu-Zn-Al ، Cu -Al-Ni هستند كه در این مقاله آلیاژ Ni-Ti مورد بحث است . كه این آلیاژ با نامهای Ti-Ni ، Tee-Nee ، Nitinol معروف است . این آلیاژها در فارسی نیز با نام های آلیاژ حافظه دار ، آلیاژ خود شكل و آلیاژ با حافظه شكلی ترجمه شده است . آلیاژهای حافظه دار به اختصار SMA هم خوانده می شوند.
كاربرد های آلیاژهای حافظه دار :
1- كاربرد با بازیابی آزاد ( استفاده از حركت ) : آلیاژهای حافظه دار در حین سرد و گرم شدن شكل اولیه خود را بازیابی می كنند . بدون اینكه تنش بیرونی از این كار ممانعت به عمل آورد . مثل آنتن های سفینه فضایی
2- كاربرد با بازیابی مقید ( استفاده از نیرو ) : به كاربردهایی اطلاق می شود كه در آنها یك نیروی خارجی جلوی بازیابی كرنش در آلیاژ را می گیرد . در این حالت هیچ كرنشی بازیابی نمی شود . ولی مقدار زیادی تنش ایجاد می شود . مثل چفت و بست ها
3- كاربردهایی با بازیابی تحت فشار ( استفاده از كار ) : هم تنش و هم كرنش حین گرم شدن بازیابی می شوند و كار مكانیكی ایجاد می شود
4- كاربردهای ابر كشسانی ( ذخیره انرژی مكانیكی ) : رفتار الاستیك 15 برابر فولادهای فنر است
5- خاصیت میرا كنندگی ارتعاشات : مهار ارتعاشات در سازه هایی كه تحت ارتعاشات شدید هستند . مثل صفحات آزاد میرا كننده ارتعاشات در سفینه های فضایی
ساختار آلیاژهای حافظه دار
خاصیت حافظه داری در این آلیاژها به وسیله تغیر موقعیت فاز جامد است . كه در آن چیدمان مجدد مولكولی رخ می دهد . آلیاژهای حافظه دار دارای دو فاز ثابت هستند . فاز در دمای بالا كه آستنیت ( Austenite ) نامیده می شود . كه ساختمان آن مكعبی بوده و به علت دارا بودن تقارن بالا محكم تر است . فاز با دمای پایین كه مارتنزیت ( Martensite ) نامیده می شود ؛ كه می تواند به حالت دوقلویی و غیر دوقلویی موجود باشد . شكل آن منوكلینیك بوده و نسبت به آستنیت تقارن كمتری دارد . فاز مارتنزیت از نوع فاز ترموالاستیك بوده كه دو خصوصیت لغزنده بودن و انرژی كم فصل مشترك را دارا است . كه با تغییر كوچك دما و تنش تغییر می كند. بمحض سرد كردن آلیاژ در نبود بارگذاری تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت صورت می پذیرد كه نتیجه این تغییر فاز قابل مشاهده ماكروسكپیك نیست . بمحض گرم كردن ماده در فاز مارتنزیت ، برگشت فاز اتفاق می افتد . در نمودار تغییر فاز چهار نقطه اختصاصی مشخص شده است ؛ دمای آغاز مارتنزیت (M0s) كه در آن دما بسته های مارتنزیت شروع به بزرگ شدن می كنند. دمای پایان مارتنزیت (M0f) كه در این دما تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت به طور كامل صورت گرفته است و ما مارتنزیت داریم. دمای شروع آستنیت (Aos) كه دمای شروع تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت است ؛ و دمای پایان آستنیت (Aof) كه در آن تغییر فاز مارتنزیت به آستنیت كامل شده است.
Temperature-induced phase transformation of an SMA without mechanical loading.‏
اگر بارگذاری مكانیكی روی آلیاژ در فاز مارتنزیت دوقلویی انجام شود ، مارتنزیت از حالت دوقلویی خارج شده و تغییر شكل می دهد . به محض برداشتن بار ، مارتنزیت به همان حالت باقی می ماند . با گرم كردن آلیاژ بالا تر از دمای (Aof) فاز مارتنزیت به آستنیت تغییر می یابد . در نتیجه این تغییر فاز ، آلیاژ شكل 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 . كه نتیجه آن یك كرنش ( در حدود 5-8 % ) است . ولی با گرمای مجدد و تغییر فاز معكوس ، آلیاژ به شكل قبلی خود باز می گردد . چهار نقطه اختصاصی كه در نمودار تغییر فاز - دما موجود هستند به عنوان دمای انتقال شناخته می شوند . این نقاط وابسته به شدت بارگذاری بوده و یك رابطه خطی بین دمای انتقال و شدت بارگذاری موجود است .
Shape Memory Effect of an SMA.‎
ما همچنین می توانیم تغییر فاز در آلیاژ را فقط با بارگذاری مكانیكی ایجاد كنیم كه نتیجه این عمل مارتنزیت دوقلویی نشده به همراه مقدار زیادی كرنش است . حال اگر دمای آلیژ بالای (Aof) باشد ؛ به محض عدم بارگذاری ، آلیاژ به شكل اول خود باز می گردد. بنابر این رفتار ماده به نوعی الاستیك خواهد بود . از این خاصیت به عنوان Pseudoelastic Behavior نام برده می شود .
Pseudoelastic loading path. ‎
PROPERTIES OF NITINOL
Density
6.45 gm/cm3
Thermal Conductivity
10 W/moK
Specific Heat
322 j/kgoK
Latent Heat
24,200 J/kg
Ultimate Tensile Strength
750-960 MPa
Elongation to Failure
15.5%
Yield Strength (Austenite)
560 MPa
Young's Modulus (Austenite)
75 GPa
Yield Strength (Martensite)
100 MPa
Young's Modulus (Martensite)
28 GPa