Transcript آلیاژهای حافظه دار(SMA)

‫آلیاژهای حافظه دار‬
(SMA)
Shap Memory Alloys
‫مقدمه‬
‫موادي که باعث سازگاري سازه با محيط خود مي شوند‪ ،‬مواد محرک ناميده مي شوند‪ .‬اين مواد‬
‫مي توانند شکل‪ ،‬سفتي‪ ،‬مکان‪ ،‬فرکانس طبيعي و ساير مشخصات مکانيکي را در پاسخ به دما و يا‬
‫ميدان هاي الکترومغناطيس ي تغيير دهند‪ .‬امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده مي‬
‫شود که شامل ‪:1‬آلياژهاي حافظه دار‪ :2‬سراميکهاي پيزوالکتريک ‪ :3‬مواد مغناطيس ي سخت ‪:4‬‬
‫مايعات الکترورئولوژکال و‪: 5‬مگنتورئولوژيکال مي باشند‪ .‬اين مواد از زمره مواد هوشمند محرک‬
‫مي باشند‪ .‬مواد هوشمند آن دسته از موادي هستند که مي توانند به تغييرات محيط به بهترين‬
‫شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغييرات تنظيم نمايند‪.‬‬
‫آلیاژهای حافظه دار‪:‬‬
‫ّ‬
‫مشخص تحت‬
‫آلیاژهای حافظه دار گروه جدیدی از مواد هستند که اگر با ترکیب شیمیایی‬
‫عملیات حرارتی مناسبی قرار گیرند ‪ ،‬توانایی بازگشت به شکل یا اندازه از قبل تعیین شده‬
‫را از خود نشان می دهند‪.‬‬
‫در واقع آلیاژهاي حافظه داراین توانایی را دارند كه اگر آنها را تا باالی دمای ویژه ای گرم‬
‫كنیم ‪ ،‬قادر به بازیابی شكل اولیه خود خواهند بود‪.‬‬
‫همچنین این مواد قابلیت تبدیل انرژی گرمایی (الکتریکی) را به انرژی مکانیکی دارند‬
‫واگر گرم وسرد کردن این آلیاژها با جریان الکتریکی کنترل شود؛ میتوان حرکتهای سیکلی‬
‫با قابلیت تکرار در دفعات متوالی ایجاد کرد‪.‬‬
‫آلیاژهاي حافظه دار دو مشخصه بي همتا از خود نشان مي دهند ‪:‬‬
‫(رفتار حافظه اي) ‪:1 Shape Memory Effect‬‬
‫(رفتار شبه االستیك) ‪:2 Pseudoelastic Behavior‬‬
‫ویژگی های دیگر این آلیاژها عبارت است از ‪:‬‬
‫مقاومت به خوردگی باال ‪ ،‬مقاومت ویژه الكتریكی نسبتا باال‪ ،‬خواص مكانیكی نسبتا خوب ‪،‬‬
‫خستگی طوالنی ‪ ،‬شكل پذیری باال و قابلیت انطباق با بدن ‪ .‬مهمترین كاربرد این آلیاژها در‬
‫صنایع هوا فضا و صنایع پزشكی است‪.‬‬
‫هستند كه در این ‪ Ni-Ti ، Cu-Zn-Al ، Cu -Al-Ni‬این آلیاژها در بیشتر موارد شامل‬
‫مورد بحث است ‪Ni-Ti.‬مقاله آلیاژ‬
‫‪ (50-‬در سال ‪ 1961‬اثر حافظه داري شکل در آلیاژ نیکل‪ -‬تیتانیوم با درصد اتمي مساوي‬
‫کشف و )‪ (Naval Ordanance Lab‬توسط بوهلر و در آزمایشگاه ناوال اوردنانس )‪50%‬‬
‫مشهور شد‪ .‬دو حرف اول نیتینول در ارتباط با نیکل‪ ،‬دو حرف )‪ (Nitinol‬تحت نام نیتینول‬
‫بعدي مربوط به عنصر تیتانیوم و سه حرف آخر در رابطه با آزمایشگاه ناول اوردنانس مي‬
‫باشد‪.‬‬
‫مکانیزم اصلي که خواص آلیاژهاي حافظه دار را کنترل مي کند در رابطه با تغییر‬
‫کریستالي آلیاژ است‪ .‬به این معني که ساختار مارتنزیتي در دماي پایین با افزایش دما به‬
‫ساختار آستنیتي تبدیل مي شود و در هنگام سرد کردن؛ فرآیند عکس رخ خواهد داد‪ .‬بسیاري‬
‫از مواد‪ ،‬استحاله مارتنزیتي دارند اما برتري که آلیاژهاي حافظه دار را نسبت به آلیاژهاي‬
‫دیگر متمایز مي نماید قابلیت دو قلو شدن این آلیاژ در فاز مارتنزیت مي باشد‪ .‬در حالیکه‬
‫مواد دیگر به وسیله لغزش و حرکت نابجائیها تغییر شکل مي یابند‪ ،‬آلیاژهاي حافظه دار به‬
‫وسیله تغییر جهت ساده ساختار کریستالهاي خود و از طریق مرزهاي دو قلوئي به تنشهاي‬
‫اعمال شده‪ ،‬عکس العمل نشان مي دهند‪ .‬اگر در این آلیاژها در دماي پائین‪ ،‬هنگامیکه فاز‬
‫مارتنزیت حاکم است‪ ،‬تغییرفرم پالستیکي روي دهد‪ ،‬ساختار کریستالي دو قلو شده اي براي‬
‫آلیاژ ایجاد مي شود که ناشي از تغییر فرم پالستیک مي باشد‪ .‬با گرمکردن آلیاژ تغییر فرم‬
‫یافته تا دماي شروع فاز آستنیت ميتوان شکل اولیه را بازگرداند‪ .‬این توانائي بعنوان اثر‬
‫حافظه‪ -‬شکل خوانده ميشود و حاصل از تغییر فاز مارتنزیت در دماي پائین به فاز آستنیت‬
‫در دماي باال ميباشد‪.‬‬
‫در پدیده حافظه داري‪ ،‬نمونه در حالت كامالً مارتنزیتي به مقدار معیني تغییر‬
‫فرم داده مي شود سپس با گرم كردن نمونه و برگشت آن به حالت آستیني‪ ،‬شكل‬
‫نمونه نیز به حالت اول خود بر گردد ‪.‬‬
‫شكل (‪ )1‬سیكل حرارتي مكانیكي توصیف كننده پدیده حافظه داري شكلي‬
‫‪ -1‬تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن‪:‬‬
‫تغییر حالت متالورژیكي جامدات از دو طریقه زیر امكان پذیر است ‪.‬‬
‫‪ )1‬حركت و جابجایي اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغییر در‬
‫تركیب شیمیایي فاز جدید نسبت به زمینه قبلي‪.‬‬
‫‪ )2‬تغییر آرایش اتمي به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگي به‬
‫زمان و هیچگونه تغییري در تركیب شیمیایي فاز جدید نسبت به زمینه قبلي ‪.‬‬
‫تغییر حالت هاي مارتنزیتي به طریقه دوم مرتبط است و داراي مشخصات زیر‬
‫است‪:‬‬
‫‪ )1‬تغییر مكان به صورت شبه برشي مي باشد و در آن اتم ها به صورت‬
‫هماهنگ و گروهي جابجا مي شود‪.‬‬
‫‪ )2‬دیفوزیون اتمي در آن اتفاق نمي افتد‪.‬‬
‫رفتار حافظه دار شدن كامالً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتم هاي آلیاژ‬
‫نباید به هم بخورد‪.‬‬
‫‪ -2‬كريستالوگرافي مارتنزيتي‪:‬‬
‫تغییر حالت تبدیل آستنیت به مارتنزیت از لحاظ كریستالوگرافي در سه مرحله‬
‫قابل بررسي است ‪.‬‬
‫‪ -1‬تغییر فرم شبكه اي‬
‫‪ -2‬برش ناهمگن‬
‫‪ -3‬دوران شبكه اي‬
‫فرآیند تبدیل آستنیت به مارتنزیت در مرحله تغییر فرم شبكه اي در شكل ‪2‬‬
‫نشان داده شده است ‪ .‬در این مرحله اتم ها با جابه جایي جزئي و هماهنگ‪،‬‬
‫پیشروي فصل مشترك از هر الیه اتمي را موجب مي شوند‪.‬‬
‫باید توجه داشت پدیده حافظه داري بدون تغییر حجم و تغییر شكل امكان پذیر‬
‫بوده و برش ناهمگن توجیه كننده این مطالب مي باشد‪.‬‬
‫برش ناهمگن در مارتنزیت به دو طریق امكان پذیر است ‪:‬‬
‫‪ )1‬مكانیزیم لغزش یافتن صفحات اتمي‬
‫‪ )2‬مكانیزیم تشكیل دوقلویي ها‬
‫تصاوير نشان داده شده چگونگي انطباق فاز مارتنزيت بر فاز آستنيت را در هنگام جابجايي‬
‫جزيي و گروهي اتمها با حفظ شبكه كريستالي نشان مي دهد‪.‬‬
‫بايد توجه داشت كه لغزش صفحات اتمي به علت شكسته شدن باند هاي اتمي بعنوان مكانيزيم‬
‫تغيير فرم پالستيك دائم محسوب مي شود‪ ،‬در صورتي كه در مكانيزيم دو قلويي به علت‬
‫انرژي پايين مرز دوقلويي و برخورداري از تحرك و لغزندگي نسبي تغيير فرم غير دائم‬
‫است‪ .‬در آلياژهاي حافظه دار ‪ ،‬كرنش هاي ناشي از تغيير حالت در اثر تشكيل يك جفت از‬
‫دوقلويي هاي دو طرف مرز ذخيره سازي مي شوند و براي برگشت پذيري از آن استفاده مي‬
‫شود‪.‬‬
‫‪ )4‬مرز دوقلویي را نمایش مي دهد و هر یك از دوقلویي )شكل‬
‫هاي دو طرف مرز دوقلویي یك وا ریانت را شامل مي شود‪ .‬در‬
‫صورت وارد كردن تنش برشي به مرز دو قلویي باعث حركت یكي‬
‫) ‪B‬از واریانت ها شده و واریانت دیگري حذف مي شود‪(.‬شكل ‪، 4‬‬
‫این روند مي تواند تا تبدیل تمامي واریانت به یك واریانت واحد ادامه‬
‫) ‪C.‬یابد(شكل ‪،4‬‬
‫بررسي پدیده حافظه داري در تك كریستال آستنیت در شكل ‪ 5‬نمایش‬
‫داده شده است‪.‬‬
‫مرحله اول همانطور كه از شكل پیداست بعد از سرد كردن كریستال در زیر دماي‬
‫تشكیل مي شوند مرحله دوم با وارد كردن تنش ‪ D‬و ‪ C‬و ‪ B‬و ‪A‬واریانت هاي ‪Mf‬‬
‫‪A‬به كریستال ‪ ،‬واریانتها شروع به حركت و حذف شدن مي كنند تا واریانت واحد‬
‫ذخیره ‪ A‬كرنش هایي در جهت واریانت‪A‬تشكیل گردد‪ .‬حین تشكیل واریانت واحد‬
‫مي شود‪ .‬مرحله سوم مربوط به حرارت دادن كریستال نمونه براي تبدیل مارتنزیت به‬
‫ذخیره شده اند‪ ،‬پس ‪A‬آستینت مي باشد از آنجاییكه كرنش ها تنها در جهت واریانت‬
‫مي باشد و نمونه به شكل اولیه خود باز ‪A‬تنها مسیر براي برگشت پذیري‪ ،‬واریانت‬
‫مي گردد‪.‬‬
‫‪ -3‬رفتار ترمومكانيكي‪:‬‬
‫آلیاژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصیات‬
‫مكانیكي بسیاري مي باشند در شكل ‪ 6‬منحني هاي ساده تنش ‪ -‬كرنش براي‬
‫آلیاژ تیتانیم‪ -‬نیكل مشاهده مي شود‪ .‬آلیاژ در دماهاي پایین ‪ ،‬متوسط و باالي‬
‫دماي استحاله مورد آزمایش قرار گرفته است‪ .‬تغییر شكل در مارتنزیت با چند‬
‫در صد كرنش و تنش فشاري نسبتا ً كم دیده مي شود ‪ .‬در حالیكه آستنیت در‬
‫درجه حرارت باال نیاز به تنش نسبتا زیادي براي تغییر شكل دارد‪ .‬خط چین‬
‫روي منحني مارتنزیت نمایانگر برگشت پذیري آلیاژ بعد از برداشتن تنش وارد‬
‫شده بعد از گرم كردن نمونه و تبدیل به فاز آستنیت مي باشد ولي چنانچه كه‬
‫مشاهده مي شود در منحني مربوط به آستینت با برداشتن تنش و گرم كردن‬
‫نمونه امكان برگشت پذیري وجود ندارد‪.‬‬
‫‪ -4‬خاصيت ارتجاعي كاذب‪:‬‬
‫دیده ‪C‬خصوصیت جالب توجه درباره منحني تنش ‪ -‬كرنش درقسمت منحني‬
‫مي شود‪.‬به طوري كه پس از حرارت دادن نمونه كمي باالتر از درجه حرارت‬
‫به نمونه در فاز مارتنزیت تنش وارد مي ‪Af‬انتقال ‪ ،‬در درجه حرارت باالي‬
‫شود‪ .‬با افزایش مقدار تنش ‪ ،‬تغییر شكل نیز به صورت یكنواخت افزایش مي‬
‫)‪ .‬در این هنگام رفتار تغییر شكل و تنش پایداري مشاهده مي ‪AB‬یابد (منحني‬
‫) مارتنزیت به آستینت تبدیل مي شود باید ‪CD‬شود با كاهش تنش ( منحني‬
‫توجه داشت كه برگشت پذیري انجام شده به خاطر تغییر حرارت نمونه نمي‬
‫باشد و دلیل آن كاهش فشار است‪ .‬این پدیده را كه موجب مي شود آلیاژ‬
‫خاصیت كشساني نامحدود پیدا كند به عنوان خاصیت ارتجاعي كاذب نامیده مي‬
‫شود‪.‬‬
‫‪ -5‬اثر حافظه دار يك طرفه و دو طرفه‪:‬‬
‫الف )اثر حافظه دار يك طرفه ‪:‬‬
‫در صورتیكه اثر حافظه داري فقط بعد از تغییر شكل در حالت‬
‫مارتنزیتي و سپس در سیكل گرم كردن مشاهده شود به آن اثر حافظه‬
‫یك طرفه گفته مي شود‪ .‬این بدان معني است كه در این حالت تغییر‬
‫شكل ایجاد شده ‪ ،‬فقط با گرم كردن به حالت اولیه قبل از تغییر شكل‬
‫باز مي گردد و چنانچه جسم را دوباره سرد كنیم تغییري در شكل آن‬
‫حاصل نمي شود‪.‬نخستین استفاده مهم صنعتی از این پدیده در صنایع‬
‫فضایی آمریکا برای نصب ماهواره های فضایی بود ‪.‬‬
‫این خصوصیت در شكل شماره ‪ 7‬نمایش داده شده است‪.‬‬
‫به ‪Mf‬همانطور كه در تصویر مشاهده مي شود ابتدا فنر در دماي‬
‫مقدار معیني تغییر فرم داده مي شود به صورتیكه تغییر فرم دائمي در‬
‫‪Af‬آن باقي بماند حال اگر فنر تغییر فرم داده شده را تا دماي‬
‫حرارت دهیم مجدداً به شكل اولیه خود بر مي گردد و در سیكل سرد‬
‫هیچگونه تغییر شكلي در فنـــر مشاهده نمي شود‪Mf .‬شدن تا دماي‬
‫‪‬‬
‫ب)اثر حافظه دار دو طرفه ‪:‬‬
‫برگشت پذیري به حالت اولیه خود در اثر سرد و گرم كردن آلیاژ هاي حافظه دار دو طرفه‬
‫در بازه معیني از دما امكان پذیر است ‪ .‬در شكل ‪ 8‬یك فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به‬
‫صورت باز شده در حالت آستیني و شكل جمع شده در حالت مارتنزیتي نشان داده شده‬
‫است‪.‬‬
‫همانطور كه مشاهده مي شود اگر فنر گرم شود باز شده و در سیكل سرد شدن مجدداً به شكل‬
‫جمع شده در مي آید‪.‬‬
‫باید توجه داشت كه آلیاژ هاي حافظه دار براي اینكه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان‬
‫دهند نیاز به انجام عملیات ترمومكانیكي خاصي بر روي آنها مي باشد‪.‬‬
‫‪ 6‬ـ کاربرد آلياژهای حافظه دار ‪:‬‬
‫کاربرد اصلی اين مواد ‪ ،‬در سه گروه عمده دسته بندی می شوند ‪:‬‬
‫ــ وسايل سوپر االستيک‬
‫ــ عملگرهای حافظه دار‬
‫ــ وسايل مارتنزيتی‬
‫* وسايل سوپر االستيک‬
‫وسایل سوپر االستیک در کاربردهایی که انعطاف پذیری باال و یا قابلیت تحمل نیروی‬
‫گشتاوری زیاد نیاز باشد ‪ ،‬مورد استفاده قرار می گیرند ‪ .‬این مواد توانایی جذب مقادیر‬
‫می باشد که االستیسیته آنها در ‪Ni‬ـ‪Ti‬زیادی از کرنش را دارند ‪ .‬از جمله این مواد ‪ ،‬آلیاژ‬
‫حدود ‪ 10‬برابر فوالد است ‪ .‬این مواد همچنین با یک نیروی ثابت ‪ ،‬محدوده وسیعی از‬
‫کرنش را از خود نشان می دهند و در مقابل پیچش بسیار مقاوم هستند ‪.‬‬
‫مثال هایی از کاربرد وسایل سوپر االستیک شامل آنتن تلفن های همراه سلوالر ‪ ،‬وسایل‬
‫ضربه گیر ‪ ،‬قاب عینک ‪ ،‬سیم های ماهیگیری و فایل های کانال ریشه در دندانپزشکی می‬
‫باشد ‪.‬‬
‫* عملگرهای حافظه دار‬
‫در این وسایل از اثر حافظه داری برای بازیابی شکل ویژه جسم تحت دمایی باالتر از دمای‬
‫تغییر حالت استفاده می شود ‪ .‬از این اثر همچنین برای ایجاد نیرو و یا انجام کار استفاده می‬
‫شود ‪.‬‬
‫مثال هایی از این نوع کاربرد نیز شامل بست ها و اتصاالت ‪ ،‬آندوسکوپ های فعال ‪،‬‬
‫موتورهای مبدل انرژی ‪ ،‬فعال کننده های حرارتی ‪،‬سوئیچ های حرارتی حافظه دار‪ ،‬اتصال‬
‫دهنده استخوان ها و استنت ها می باشد ‪.‬‬
‫* وسايل مارتنزيتی‬
‫خواص بی نظیر فاز مارتنزیت در آلیاژهای حافظه دار ‪ ،‬آنها را به ماده مناسبی برای‬
‫بسیاری از کاربردها تبدیل نموده است ‪ .‬استحاله مارتنزیتی به دلیل داشتن ساختار دوقلویی‬
‫قابلیت بسیار خوبی برای جذب انرژی دارد ‪ .‬از طرف دیگرفاز مارتنزیتی در این آلیلژها‬
‫مقاومت خستگی بسیار خوبی دارد و بعالوه به راحتی تغییر فرم می دهد ‪ .‬در نتیجه می‬
‫توان از این مواد در جذب کننده های ارتعاش ‪ ،‬سیم های با مقاومت خستگی باال و ابزار‬
‫جراحی با خم شدن مکرر استفاده نمود ‪.‬‬
SMA applications
Biomedical applications: orthodontic,
orthopedic, guide systems, stent,
glasses, micro-actuators
…. SMA applications
Superelastic effect
…. SMA applications (orthodontic)
Superelastic effect:
constant force during the
teeth movement
After only 3 weeks of therapy !!
‫خالصه تحقيق‬
‫آلیاژهای حافظه دار ازجمله موادهوشمند محرک می باشند که قادرند به تغیيرات محیط پاسخ داده‬
‫و رفتارخود را نسبت به تغیيرات تنظیم کنند‪.‬آلیاژهای حافظه دار اگربا ترکیب شیمیایی مشخص‬
‫تحت عملیات حرارتی مناسبی قرارگيرند‪،‬توانایی بازگشت به شکل یا اندازه ازقبل تعیين شده را ازخود‬
‫نشان می دهند‪.‬‬
‫ویژگی این آلیاژها‪،‬مقاومت به خوردگی باال‪،‬مقاومت ویژه الکتریکی باال‪،‬خستگی طوالنی‪،‬شکل پذیری‬
‫باال وقابلیت انطباق با بدن می باشد‪.‬ومهمترین کاربردشان درصنایع هوافضا وصنایع پزشکی است‪.‬‬
‫کاربرد اصلی این مواد ‪ ،‬در سه گروه عمده دسته بندی می شوند ‪:‬‬
‫‪ -1‬وسایل سوپر االستیک‪ :‬آنتن تلفن های همراه سلوالر‪ ،‬وسایل ضربه گير ‪ ،‬قاب عینک ‪ ،‬سیم های‬
‫ماهیگيری و فایل های کانال ریشه در دندانپزشکی‬
‫‪ -2‬عملگرهای حافظه دار‪ :‬بست ها و اتصاالت ‪ ،‬آندوسکوپ های فعال ‪ ،‬موتورهای مبدل انرژی ‪،‬‬
‫فعال کننده های حرارتی ‪،‬سوئیچ های حرارتی حافظه دار‪ ،‬اتصال دهنده استخوان ها‬
‫‪ -3‬وسایل مارتنزیتی‪:‬جذب کننده های ارتعاش ‪ ،‬سیم های با مقاومت خستگی باال و ابزار جراحی با‬
‫خم شدن مکرر‬
‫آلیاژهای حافظه دار قابلیت دوقلوشدن درفازمارتنزیت را دارند که این عامل باعث برتری این آلیاژها نسبت‬
‫به آلیاژهای دیگر است‪ .‬مکانيزم اصلی که خواص آلیاژهای حافظه دار را کنترل می کند در رابطه‬
‫باتغیيرکریستالی آلیاژاست‪.‬به این معنی که ساختار مارتنزیتی دردمای پایين باافزایش دما به‬
‫ساختارآستنیتی تبدیل می شود‪.‬‬
‫درپدیده ی حافظه داری‪،‬نمونه درحالت کامل مارتنزیتی به مقدارمعینی تغیيرفرم داده می شود سپس با‬
‫گرم کردن نمونه وبرگشت آن بحالت آستنیتی‪،‬شکل نمونه نيزبه حالت اول خود برمی گردد‪.‬‬
‫تغیيرشکل ایجاد شده درحالت مارتنزیتی‪،‬فقط باگرم کردن به حالت اولیه قبل ازتغیير شکل بازمی گردد‬
‫وچنانچه جسم را دوبارسرد کنیم تغیيری درشکل آن حاصل نمی شود‪.‬به این حالت اثرحافظه داری یک‬
‫طرفه گفته می شود‪.‬‬
‫برگشت پذیری به حالت اولیه دراثرسرد وگرم کردن آلیاژهای حافظه دار دربازه ی معینی ازدما امکان‬
‫پذیراست که به این حالت اثرحافظه داری دوطرفه گفته می شود‪.‬‬
‫برای اینکه آلیاژهای حافظه دار‪،‬اثرحافظه دار دوطرفه ازخود نشان دهند نیازبه انجام عملیات‬
‫ترمومکانیکی خاص برروی آنها می باشد‪.‬‬