مواد و جوشكاري استان کرمانشاه (کرماشان)

پدیده حافظه داری در آلیاژهای حافظه دار

شاید رفتار وسایلی همچون فریم های عینک با قابلیت خم پذیری فوق العاده ، دریچه های پزشکی برای بازکردن شریان­های خون که به شکل فشرده شده در محل قرار داده می_­شوند و سپس موقعی که در اثر دمای بدن گرم می­شوند، به اندازه و شکل صحیح باز می­شوند، تحریک کننده­های خیلی کوچک که دیسک­ها را از کامپیوترهای لپ تاب خارج می­کنند، میکرو شیرهای کوچک و یک گروهی از وسایل دیگر شگفت­انگیز باشد. رفتار جالب هر یک از این وسایل مبتنی بر پدیده­ای است که اثر حفظ شکل نامیده می­شود. این پدیده به توانایی یک نوع آلیاژ خاص به برگرداندن آن به شکل خاص قبلی اشاره می­کند. این رفتار و برگشتن به شکل اولیه در اثر استحاله فازی است که در آن آلیاژ رخ می­دهد. در یک آلیاژ حافظه­دار یک تغییر فاز حالت جامد انجام می­شود که به دما وابسته و برگشت پذیر است. برای مثال، آلیاژ می­تواند در درجه حرارت بالا، به یک شکل خاص تغییر فرم داده شود. پس از آن آلیاژ تا دمای پایین سرد می_­شود و در آن دما به مقدار زیادی مجدداً تغییر شکل داده می­شود . سپس آلیاژ در اثر گرم کردن (برای مثال در اثر جریان الکتریکی)، به شکل اولیه خود در دمای بالا برمی­گردد. پدیده سوپر الاستیسیته که توانایی یک جسم به تحمل تغییر شکل­های الاستیک برگشت پذیر زیاد است نیز به عنوان اثر حافطه­دار شناخته می­شود.

آلیاژهای نیکل- تیتانیم (NiTi)، معمولاً به عنوان آلیاژهای حافظه­دار بکار برده می­شوند،. هرچند بسیاری از آلیاژهای دیگر نیز می­توانند این اثرات را خود نشان دهند. این آلیاژها می­توانند در شکل محصول نهایی به صورت دو فاز یا حالت کریستالی وابسته به دما وجود داشته باشند. فاز اولیه و یا فاز پایدار در دمای بالا، فاز آستنیت نامیده می­شود. فاز پایدار در دمای پایین فاز مارتنزیت نامیده می­شود. خواص فیزیکی جسم در فازهای آستنیت و مارتنزیت کاملاً متفاوت است. جسم در حالت آستنیتی مستحکم و سخت است، در حالی که در حالت مارتنزیتی نرم و چکش خوار است. ساختار کریستالی آستنیت ساختار مکعبی مرکزدار است، در حالی که مارتنزیت دارای ساختار رومبیک پیچیده است.

در خصوص رفتار مکانیکی، منحنی تنش-کرنش آستنیت در دمای بالاتر شبیه به اکثر فلزات است، یعنی با افزایش کرنش کار سخت می­شود. ولی منحنی تنش-کرنش ساختار مارتنزیت در دمای پایین شبیه به الاستومتر است که توانایی تغییر شکل در تنش ثابت را دارد، به طوری که تغییر شکل­های خیلی زیاد را می­توان با اعمال نیروی ناچیز ( بدون کارسختی) بر روی آن انجام داد. در این حالت آلیاژ شبیه قلع خالص عمل می­کند که می­تواند ( در یک محدوده­ای) بدون کار سختی (که می­تواند منجر به شکست شود) به طور تکراری خم و راست شود. جسم در حالت مارتنزیتی در دمای پایین دارای ساختار کریستالی دوقلویی شده است. این ساختار مستلزم یک جابجایی آینه­ای و متقارن اتم­ها در عرض یک صفحه خاص است. مرزهای دوقلویی می­توانند به آسانی و بدون ایجاد نقایص میکروسکپی همچون نابجایی­ها حرکت کنند. بر خلاف اکثر فلزات که تغییر شکل در آنها به وسیله لغزش یا حرکت نابجایی­ها انجام می­شود، تغییر شکل در یک ساختار دوقلویی شده به وسیله تغییرات زیاد در جهت ساختار کل کریستال همراه با حرکت­های مرزهای دوقلویی آن انجام می­شود.

پدیده حافظه­داری ناشی از حرارت دادن آلیاژ همراه با این تغییرات فازی است. در محیط دمای بالای اولیه، جسم در حالت آستنیتی است. در حین سرد کردن جسم مارتنزیتی می­شود. هیچ گونه تغییر شکل واضحی در حین سرد کردن رخ نمی­دهد، ولی در این حالت آلیاژ می­تواند به صورت مکانیکی تغییر شکل داده شود. آلیاژ در حین سرد شدن تغییر شکل داده شده اولیه در دمای بالا را در خود نگه خواهد داشت. در هنگام گرم کردن مجدد، ساختار آستنیتی مجدداً ظاهر شده و جسم به شکل اولیه خود باز می­گردد.

پدیده ناشی از اعمال تنش مکانیکی که سوپر الاستیسیته نامیده می­شود نیز می­تواند در بعضی از آلیاژها رخ دهد. اعمال تنش به یک آلیاژ حافظه­دار که تغییر شکل داده می­شود منجر به تغییر فاز آستنیت به مارتنزیت (که قابلیت تغییر شکل زیاد دارد) می­شود. تنش باعث می­شود که مارتنزیت در درجه حرارت­های بالاتر از حالت قبلی تشکیل شده و دارای چکش خواری بالایی باشد. کرنش­ها یا تغییر شکل­های ایجاد شده برگشت پذیر هستند، یعنی هنگامی که تنش اعمالی حذف می­شود جسم به حالت آستنیتی بر می­گردد. تغییر شکل­های زیاد در حدود 8-5% می­تواند روی جسم انجام شود. برای ایجاد پدیده سوپرالاستیسیته به محیط دمای بالا نیاز نیست.

اصولاً دلیل رخ دادن این پدیده ها این است که ساختار شبکه کریستالی همیشه خود را در یک دمای خاص به گونه­ای مرتب می­کند که دارای حداقل انرژی باشد. ساختار شبکه کریستالی در فاز مارتنزیت وضعیت­های اتمی مختلفی را می­تواند قبول کند. در حالی که تنها یک وضعیت اتمی ممکن در فاز آستنیت می­تواند وجود داشته باشد. همه وضعیت­های مارتنزیتی در نهایت باید به ساختار و شکل اولیه در هنگام گرم کردن و گذشتن از یک دمای تغییر فاز بحرانی برگردد. فرایند بالا تا زمانی که محدودیت­های همراه با فازهای انتقالی حفظ شود تکرار پذیر است. برای مثال تحت تنش­های بالا و یا تغییر شکل­های زیاد، انهدام خستگی می­تواند بعد از سیکل­های تکراری رخ دهد.

هر دو پدیده مربوط به اثرات حافظه­دار آلیاژها (اثرات حرارتی و مکانیکی) کاربردهای مشخصی دارند. در پدیده حافظه­داری ناشی از اثرات حرارتی، یک جسم با شکل اولیه در فاز آستنیت دما بالا می­تواند هنگامی که آلیاژ در فاز مارتنزیت در دمای پایین قرار دارد مجدداًً تغییر شکل داده شود. حا ل اگر آلیاژ مجدداً تا فاز آسنتنیت در دمای بالا (برای مثال به وسیله یک جریان الکتریکی یا هر منبع دیگری) حرارت داده شود، آلیاژ به شکل اولیه خود برمی­گردد.

در پدیده حافظه­داری همراه با محیط مکانیکی یا سوپرالاستیسیته، جسم می­تواند تغییر شکل الاستیک ( ایجاد شده در اثر اعمال نیرو) به مقدار زیاد و تا حدود 20 برابر کرنش الاستیک فولاد معمولی را تحمل کند. بنابراین مواد سوپر الاستیک توانایی خارق العاده­ای به تغییر شکل دادن و برگشت فنرگونه ای به شکل اولیه خود را دارند. یک کاربرد ساده مواد سوپر الاستیک در فریم­های عینک بوده که می­تواند به شکل گره بسته شود، ولی بعد از بازکردن گره به شکل اولیه خود بازمی­گردد

شکل: آلیاژهای حافظه دار ( برای مثال نیتینول) که پدیده حافظه داری ناشی از حرارت دادن را از خود نشان می دهند.