دانش رسان |
مرکز علم و دانش کشور مقاله آلیاژهای حافظه دار
در حال بارگذاری
توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد
مقاله آلیاژهای حافظه دار دارای ۷۷ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد مقاله آلیاژهای حافظه دار کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله آلیاژهای حافظه دار،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
بخشی از متن مقاله آلیاژهای حافظه دار :
آلیاژهای حافظه دار
خلاصه متن
آلیاژهای حافظه دار عنوان گروهی از آلیاژها می‌باشد که خواص متمایز و برتری نسبت به سایر آلیاژها دارند. عکس‌العمل شدید این مواد نسبت به برخی پارامترهای ترمودینامیکی و مکانیکی و قابلیت بازگشت به شکل اولیه در اثر اعمال پارامترهای مذکور به گونه‌ای است که رفتار موجودات زنده را تداعی می‌نماید. وقتی یک آلیاژ معمولی تحت بار خارجی بیش از حد الاستیک قرار می‌گیرد تغییر شکل می‌دهد. این نوع تغییر شکل بعد از حذف بار باقی می‌ماند. آلیاژهای حافظه دار،
منجمله نیکل – تیتانیم و مس – روی – آلومینیم، رفتار متفاوتی از خود ارائه می‌نمایند. در دمای پائین یک نمونه حافظه دار می‌تواند تغییر شکل پلاستیک چند درصدی را تحمل کند و سپس به صورت کامل به شکل اولیه در دمای بالا برگردد و این تنها با افزایش دمای نمونه ممکن است. این فرآیند اولین بار در سال ۱۹۳۸ مشاهده شد و برای مدت زمانی طولانی در حد کنجکاوی
آزمایشگاهی باقی ماند. در سال ۱۹۶۳ کشف حافظه داری شکل در آلیاژ نیکل – تیتانیم با درصد اتمی مساوی (۵۰-۵۰%) نظر دانشمندان و محققین را جلب نمود. از آن پس آلیاژهای حافظه دار به صورت قابل ملاحظه ای توسعه یافتند و کشف مزایای اساسی و علمی آنها هر روز افزایش یافت. خواص ترمومکانیکی استثنایی آلیاژهای حافظه دار عامل کاربردهای بسیار مهمی در زمینه
مهندسی پزشکی شده‌است. فوق‌الاستیسیته اجازه می‌دهد تا تغییر فرمهای الاستیک بسیار زیاد، وابسته به تغییرات کم تنش، به وقوع بپیوندد و اثر حافظه داری شکل فرآیند فعال سازی ابزار و سیستمها را به صورت بسیار ساده، با تماس حرارت بدن انسان یا گرم کننده خارجی تحت فرمان جراح، ممکن سازد. همچنین گرمای لازم می‌تواند با به جریان انداختن یک مایع سترون حامل کالری یا با اتصال یک عامل گرم کننده به دست آید. دو محدوده کاربرد اصلی این خاصیت یکی ابزار
جراحی است که جراح از این خصوصیت مستقیماً در عمل جراحی کمک می‌گیرد و دوم جا دادن و جا زدن موقت یا دائم قطعات در بدن است که به ایمپلنت مشهور شده‌است. در این مواقع لازم است قبلاً در باره میزان پذیرش بدن نسبت به ایمپلنت و سازگاری آن تحقیق شده باشد. آلیاژهای نیکل تیتانیم به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی، در مجاورت بافتهای بدن، اهمیت ویژه کاربردی دارند و از مواد مهندسی حافظه دار استثنایی هستند. جهت استفاده از این مواد در بافتهای بدن باید به پارامترهایی از قبیل
۱- مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ در مایع یا بافتهای بدن ۲- پذیرش آلیاژ در بدن و عدم طرد آن از طرف ارگانهای بدن ۳- سمی و سرطان‌زا نبودن آلیاژ در بلند مدت توجه شود.بررسی های انجام شده بر روی آلیاژهای نیکل – تیتانیم نشان داده است که مقاومت در برابر خوردگی و پذیرش این آلیاژها در بدن همانند فولادهای ضد زنگ است که تاکنون به عنوان مواد بیومدیکال از آنها استفاده شده‌است. بحث ما در باره خواص مکانیکی ویژه و بی نظیر آلیاژهای حافظه دار است؛ از جمله: تکنولوژی توسعه و تولید آلیاژهای نیکل – تیتانیم، نیکل – تیتانیم – مولیبدن و نیکل – تیتانیم متخلخل استفاده شونده در پزشکی خصوصاً در مراجع کنترل کیفیت، استهلاک ارتعاشات، مقاومت خوردگی، سازگاری زیستی، خصوصیات ویژه مکانیکی، ترمومکانیکی و کاربرد آنها به عنوان ایمپلنت پزشکی و توسعه ابزار پزشکی.
آلیاژهای حافظه دار در پزشکی کاربردهای مختلفی داشته‌اند. اما کاربرد آنها به عنوان استنت و استنت پوشش دار بین عروقی بسیار ویژه است. ارزش ویژه استنت نیتینول و استنت پوشش‌دار، وقتی حافظه حرارتی آن باعث خود باز شدن در دمای بدن بشود، ثابت شده‌است. در طی ده سال گذشته عملیات داخل عروقی برای فوریتها و فرآیندهای انتخابی، به عنوان جایگزین‌های قابل قبول
در جراحی باز با منافع بالقوه، رواج پیدا کرده است. استفاده روزافزون از خصوصیات فوق‌الاستیک و بازیابی شکل حاصل از حرارت دیدن ایمپلنت حافظه دار وسیله‌ای موثر در پیشبرد طرحهای جدید بوده که سبب پیشرفت سریع کیفیت درمان گشته است.
تقسم بندی مواد جامد
مقدمه:
پیشرفتهای وسیع و سریعی که درکلیه زمینه های صنعتی رخ داده است، مرهون دستیابی به مواد با کیفیت بالاتر است که در ساخت قطعات ماشین آلات و تجهیزات صنعتی به کار می‌روند. عموماً اغلب مهندسین شاغل در واحدهای صنعتی، به ویژه طراحی و ساخت و تولید، با مواد مهندسی سروکار دارند. آنها معمولاً در انتخاب و کاربرد مواد در طراحی و ساخت و تولید اجزا و بررسی و تحلیل شکست شرکت دارند.
موقعی که در طراحی و ساخت قطعه ای در مورد انتخاب مواد تصمیم گیری میشود باید به مسائل مهمی از قبیل: روش ساخت، دقت ابعادی، حفظ و نگهداری شکل صحیح اولیه در حین کاربرد، داشتن خواص مورد نظر و نگهداشتن آن خواص برای مدت معین تحت شرایط محیط کار، امکان تعمیر و نگهداری آن خواص برای مدت معین تحت شرایط محیط کار، امکان تعمیر و نگهداری آسان درهنگام کاربرد، سازگاری ماده با دیگر مواد اجزاء سیستم، بازیابی آسان ماده، مسائل مربوط به زیست محیطی ماده در ارتباط با ساخت و تولید، هزینه تولید و بالاخره در مواردی وزن و نوع سطح ظاهری آن توجه شود.
به طور کلی مواد جامد مهندسی مورد نیاز برای طراحی و ساخت و تولید را می‌توان به سه گروه اصلی با خواص مربوط به خود تقسیم بندی کرد که عبارت اند از: ۱- مواد فلزی ۲- مواد غیر فلزی معدنی یا سرامیکی ۳- مواد پلیمری یا مصنوعی . علاوه بر این سه گروه، دو گروه دیگر از مواد وجود دارند که از این سه گره منشعب می‌شوند و به نام مواد ۴- مختلط یا کامپوزیتها و نیمه هادیها گروه چهارم و پنجم را تشکیل می‌دهند.
۱- مواد فلزی
مواد فلزی از نظر اهمیتی که در صنعت دارد به دو گروه۱- فلزات آهنی و آلیاژهای آن و فلزات غیر آهنی و آلیاژهای آن تقسیم میشود. فلزات آهنی و آلیاژهای آن عمدتاً درصد بسیار بالایی از آهن دارند که شامل انواع فولادها و چدنها می‌وشند. فلزات غیر آهنی و آلیاژهای آن شامل تمام فلزات دیگر (غیر از آهن) مانند آلومینیم، مس، روی، تیتانیم، کرم و نیکل و ; و آلیاژهای آنهاست. البته
آلیاژهای غیر آهنی مقدار نسبتاً بسیار جزئی آهن هم می‌تواند داشته باشند. مواد فلزی عمدتاً هادی (رسانای) خوبی برای حرارت و الکتریسیته هستند. اغلب فلزات در درجه حرارتهای معمولی محیط شکل پذیر بوده و در مقابل واکنشهای شیمیایی پایداری بسیار بالایی ندارند. فلزات در شرایط معمولی دارای ساختار کریستالی اند. فلزات به صورت خالص به ندرت به کار می‌روند و اغلب از آلیاژهای آنها در صنعت استفاده میشود.
۲- مواد غیر فلزی معدنی (سرامیکی)
قسمت عمده مواد غیر فلزی معدنی مورد استفاده در صنعت را مواد سرامیکی تشکیل می‌دهند. مواد سرامیکی شامل ترکیباتی از عناصر فلزی با اکسیژن به نام سرامیکهای اکسیدی و موادی سخت از قبیل کاربیدها، نیترایدها و سلیسیدها به نام سرامیکهای غیر اکسیدی است که قسمت عمده ای از مواد نسوز را تشکیل می‌دهند. سرامیکهای سیلیکاتی (مانند چینیها) نوع دیگری از مواد سرامیکی اند. مواد سرامیکی قابلیت شکل پذیری نداشته و بسیار تردند. همچنین در مقابل
واکنشهای شیمیایی بسیار پایدار بوده و در درجه حرارتهای بالا مقاوم‌اند. قابلیت هدایت الکتریکی و حرارتی سرامیکها به اندازه‌ای پایین است که به عنوان مواد عایق به کار می‌روند. مواد سرامیکی می‌توانند ساختار کریستالی، غیر کریستالی یا مخلوطی جدید می‌توان سرامیکهای نسبتاً مقاوم به شکست را تولید کرد. البته هنوز تحقیقات وسیعی برای مقاومتر کردن و توسعه آنها انجام میشود.
۳- مواد پلیمری (مواد مصنوعی)
مواد پلیمری از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی از مولکولهای زنجیره ای یا شبکه ای بزرگ مواد آلی، که از کربن و عناصر دیگری مانند هیدروژن، کلر، فلور، اکسیژن و ازت تشکیل شده‌اند، به وجود می‌آیند. مواد پلیمری در طبیعت به صورت آزاد وجود ندارند و اغلب از طریق روشهای شیمیایی و پلیمر کردن منومرهای گازی شکل به دست می‌آیند.
اغلب مواد پلیمری دارای ساختار غیر کریستالی و یا مخلوطی از کریستالی و غیر کریستالی هستند. مواد پلیمری دارای قابلیت هدایت الکتریکی بسیار ضعیفی هستند، به طوری که به عنوان عایق الکتریکی خوب به کار می‌روند، مواد پلیمری معمولاً در درجه حرارتهای پایین (زیر صفر) ترد می‌شوند ولی در درجه حرارتهای نسبتاً بالا قابلیت شکل پذیری دارند و در درجه حرارتهای بالا ذوب و یا متلاشی می‌شوند. مواد پلیمری در مقابل عوامل و واکنشهای شیمیایی در درجه حرارت معمولی محیط و در مجاورت هوای آزاد پایدارند. عموماً مواد پلیمری وزن مخصوص پایینی دارند.
۴- مواد مختلط یا کامپوزیتها
مواد مختلط یا کامپوزیتها به موادی گفته میشود که از مخلوط چند ماده (حداقل دو ماده) با خواص متفاوت تشکیل شده باشند.اجزای مواد مختلط از نظر شکل و ترکیب شیمیایی متفاوت بوده و در یکدیگر حل نمی‌شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد میکروسکوپی و ماکروسکوپی وجود دارند. بدین ترتیب می‌توان موادی با خواص جدید به دست آورد که به نوبه خود دارای خواصی مناسبتر از خواص هر یک از اجزای اولیه اتس. انواع مختلفی از مواد مختلط وجود دارند. اغلب مواد مختلط شامل یک جزء نرم و شکل پذیر به عنوان جزء اصلی زمینه و یک جزء بسیار سفت و سخت به عنوان تقویت
کننده‌است. جزء تقویت کننده می‌تواند به شکلهای صفحه ای، الیافی و ذره ای باشد. همچنین موادی که سطح خارجی آنها برای حفاظت در مقابل خوردگی و یا سایش پوشش داده میشود، مانند قلع و روی اندود کردن، و یا گالوانیزه کردن سطح خارجی به وسیله جزء مقاوم دوم ، مثل آب کرم و نیکل دادن، روکش دادن مکانیکی با ورق بسیار نازک مقاوم دیگر، پوشش دادن با مواد پلیمری و یا مواد سرامیکی، جزء مواد مختلط هستند.
۱- مواد نیمه هادی
نیمه هادیها از جمله مواد معدنی بوده و از نظر خواص بین مواد فلزی و سرامیکی قرار دارد و در صنایع الکترونیکی به کار می‌رود. هدایت الکتریکی نیمه هادیها قابل کنترل بوده، به طوری که می‌تواند در ساخت ترانزیستورها و یکسو کننده ها به کار رود.
خواص مکانیکی مواد
عکس‌العمل مواد جامد در مقابل نیروها، گشتاورها و یا به طور کلی هر نوع تنشهای خارجی وارد بر آن، اعم از استاتیکی و یا دینامیکی، در شرایط خاص محیط کار یا محیط آزمایش، رفتار یا خواص مکانیکی نامیده میشود. کیفیت موادی که در طراحی قطعات صنعتی به کار می‌رود بیش از همه به خواص مکانیکی آنها بستگی خواهد داشت. به وسیله روشهای آزمایش استاندارد شده می‌توان اعدادی را ارائه داد که مشخص کننده خواص مکانیکی باشد. بر روی خواص مکانیکی عوامل
خارجی از قبیل ۱- مقدار تنش، ۲- سرعت ۳ – مدت زمان وارد آمدن تنش ۴- درجه حرارت ۵- نوع تنش (از لحاظ استاتیکی و یا دینامیکی ) و در حالت تنش متناوب ۶- تعداد دفعات وارد آمدن آن و همچنین ۷- اثر شیمیایی محیط اطراف ماده مورد آزمایش تاثیر می‌گذارد. شرایط آزمایش باید طوری انتخاب شود که بتواند تا حد امکان مشخصات واضحی راجع به رفتار آن جسم تحت شرایط خاص محیط کار را ارائه دهد مواد ایزوتروپی اند به جز یک کریستال ها که در آنها خواص مکانیکی متفاوت است. ناهمسانگردند.
ناهمسانگردی (ان ایزوتروپی ) تک کریستال تاثیر بسزایی روی خواص مکانیکی خواهد داشت. تک کریستالها و مواد چندین کریستالی با کریستالی با کریستالهای جهت دار، با مرزها یا ذرات جهت دار فاز دوم و همچنین مواد پلیمری با مولکولهای زنجیره ای جهت دار، جزء موادی با خواص مکانیکی غیر یکنواخت درتمام جهات محسوب می‌شوند. دراندازه گیری خواص مکانیکی این گونه مواد باید از جهات مختلف قطعه نمونه برداری شود. بنابراین در کاربرد صنعتی مناسبترین و نامناسبترین جهات، از لحاظ جهت تنش اعمال شده، وجود خواهد داشت . تمام مواد بی شکل یا با ساختار شیشه‌ای و مواد چندین کریستالی با توزیع بی نظم دانه ها- با جهات کریستالی گوناگون – دارای خواص مکانیکی تقریباً یکنواختی در تمام جهات هستند. اکنون برای آشنایی بیشتر با مفهوم تنش به طور اختصار به تعریف آن می‌پردازیم.
تغییر شکل الاستیکی
هر گاه به جسمی تنشی وارد شود، تغییر شکلی در آن جسم به وجود می‌آید. در صورتی که تنش وارد بر آن از نوع تنش کششی باشد، تغییر شکل ایجاد شده در جهت نیرو به صورت ازدیاد طول، شکل (۵-۳- الف) و چنانچه تنش وارده، تنش فشاری باشد به صورت کاهش طول ظاهر میشود، شکل (۵-۳- ب). اگر تنش وارده، تنش مماسی (برشی ) باشد، تغییر شکل به صورت تغییر زوایا است، شکل (۵-۳- ج).
از خاصیت الاستیکی موقعی صحبت میشود که تغییر شکل ) ایجاد شده با نیروی (F) وارد برجسم به صورت خطی متناسب باشد ) و همزمان با حذف نیرو از روی جسم تغییر شکل ایجاد گردیده برطرف شده و جسم به حالت اولیه خود برگردد.
مدول الاستیکی
رابطه بین تنش و تغییر شکل الاستیکی یا به عبارت دیگر تغییر شکل برگشت پذیر به وسیله قانون یا رابطه هوک داده شده است.
عوامل موثر بر روی مدول الاستیکی
جهات کریستالی
در تک کریستالها به علت وجود غیر یکنواختی جهتی یا ناهمسانگردی (ان ایزوتروپی) مدول الاستیکی در جهات مختلف کریستال متفاوت است، جدول (۵-۱). ولی در پلی کریستالها که از تعداد زیادی دانه های کریستالی تشکیل شده و هریک از دانه ها از لحاظ ساختار شبکه کریستالی از نظر آماری بدون هرگونه نظم و ترتیب خاصی در جهات مختلفی قرار گرفته‌اند. خواص الاستیکی بستگی قابل ملاحظه‌ای به جهت کریستالی ندارد و تا حدودی دارای خاصیت تقریباً یکنواختی در تمام جهات کریستالی است. به طوری که برای مشخص کردن رفتار الاستیکی موادی که دارای
تعداد زیادی دانه های کریستالی است، تعیین یک مدول الاستیکی و یا مدول برشی کافی خواهد بود. در بعضی موارد در نتیجه عملیاتی از قبیل نورد، دانه های یک قطعه چندین بلوری می‌تواند در یک جهت خاصی قرار گرفته و جهت دار شود یا به عبارتی تکستور یا تکسچر خاصی پیدا کند، که این پدیده سبب ایجاد رفتاری متفاوت در مقابل تغییر شکل الاستیکی در جهات مختلف میشود. برای مثال خاصیت مغناطیسی یک نمونه فولادی با دانه های جهت دار مناسب، به اندازه قابل ملاحظه
ای افزایش می‌یابد.
درجه حرارت
مدول الاستیکی مواد به قدرت اتصالات اتمی در شبکه کریستالی بستگی داشته و عمدتاً تحت تاثیر مقدار متوسط فواصل اتمی (در نتیجه ارتعاشات غیر متفارن شبکه)که با ازدیاد درجه حرارت افزایش می‌یابد، قرار خواهد گرفت. از این رو مدول الاستیکی با افزایش درجه حرارت کاهش می‌یابد، شکل (۵-۴). این وابستگی به درجه حرارت برای فلزات و سرامیکها نسبتاً کم و در موا
د مصنوعی بیشتر میشود. در ساختارهای مولکولی مانند لاستیکها از همان ابتدای وارد آمدن تنش رابطه خطی بین تغییر شکل و تنش برقرار نیست، زیرا که الاستیسیته تنها مستقیماً به تاثیر متقابل اتمهای همسایه مربوط نمی‌شود، بلکه به کشش و برش زنجیرهای مولکولی نیز بستگی دارد.
عناصر آلیاژی
در بررسی مدول الاستیکی موادی که از تعدادی اتمهای متفاوت یا از چند نوع مولکول تشکیل شده باشند، باید بین فازهای محلول و غیر محلول تفاوت قائل شد.
مدول برشی
در محدوده الاستیکی رابطه مشابهی با بین تنش برشی و تغییر شکل نسبی برشی به دست آمده توسط آن وجود دارد،
ضریب پواسان
همزمان با تغییر شکل الاستیکی در امتداد نیرو – تحت تاثیر نیروی تک محوری – تغییر شکلی هم در جهات دیگر نمونه صورت می‌گیرد.
تغییر شکل پلاستیکی مواد
معمولاً در طراحی اجزای ماشین آلات صنعتی تنها محدوده الاستیکی اهمیت دارد و در مقابل تنشهای اعمالی هیچ گونه تغییر شکل برجای ماندنی نباید در قطعه انجام گیرد. بدین منظور برای حفظ ابعاد هر قطعه ضریب اطمینان بالایی جهت بافی ماندن تغییر شکل در محدوده الاستیکی در نظر گرفته میشود. با وجود این، بررسی رفتار این گونه قطعات در مقابل تنشهایی که از حد الاستیکی می‌گذرد و همچنین کاربردهایی که عمدتاً مربوط به تغییر شکل برجای ماندنی میشود، از اهمیت خاصی برخوردار است.
نیکل (Ni)
در فولادهای ساختمانی، نیکل مقاومت ضربه‌ای راحتی در دماهای پایین افزایش می‌دهد. نیکل کاربیدزا نبوده و با تشکیل محلول جامد استحکام و سفتی (چقرمگی) را افزایش می‌دهد. مقدار بیش از ۷% نیکل با گسترش ناحیه آستنیت در فولادهایی که دارای مقدار بالایی از کرم بوده و پایدار در مقابل واکنشهای شیمیایی است سبب میشود که در درجه حرارتهایی پایینتر از دمای
معمولی محیط ساختار آستنیتی پایدار باقی بماند. فولادهای آستنیتی در دماهای بیش از مقاومت حرارتی بالایی دارد. زیرا که درجه حرارت تبلور مجدد آنها بالاست. این فولادها عملاً قابلیت مغناطیس پذیری ندارد. قابلیت هدایت مشخص، سبب پایدار شدن خواص فزیکی معینی میشود، برای مثال ضریب انبساط حرارتی پایین.
تیتانیم (Ti)
به دلیل تمایل زیاد آن به اکسیژن و ازت، گوگرد و کربن یک احیا کننده، ازت زدا و گوگردزدای قوی و همچنین تشکیل دهنده قوی کاربید است. به طور وسیعی در فولادهای مقاوم در مقابل خوردگی به عنوان تشکیل دهنده کاربید برای پایدار کنندگی در مقابل خوردگی بین دانه‌ای به کار می‌رود. علاوه بر آن سبب ریز شدن دانه ها میشود. تیتانیم محدوده آستنیت را شدیداً تنگ می‌کند و به ازای
مقدار زیاد فعل و انفعالات جدایشی (رسوب سازی و پیرسختی) انجام می‌گیرد و به دلیل نیاز به نیرو و حوزه مغناطیسی بالا جهت مغناطیس زدایی به آلیاژ های مغناطیس دائمی افزوده میشود. تیتانیم تمایل شدیدی به تشکیل ترکیباتی با دیگر عناصر و جدایش دارد. تیتانیم در نتیجه تشکیل نیتراید های خاص مقاومت خزشی را افزایش می‌دهد.
آلیاژهای تیتانیم
تیتانیم به دلیل داشتن مقاومت عالی در مقابل خوردگی استحکام ویژه بالا و خواص مکانیکی خوب، به ویژه در دماهای نسبتاً بالا، اهمیت صنعتی یافته است. اما در دمای بالاتر از لایه نازک محافظ تجزیه و در هم شکسته میشود و اتمهای کوچکی مانند کربن، اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن با نفوذ در شبکه تیتانیم، ایجاد ترکیبات ترد و شکننده‌ای می‌کنند. تیتایمی یکی از فلزات چند شکلی است، با شبکه کریستالی hcp در دماهای پایین و با ساختار bcc در دمای بالاتر از عناصر آلیاژی باعث تغییر دمای تبدیل ساختاری تیتانیم می‌شوند. تیتانیم خالص به دلیل مقاومت ممتاز آن در مقابل خوردگی اهمیت یافته است. آلیاژ های تیتانیم با ریز ساختاری شامل هر دو فاز پایدار در دمای معمولی محیط تولید شده‌اند. آلیاژ V4%- AI 6% – Ti یکی از آلیاژهای متداول از این نوع آلیاژهاست. با وجود این دو فاز می‌توان با عملیات حرارتی و کنترل ریز ساختار تا حد زیادی به خواص مکانیکی مورد نظر در آلیاژ رسید.
با آنیل کردن می‌توان به ترکیبی از انعطاف پذیری بالا، خواص یکنواخت و استحکام خوبی دست یافت. ابتدا آلیاژ را تا دمایی درست پایینتر از تبدیل حرارت داده و قبل از اینکه تمامی به تبدیل شود و مقدار کمی باقی بماند، برای جلوگیری از رشد دانه آلیاژ را سرد می‌کنیم، سرد کردن آرام باعث شکل گیری دانه های هم محور میشود. ساختار دانه های هم محور منجر به انعطاف پذیری و شکل پذیری خوب آلیاژ می‌وشد و جوانه زنی ترکهای خستگی را مشکل می‌سازد. سرد کردن سریعتر، به ویژه از دمای بالای محدوده ، منجر به تشکیل فاز سوزنی ترکهای خستگی می‌تواند راحت تر انجام گیرد، اما ترکها برای رشد باید مسیر پیچ و خم داری را در امتداد دانه ها بین و طی کنند. بدین علت آهنگ (سرعت )رشد ترک خستگی کاهش و تافنش شکست و مقاومت خزشی افزایش می‌یابد.
آلیاژ های تیتانیم در ساخت اسکلت هواپیما، راکتها، موتورهای جت کاربرد دارد. بعضی از آلیاژهای تیتانیم، مانند V4% – AI6% -Ti ، رفتار سوپر پلاستیک دارند و می‌توانند تا ۱۰۰% تغییر شکل یابند.
در صورتی که حداکثر دمای موقعیت کاری زیر باشد، به طوری که لایه نازک اکسید پایدار باقی بماند، تیتانیم می‌تواند انتخاب خوبی برای تامین کردن مقاومت به خوردگی در دماهای بالا باشد. از این رو تیتانیم خالص تجارتی بهترین مقاومت به خوردگی را فراهم می‌سازد. بنابراین تیتانیم همچنین شروط شکل‌پذیری و قابلیت جوشکاری را برآورده می‌سازد و برای ما انتخابی منطقی خواهد بود. اگر فکر کنیم تیتانیم خالص نتواند استحکام لازم و کافی را داشته باشد می‌توانیم برای اطمینان بیشتر از یک آلیاژ تیتانیم با مقاومت به خوردگی بالاتر که شکل پذیری و قابلیت جوشکاری هم دارد و استحکام آن نیز مقداری بهبود می‌یابد استفاده کنیم.
مقدمه:
موادی که باعث می‌وشند سازه ها با محیط خود سازگار شوند مواد محرک نامیده می‌شوند. این مواد می‌توانند شکل، سفتی، مکان، فرکانس طبیعی و سایر مشخصات مکانیکی را در پاسخ به دما و یا میدان های الکترو مغناطیسی تغییر دهند. امروه چهار نوع ماده محرک به طور عمده استفاده می‌وشد که آلیاژهای حافظه دار، سرامیکهای پیزو الکتریک، مواد مغناطیسی سخت و مایعات
الکترورئولوژکال و مگنتورئولوژیکال می‌باشند. آلیاژهای حافظه دار موادی هستند که بعد از اینکه تحت کرنش قرار گرفتند در یک دمای خاص به شکل اصلی خود برمی‌گردند. در فرآیند برگشت به شکل “ به یاد مانده” آلیاژ می‌تواند نیروی زیادی تولید کند که جهت تحریک مفید است. این آلیاژها در بیش از پنجاه سیستم آلیاژی توسعه یافته اند. برجسته‌ترین آنها خانواده آلیاژ ها نیکل – تیتانیم است که اولین بار در آزمایشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordnance Lab) ساخته شد. ماده‌ای که تحت نام نیتینول (Nitinol) مشهور شده دو حرف اول آن در ارتباط با نیکل، دو حرف بعدی مربوط به عنصر
تیتانیم و سه حرف آخر در رابطه با آزمایشگاه ناوال اوردنانس می‌باشد. این آلیاژ مقاومت قابل توجهی در برابر خوردگی و خستگی از خود نشان می‌دهد ضمناً در برگیرنده و پوشش دهنده تغییر شکلهای بزرگ خواهد بود. در این آلیاژها کرنشی که افزایش طول مربوط به آن بالاتر از ۸ درصد طول آلیاژ باشد می‌تواند به وسیله حرارت دادن مثلاً به وسیله جریان الکتریکی برگشت پیدا کند. مکانیزم اصلی که خواص آلیاژهای حافظه دار را کنترل می‌کند در رابطه با تغییر ساختار کریستالی آلیاژ
است. به این معنی که ساختار مارتنزیتی در دمای از پیش تعیین شده با افزایش دما به ساختار آستنیتی تبدیل میشود و در هنگام سرد کردن فرایند عکس رخ خواهد داد. بسیاری از مواد، استحاله مارتنزیتی دارند ولی چیزی که نیتینول را نسبت به آلیاژهای دیگر متمایز می‌نماید قابلیت مارتنزیت این آلیاژ در دوقلو شدن می‌باشد در حالیکه مواد دیگر به وسیله لغزش و حرکت نابجائیها تغییر شکل می‌یابند، نیتینولها به وسیله تغییر جهت ساده ساختار کریستالهای خود از طریق
مرزهای دو قلوئی به تنشهای اعمال شده عکس‌العمل نشان می‌دهند. سیمهای نیتینول که درون مواد مرکب قرار می گیرند، جهت بهبود خواص ارتعاشی موثر بوده‌اند. این مواد به وسیله تغییر دادن سختی، تغییر حالت تنش در سازه ها، و در نتیجه جابجا کردن فرکانس طبیعی ماده مرکب، سبب بهبود خواص ارتعاشی می‌وشند. با وجود اینکه بعید به نظر می‌رسد سازه‌ها توسط هرمرتعش کننده خارجی به ارتعاش درآیند. معلوم شده‌است فرایند تشدید می‌تواند در بعضی از مواقع حتی سبب تخریب یک سازه بزرگ مانند پل گردد.
از زمان کشف خاصیت حافظه داری در آلیاژهای نیکل – تیتانیم در سال ۱۹۶۲ علاقه فراوانی توسط پزشکان، جراحان و دندانپزشکان در به کارگیری این آلیاژهای جالب، بعنوان محصولات طبی بخصوص در روشهای درمانی نیمه تهاجمی ایجاد شده است.
خصوصیات کلی استحاله مارتنزیتی
در میان تمام استحاله های فاز در حالت جامد، استحاله مارتنزیتی دارای خصوصیاتی است که آنرا از سایر استحاله‌های ساختاری مواد متمایز می‌سازد.(رسوب گذاری، نفوذ، اکسیداسیون و ;.) براساس استحاله مارتنزیتی در فولودها، آستنیت یا فاز مادر در دمای بالا پایدار و فاز مارتنزیت حاصل از آن در دمای پایین پایدار می‌ماند.
پنج مورد از خصوصیات استحاله مارتنزیتی به ترتیب زیر بررسی می‌شوند.
۱- تغییر فاز در حالت جامد که عامل آن تغییر شکل غیر الاستیک شبکه کریستالی می‌باشد. این تغییر شکل حاصل تغییر مکان جمعی اتمها در فواصل نسبتاً کوتاه نسبت به پارامترهای شبکه کریستالی خواهد بود.
۲- عدم حضور فرایند نفوذ موجب فوری بودن تغییر حالت میشود. به عبارت دیگر سرعت تولید فاز مارتنزیت قابل مقایسه با سرعت صوت در جامدات است.( ۱۰۳ متر بر ثانیه) لازم به ذکر است در حالی که فرآیند استحاله ادامه دارد دو فاز مورد نظر به طور همزمان حضور دارند.
۳- در واحد حجم ماده، هنگام تغییر فاز تغییر شکلی با خواص زیر نسبت به شکل قبل از آن اتفاق می‌افتد:
ـ تغییر حجم قابل اغماض (در آلیاژهای حافظه دار)
ـ لغزش زیاد سطوح کریستالی در یک جهت معین.
این تغییر شکل حاصل یک استحاله شبکه کریستالی (تغییر شکل بن Bain ) و یک استحاله بدون تغییر شبکه (Invarient) می باشد مکانیزم اخیر موجب تولید نوعی ریز ساختار داخل مارتنزیت میشود (دو قلویی، نابجایی، عیوب انباشتگی و ;.)
۴- جهت به حداقل رساندن انرژی فصل مشترک مارتنزیت تشکیل شده و آستنیت باقیمانده، دامنه های مارتنزیت شده اغلب عدسی شکل‌اند. سطح اصلی بین دو فاز، سطح همنشینی و یا سطح پیوند نام دارد. این سطح برای گروه آلیاژهای مختلف کاملاً تعریف شده است و سطح برش مارتنزیت نام دارد. در رابطه با آلیاژهای حافظه‌دار، جهت برش، عملاً در این سطح قرار دارد. (تغییر حجم قابل اغماض است). به دلیل توازن کریستالی فاز مادر تعداد زیادی سطح همنشینی در تک کریستال در حال استحاله بطور همزمان وجود دارند. مجموعه سوزنهای دارای سطح همنشینی مشترک و جهت برش مشترک واریانت (Variant) مارتنزیت نام دارد.
۵- در استحاله مارتنزیتی مانند هر تغییر حالت دیگر، درجه حرارت و تنش، متغیرهای ترمودینامیکی خارجی موثر بر استحاله می‌باشند. در آلیاژهای حافظه دار استحاله مارتنزیتی با حجم تقریباً ثابت رخ می‌دهد و از اثر فشار هیدرواستاتیک صرف نظر میشود. اصولاً نقش ابتکار عمل پیشرفت
استحاله به عهده عوامل منحرف کننده تنش ها می‌باشد. استحاله مارتنزیتی دارای دو محدوده وسیع کاربرد است:
ـ در عملیات حرارتی فولادها کاربرد بسیار گسترده دارند. زیرا مارتنزیت حاصل از سریع سردکردن فولادها یک ساختار خارج از تعادل فوق‌العاده سخت است. در این نوع کاربرد تغییر شکلهای همراه با تشکیل فاز مارتنزیت عامل تردی آلیاژ خواهند بود که در رابطه با تولید تنشهای داخلی می‌باشد.
ـ در آلیاژهای حافظه دار استحاله مارتنزیتی با تغییر درجه حرارت و تنش رخ می‌دهد که تغییر شکل مربوط به این استحاله دارای یک شکل درجه حرارت بالا و یک شکل درجه حرارت پایین می‌باشد. در این رابطه تغییر شکل بازگشتی در حدود ۵ تا ۱۰ درصد است.
سینماتیک استحاله مارتنزیتی
تعداد زیادی از فرآیندهای مربوط به آلیاژهای حافظه دار، حاصل تشکیل و توسعه مارتنزیت است. در اینجا از تغییر شکل حرارتی (انبساط ) و تغییر شکل الاستیک (تغییر شکل بازگشتی شبکه کریستالی ) صرف نظر میشود. زیرا این نوع تغییر شکل نسبت به تغییر شکل استحاله مارتنزیتی بسیار جزئی می‌باشند.
روشهای بررسی آلیاژهای حافظه دار
جهت ارزیابی تغییر حالت مستقیم یا برعکس، اندازه گیری درجه حرارتهای تغییر حالت یا کلاً فهم مکانیزمهای پایه‌ای آلیاژهای حافظه دار روشهای عملی متعددی بکار گرفته می‌شوند. بعضی از این روشها بطور دائم در متالورژی فیزیکی استفاده می‌شوند. این روشها عبارتند از: میکروگرافی نوری یا التکترونی، تفرق اشعه x یا الکترون، اندازه گیری سختی در اشل میکروسکوپی، دیلاتومتری، ;..
روشهای دیگری به خصوص در رابطه با آلیاژهای حافظه دار توسعه یافته‌اند. از جمله امواج آکوستیک، اندازه گیری مقاومت الکتریکی، کالریمتری تفاضلی روبشی (DSC) آزمایشات مکانیکی معمولی (کشش، پیچش، خمش 😉 در درجه حرارت ثابت و یا متغیر روشهای پایه ای جهت بررسی واکنشهای ترمومکانیکی این آلیاژها می‌باشد.
ـ امواج آکوستیک: پایه آن ثبت امواج اولتراسونیک (امواج مکانیکی) حاصل از تنش و توسعه سوزنهای مارتنزیتی است. امواج اولتراسونیک در ارتباط با بخش دینامکی انرژی داخلی حاصل از اندرکنش بین واریانتها و آستنیت و بین خود واریانتها می‌باشد. جهت آنالیز این امواج از یک گیرنده پیزو الکتریکی همراه با آمپلی فایر استفاده میشود. فعالیت اولتراسون بر حسب پیشرفت استحاله اندازه گیری میشود.
ـ کالریمتری تفاضلی روبشی عبارت از اندازه گیری مقدار گرمای حاصل از واکنش اگرزترمیک و یا گرمای جذب شده در واکنش برعکس می‌باشد، ضمناً انرژی مکانیکی تلف شده بصورت گرما در استحاله همراه با هیسترزیس نیز قابل اندازه گیری می‌باشد. دراین حالت واکنش، همیشه اگزوترمیک خواهد بود. در هنگام سرد و یا گرم شدن مقدار گرمای جذب و یا دفع شده یک نمونه بدون استحاله (مرجع) و یک نمونه با استحاله مقایسه می‌شوند.
انواع آلیاژهای حافظه دار و خواص مربوط به آنها
همه موادی که دارای استحاله مارتنزیتی باشند آلیاژ حافظه دار نیستند، بلکه برای حافظه دار بودن آین آلیاژها لازم است استحاله مارتنزیتی بازگشتی باشد و پس ماند (هیسترزیس) خیلی زیاد نباشد. بعضی مواد مانند پلیمرها و فولادها که دارای حافظه‌اند در حال حاضر در آزمایشگاهها تحت بررسی هستند. ولی در اینجا تنها از سه خانواده آلیاژهای حافظه داری که به مرحله تولید صنعتی رسیده‌اند و کاربردهای آنها توسعه یافته است صحبت میشود.
خواص آلیاژهای حافظه دار خصوصاً آنچه مربوط به استحاله مارتنزیتی است قویاً به ترکیب شیمیایی، ساختار و مکانیک مواد بستگی دارد. به همین دلیل تغییرات جزئی در ترکیب شیمیایی موجب تغییر درجه حرارت استحاله به میزان چندین درجه میشود.
به موازات مساله ترکیب شیمیایی، استحاله در طی شکل دهی (نورد، کشش سیم، 😉 در شرایط مشکلتری نسبت به مواد معمولی انجام میشود. در تغییر شکل سرد، نقش مرزدانه ها و بافت کریستالی بر طبیعت واریانتهای فعال و اندرکنش بین واریانها بررسی شده‌است که نشانه اثر دانه‌های پلی کریستال بر پاسخ ترمودینامیکی آلیاژهای حافظه دار است. می‌توان استنباط کرد که برای کاربردهای مختلف، استفاده از تک کریستالهای آستنیت در حل بعضی مشکلات وابسته به شکل پذیری ضعیف پلی کریستالها یا گستره قابل توجه استحاله در این مواد مفید است.
خواص ترمومکانیکی
تغییر شکل الاستیک خطی (بازگشت‌پذیر) در یک فلز معمولی در حدود ۱/۰ درصد و تغییر شکل پلاستیک (غیر بازگشتی) می‌تواند به دهها درصد برسد. با حرارت دادن فلز تغییر شکل یافته (تا دمای بازیابی و یا آنیل) حالت داخلی آن به حالت تعادل نزدیک میشود، (حذف عیوب ساختاری) ولی شکل ظاری بدست آمده پس از تغییر شکل پلاستیک تغییر نمی‌کند. تغییر درجه حرارت موجب تغییر شکل حرارتی بازگشتی در حدود ۰۰۱/۰ درصد به ازای هر درجه خواهد شد.
واکنش آلیاژهای حافظه دار در مقابل بارگذاری ترمومکانیکی نسبت به فلزات معمولی کاملاً متفاوت است. بر حسب تعداد، ماهیت توالی سیکلهای بارگذاری ترمومکانیکی واکنشهای مربرط به مکانیزمهای فیزیکی مختلف که در همه آنها استحاله مارتنزیتی دخالت می‌کند متمایز می‌شوند. این مکانیزمها چهارنوعند:
۱- تشکیل مارتنزیت جهت یافته توسط تنش (داخلی یا بکار رفته ) و بازگشت به حالت آستنیتی
۲- تشکیل مارتنزیت غیر جهت یافته در اثر سردکردن بدون تنش و بازگشت به حالت آستنیتی
۳- جهت یابی مجدد غیر بازگشتی واریانتها توسط تنش خارجی
۴- جهت‌یابی جزئی و بارگشتی واریانتها توسط تنش خارجی
برحسب بارگذاری ترمومکانیکی و تاریخچه بار، مکانیزمهای فوق موجب پنج نوع واکنش زیر می‌شوند:
ـ فوق ترموالاستیسیته: از خصوصیات آن بدست آمدن تغییر شکل «فوق حرارتی» یا «فوق الاستیک» در حدود چند درصد است
ـ حافظه یک جهتی: عبارتست از ظرفیت یک آلیاژ حافظه دار جهت پیدا کردن شکل اولیه خود با گرم کردن، بعد از اعمال چند در صد تغییر شکل که در سرما صورت می‌گیرد.
ـ حافظه دو جهتی: عبارت است از ظرفیت آلیاژ حافظه دار جهت آموزش به طریق بازگشتی از یک شکل در درجه حرارت پایین به شکل درجه حرارت بالا با گرم کردن و یا سرد کردن، تغییر شکل توصیف کننده تعویض شکل بین حالت دما بالا و دمای پایین است.
ـ اثر کائوچویی: در رابطه با حرکت بازگشتی واریانتهای مارتنزیت است که تردی کمتر آلیاژ حافظه دار نسبت به مواد با مدول الاستیک معمولی را می‌رساند. استحاله مارتنزیتی دارای مکانیزمهای مختلف اتلاف انرژی است که توانایی مهم آلیاژ در میرایی مکانیکی را توصیف می‌کند.
می‌توان چنین استنباط کرد که حافظه شکل در آلیاژهای حافظه دار تنها یکی از وجوه رفتار ترمودینامیکی متنوع و مختلف را در بر می‌گیرد کاربردهای آلیاژهای حافظه دار که در بخشهای بعدی بحث میشود این رفتار متنوع را توصیف خواهد کرد.
فوق ترموالاستیسیته در آلیاژهای حافظه دار
تغییر شکل فوق ترموالاستیسیته در رابطه با تشکیل مارتنزیت جهت یافته توسط تنش اعمال شده‌است. ادامه و تکمیل استحاله با تغییر تنش و یا درجه حرارت امکان پذیر است.
نخستین استفاده مهم صنعتی از این پدیده که در آلیاژهای ح
افظه دار مشاهده میشود، در صنایع فضایی آمریکا (NASA) بود. زیرا در صنایع فضایی یکی از محدودیتهای مهم حجم تجهیزات می‌باشد. مثلاً آنتن ماهوارهای مخابراتی حجم عظیمی دارد، که با استفاده از آلیاژهای حافظه دار ساخته میشود. مراحل به ترتیب زیر انجام می‌گیرند.
۱- حلقه سیم نیکل – تیتانیم در دمای ۶۵۰ ساخته میشود که در این دما آلیاژ بصورت فاز بتا می‌باشد.
۲- استحاله مارتنزیتی با استفاده از سرد کردن حلقه در حدود ۶۰ آغاز میشود.
- در صورتی که به هر دلیلی موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید با ما تماس بگیرید.
