آلياژ‌هاي حافظه دار

خلاصه متن

آلياژ‌هاي حافظه دار عنوان گروهي از آلياژها مي‌باشد كه خواص متمايز و برتري نسبت به ساير آلياژها دارند. عكس‌العمل شديد اين مواد نسبت به برخي پارامترهاي ترموديناميكي و مكانيكي و قابليت بازگشت به شكل اوليه در اثر اعمال پارامترهاي مذكور به گونه‌اي است كه رفتار موجودات زنده را تداعي مي‌نمايد. وقتي يك آلياژ معمولي تحت بار خارجي بيش از حد الاستيك قرار مي‌گيرد تغيير شكل مي‌دهد. اين نوع تغيير شكل بعد از حذف بار باقي مي‌ماند. آلياژهاي حافظه دار،

منجمله نيكل – تيتانيم و مس – روي – آلومينيم، رفتار متفاوتي از خود ارائه مي‌نمايند. در دماي پائين يك نمونه حافظه دار مي‌تواند تغيير شكل پلاستيك چند درصدي را تحمل كند و سپس به صورت كامل به شكل اوليه در دماي بالا برگردد و اين تنها با افزايش دماي نمونه ممكن است. اين فرآيند اولين بار در سال ۱۹۳۸ مشاهده شد و براي مدت زماني طولاني در حد كنجكاوي

آزمايشگاهي باقي ماند. در سال ۱۹۶۳ كشف حافظه داري شكل در آلياژ نيكل – تيتانيم با درصد اتمي مساوي (۵۰-۵۰%) نظر دانشمندان و محققين را جلب نمود. از آن پس آلياژهاي حافظه دار به صورت قابل ملاحظه اي توسعه يافتند و كشف مزاياي اساسي و علمي آنها هر روز افزايش يافت. خواص ترمومكانيكي استثنايي آلياژهاي حافظه دار عامل كاربردهاي بسيار مهمي در زمينه

مهندسي پزشكي شده‌است. فوق‌الاستيسيته اجازه مي‌دهد تا تغيير فرمهاي الاستيك بسيار زياد، وابسته به تغييرات كم تنش، به وقوع بپيوندد و اثر حافظه داري شكل فرآيند فعال سازي ابزار و سيستمها را به صورت بسيار ساده، با تماس حرارت بدن انسان يا گرم كننده خارجي تحت فرمان جراح، ممكن سازد. همچنين گرماي لازم مي‌تواند با به جريان انداختن يك مايع سترون حامل كالري يا با اتصال يك عامل گرم كننده به دست آيد. دو محدوده كاربرد اصلي اين خاصيت يكي ابزار

جراحي است كه جراح از اين خصوصيت مستقيماً در عمل جراحي كمك مي‌گيرد و دوم جا دادن و جا زدن موقت يا دائم قطعات در بدن است كه به ايمپلنت مشهور شده‌است. در اين مواقع لازم است قبلاً در باره ميزان پذيرش بدن نسبت به ايمپلنت و سازگاري آن تحقيق شده باشد. آلياژهاي نيكل تيتانيم به دليل مقاومت خوب در برابر خوردگي، در مجاورت بافتهاي بدن، اهميت ويژه كاربردي دارند و از مواد مهندسي حافظه دار استثنايي هستند. جهت استفاده از اين مواد در بافتهاي بدن بايد به پارامترهايي از قبيل

 

۱- مقاومت در برابر خوردگي آلياژ در مايع يا بافتهاي بدن ۲- پذيرش آلياژ در بدن و عدم طرد آن از طرف ارگانهاي بدن ۳- سمي و سرطان‌زا نبودن آلياژ در بلند مدت توجه شود.بررسي هاي انجام شده بر روي آلياژهاي نيكل – تيتانيم نشان داده است كه مقاومت در برابر خوردگي و پذيرش اين آلياژها در بدن همانند فولادهاي ضد زنگ است كه تاكنون به عنوان مواد بيومديكال از آنها استفاده شده‌است. بحث ما در باره خواص مكانيكي ويژه و بي نظير آلياژهاي حافظه دار است؛ از جمله: تكنولوژي توسعه و توليد آلياژهاي نيكل – تيتانيم، نيكل – تيتانيم – موليبدن و نيكل – تيتانيم متخلخل استفاده شونده در پزشكي خصوصاً در مراجع كنترل كيفيت، استهلاك ارتعاشات، مقاومت خوردگي، سازگاري زيستي، خصوصيات ويژه مكانيكي، ترمومكانيكي و كاربرد آنها به عنوان ايمپلنت پزشكي و توسعه ابزار پزشكي.

آلياژهاي حافظه دار در پزشكي كاربردهاي مختلفي داشته‌اند. اما كاربرد آنها به عنوان استنت و استنت پوشش دار بين عروقي بسيار ويژه است. ارزش ويژه استنت نيتينول و استنت پوشش‌دار، وقتي حافظه حرارتي آن باعث خود باز شدن در دماي بدن بشود، ثابت شده‌است. در طي ده سال گذشته عمليات داخل عروقي براي فوريتها و فرآيندهاي انتخابي، به عنوان جايگزين‌هاي قابل قبول

در جراحي باز با منافع بالقوه، رواج پيدا كرده است. استفاده روزافزون از خصوصيات فوق‌الاستيك و بازيابي شكل حاصل از حرارت ديدن ايمپلنت حافظه دار وسيله‌اي موثر در پيشبرد طرحهاي جديد بوده كه سبب پيشرفت سريع كيفيت درمان گشته است.

تقسم بندي مواد جامد
مقدمه:
پيشرفتهاي وسيع و سريعي كه دركليه زمينه هاي صنعتي رخ داده است، مرهون دستيابي به مواد با كيفيت بالاتر است كه در ساخت قطعات ماشين آلات و تجهيزات صنعتي به كار مي‌روند. عموماً اغلب مهندسين شاغل در واحدهاي صنعتي، به ويژه طراحي و ساخت و توليد، با مواد مهندسي سروكار دارند. آنها معمولاً در انتخاب و كاربرد مواد در طراحي و ساخت و توليد اجزا و بررسي و تحليل شكست شركت دارند.

موقعي كه در طراحي و ساخت قطعه اي در مورد انتخاب مواد تصميم گيري مي‌شود بايد به مسائل مهمي از قبيل: روش ساخت، دقت ابعادي، حفظ و نگهداري شكل صحيح اوليه در حين كاربرد، داشتن خواص مورد نظر و نگهداشتن آن خواص براي مدت معين تحت شرايط محيط كار، امكان تعمير و نگهداري آن خواص براي مدت معين تحت شرايط محيط كار، امكان تعمير و نگهداري آسان درهنگام كاربرد، سازگاري ماده با ديگر مواد اجزاء سيستم، بازيابي آسان ماده، مسائل مربوط به زيست محيطي ماده در ارتباط با ساخت و توليد، هزينه توليد و بالاخره در مواردي وزن و نوع سطح ظاهري آن توجه شود.

به طور كلي مواد جامد مهندسي مورد نياز براي طراحي و ساخت و توليد را مي‌توان به سه گروه اصلي با خواص مربوط به خود تقسيم بندي كرد كه عبارت اند از: ۱- مواد فلزي ۲- مواد غير فلزي معدني يا سراميكي ۳- مواد پليمري يا مصنوعي . علاوه بر اين سه گروه، دو گروه ديگر از مواد وجود دارند كه از اين سه گره منشعب مي‌شوند و به نام مواد ۴- مختلط يا كامپوزيتها و نيمه هاديها گروه چهارم و پنجم را تشكيل مي‌دهند.

۱- مواد فلزي
مواد فلزي از نظر اهميتي كه در صنعت دارد به دو گروه۱- فلزات آهني و آلياژهاي آن و فلزات غير آهني و آلياژهاي آن تقسيم مي‌شود. فلزات آهني و آلياژهاي آن عمدتاً درصد بسيار بالايي از آهن دارند كه شامل انواع فولادها و چدنها مي‌وشند. فلزات غير آهني و آلياژهاي آن شامل تمام فلزات ديگر (غير از آهن) مانند آلومينيم، مس، روي، تيتانيم، كرم و نيكل و … و آلياژهاي آنهاست. البته

آلياژهاي غير آهني مقدار نسبتاً بسيار جزئي آهن هم مي‌تواند داشته باشند. مواد فلزي عمدتاً هادي (رساناي) خوبي براي حرارت و الكتريسيته هستند. اغلب فلزات در درجه حرارتهاي معمولي محيط شكل پذير بوده و در مقابل واكنشهاي شيميايي پايداري بسيار بالايي ندارند. فلزات در شرايط معمولي داراي ساختار كريستالي اند. فلزات به صورت خالص به ندرت به كار مي‌روند و اغلب از آلياژهاي آنها در صنعت استفاده مي‌شود.

۲- مواد غير فلزي معدني (سراميكي)
قسمت عمده مواد غير فلزي معدني مورد استفاده در صنعت را مواد سراميكي تشكيل مي‌دهند. مواد سراميكي شامل تركيباتي از عناصر فلزي با اكسيژن به نام سراميكهاي اكسيدي و موادي سخت از قبيل كاربيدها، نيترايدها و سليسيدها به نام سراميكهاي غير اكسيدي است كه قسمت عمده اي از مواد نسوز را تشكيل مي‌دهند. سراميكهاي سيليكاتي (مانند چينيها) نوع ديگري از مواد سراميكي اند. مواد سراميكي قابليت شكل پذيري نداشته و بسيار تردند. همچنين در مقابل

واكنشهاي شيميايي بسيار پايدار بوده و در درجه حرارتهاي بالا مقاوم‌اند. قابليت هدايت الكتريكي و حرارتي سراميكها به اندازه‌اي پايين است كه به عنوان مواد عايق به كار مي‌روند. مواد سراميكي مي‌توانند ساختار كريستالي، غير كريستالي يا مخلوطي جديد مي‌توان سراميكهاي نسبتاً مقاوم به شكست را توليد كرد. البته هنوز تحقيقات وسيعي براي مقاومتر كردن و توسعه آنها انجام مي‌شود.
۳- مواد پليمري (مواد مصنوعي)

مواد پليمري از كنار هم قرار گرفتن تعداد زيادي از مولكولهاي زنجيره اي يا شبكه اي بزرگ مواد آلي، كه از كربن و عناصر ديگري مانند هيدروژن، كلر، فلور، اكسيژن و ازت تشكيل شده‌اند، به وجود مي‌آيند. مواد پليمري در طبيعت به صورت آزاد وجود ندارند و اغلب از طريق روشهاي شيميايي و پليمر كردن منومرهاي گازي شكل به دست مي‌آيند.

اغلب مواد پليمري داراي ساختار غير كريستالي و يا مخلوطي از كريستالي و غير كريستالي هستند. مواد پليمري داراي قابليت هدايت الكتريكي بسيار ضعيفي هستند، به طوري كه به عنوان عايق الكتريكي خوب به كار مي‌روند، مواد پليمري معمولاً در درجه حرارتهاي پايين (زير صفر) ترد مي‌شوند ولي در درجه حرارتهاي نسبتاً بالا قابليت شكل پذيري دارند و در درجه حرارتهاي بالا ذوب و يا متلاشي مي‌شوند. مواد پليمري در مقابل عوامل و واكنشهاي شيميايي در درجه حرارت معمولي محيط و در مجاورت هواي آزاد پايدارند. عموماً مواد پليمري وزن مخصوص پاييني دارند.
۴- مواد مختلط يا كامپوزيتها

مواد مختلط يا كامپوزيتها به موادي گفته مي‌شود كه از مخلوط چند ماده (حداقل دو ماده) با خواص متفاوت تشكيل شده باشند.اجزاي مواد مختلط از نظر شكل و تركيب شيميايي متفاوت بوده و در يكديگر حل نمي‌شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد ميكروسكوپي و ماكروسكوپي وجود دارند. بدين ترتيب مي‌توان موادي با خواص جديد به دست آورد كه به نوبه خود داراي خواصي مناسبتر از خواص هر يك از اجزاي اوليه اتس. انواع مختلفي از مواد مختلط وجود دارند. اغلب مواد مختلط شامل يك جزء نرم و شكل پذير به عنوان جزء اصلي زمينه و يك جزء بسيار سفت و سخت به عنوان تقويت

كننده‌است. جزء تقويت كننده مي‌تواند به شكلهاي صفحه اي، اليافي و ذره اي باشد. همچنين موادي كه سطح خارجي آنها براي حفاظت در مقابل خوردگي و يا سايش پوشش داده مي‌شود، مانند قلع و روي اندود كردن، و يا گالوانيزه كردن سطح خارجي به وسيله جزء مقاوم دوم ، مثل آب كرم و نيكل دادن، روكش دادن مكانيكي با ورق بسيار نازك مقاوم ديگر، پوشش دادن با مواد پليمري و يا مواد سراميكي، جزء مواد مختلط هستند.

۱- مواد نيمه هادي
نيمه هاديها از جمله مواد معدني بوده و از نظر خواص بين مواد فلزي و سراميكي قرار دارد و در صنايع الكترونيكي به كار مي‌رود. هدايت الكتريكي نيمه هاديها قابل كنترل بوده، به طوري كه مي‌تواند در ساخت ترانزيستورها و يكسو كننده ها به كار رود.

خواص مكانيكي مواد
عكس‌العمل مواد جامد در مقابل نيروها، گشتاورها و يا به طور كلي هر نوع تنشهاي خارجي وارد بر آن، اعم از استاتيكي و يا ديناميكي، در شرايط خاص محيط كار يا محيط آزمايش، رفتار يا خواص مكانيكي ناميده مي‌شود. كيفيت موادي كه در طراحي قطعات صنعتي به كار مي‌رود بيش از همه به خواص مكانيكي آنها بستگي خواهد داشت. به وسيله روشهاي آزمايش استاندارد شده مي‌توان اعدادي را ارائه داد كه مشخص كننده خواص مكانيكي باشد. بر روي خواص مكانيكي عوامل

خارجي از قبيل ۱- مقدار تنش، ۲- سرعت ۳ – مدت زمان وارد آمدن تنش ۴- درجه حرارت ۵- نوع تنش (از لحاظ استاتيكي و يا ديناميكي ) و در حالت تنش متناوب ۶- تعداد دفعات وارد آمدن آن و همچنين ۷- اثر شيميايي محيط اطراف ماده مورد آزمايش تاثير مي‌گذارد. شرايط آزمايش بايد طوري انتخاب شود كه بتواند تا حد امكان مشخصات واضحي راجع به رفتار آن جسم تحت شرايط خاص محيط كار را ارائه دهد مواد ايزوتروپي اند به جز يك كريستال ها كه در آنها خواص مكانيكي متفاوت است. ناهمسانگردند.

ناهمسانگردي (ان ايزوتروپي ) تك كريستال تاثير بسزايي روي خواص مكانيكي خواهد داشت. تك كريستالها و مواد چندين كريستالي با كريستالي با كريستالهاي جهت دار، با مرزها يا ذرات جهت دار فاز دوم و همچنين مواد پليمري با مولكولهاي زنجيره اي جهت دار، جزء موادي با خواص مكانيكي غير يكنواخت درتمام جهات محسوب مي‌شوند. دراندازه گيري خواص مكانيكي اين گونه مواد بايد از جهات مختلف قطعه نمونه برداري شود. بنابراين در كاربرد صنعتي مناسبترين و نامناسبترين جهات، از لحاظ جهت تنش اعمال شده، وجود خواهد داشت . تمام مواد بي شكل يا با ساختار شيشه‌اي و مواد چندين كريستالي با توزيع بي نظم دانه ها- با جهات كريستالي گوناگون – داراي خواص مكانيكي تقريباً يكنواختي در تمام جهات هستند. اكنون براي آشنايي بيشتر با مفهوم تنش به طور اختصار به تعريف آن مي‌پردازيم.
تغيير شكل الاستيكي

هر گاه به جسمي تنشي وارد شود، تغيير شكلي در آن جسم به وجود مي‌آيد. در صورتي كه تنش وارد بر آن از نوع تنش كششي باشد، تغيير شكل ايجاد شده در جهت نيرو به صورت ازدياد طول، شكل (۵-۳- الف) و چنانچه تنش وارده، تنش فشاري باشد به صورت كاهش طول ظاهر مي‌شود، شكل (۵-۳- ب). اگر تنش وارده، تنش مماسي (برشي ) باشد، تغيير شكل به صورت تغيير زوايا است، شكل (۵-۳- ج).

از خاصيت الاستيكي موقعي صحبت مي‌شود كه تغيير شكل ) ايجاد شده با نيروي (F) وارد برجسم به صورت خطي متناسب باشد ) و همزمان با حذف نيرو از روي جسم تغيير شكل ايجاد گرديده برطرف شده و جسم به حالت اوليه خود برگردد.
مدول الاستيكي
رابطه بين تنش و تغيير شكل الاستيكي يا به عبارت ديگر تغيير شكل برگشت پذير به وسيله قانون يا رابطه هوك داده شده است.

عوامل موثر بر روي مدول الاستيكي
جهات كريستالي
در تك كريستالها به علت وجود غير يكنواختي جهتي يا ناهمسانگردي (ان ايزوتروپي) مدول الاستيكي در جهات مختلف كريستال متفاوت است، جدول (۵-۱). ولي در پلي كريستالها كه از تعداد زيادي دانه هاي كريستالي تشكيل شده و هريك از دانه ها از لحاظ ساختار شبكه كريستالي از نظر آماري بدون هرگونه نظم و ترتيب خاصي در جهات مختلفي قرار گرفته‌اند. خواص الاستيكي بستگي قابل ملاحظه‌اي به جهت كريستالي ندارد و تا حدودي داراي خاصيت تقريباً يكنواختي در تمام جهات كريستالي است. به طوري كه براي مشخص كردن رفتار الاستيكي موادي كه داراي

تعداد زيادي دانه هاي كريستالي است، تعيين يك مدول الاستيكي و يا مدول برشي كافي خواهد بود. در بعضي موارد در نتيجه عملياتي از قبيل نورد، دانه هاي يك قطعه چندين بلوري مي‌تواند در يك جهت خاصي قرار گرفته و جهت دار شود يا به عبارتي تكستور يا تكسچر خاصي پيدا كند، كه اين پديده سبب ايجاد رفتاري متفاوت در مقابل تغيير شكل الاستيكي در جهات مختلف مي‌شود. براي مثال خاصيت مغناطيسي يك نمونه فولادي با دانه هاي جهت دار مناسب، به اندازه قابل ملاحظه

اي افزايش مي‌يابد.
درجه حرارت
مدول الاستيكي مواد به قدرت اتصالات اتمي در شبكه كريستالي بستگي داشته و عمدتاً تحت تاثير مقدار متوسط فواصل اتمي (در نتيجه ارتعاشات غير متفارن شبكه)كه با ازدياد درجه حرارت افزايش مي‌يابد، قرار خواهد گرفت. از اين رو مدول الاستيكي با افزايش درجه حرارت كاهش مي‌يابد، شكل (۵-۴). اين وابستگي به درجه حرارت براي فلزات و سراميكها نسبتاً كم و در موا

د مصنوعي بيشتر مي‌شود. در ساختارهاي مولكولي مانند لاستيكها از همان ابتداي وارد آمدن تنش رابطه خطي بين تغيير شكل و تنش برقرار نيست، زيرا كه الاستيسيته تنها مستقيماً به تاثير متقابل اتمهاي همسايه مربوط نمي‌شود، بلكه به كشش و برش زنجيرهاي مولكولي نيز بستگي دارد.

عناصر آلياژي
در بررسي مدول الاستيكي موادي كه از تعدادي اتمهاي متفاوت يا از چند نوع مولكول تشكيل شده باشند، بايد بين فازهاي محلول و غير محلول تفاوت قائل شد.
مدول برشي
در محدوده الاستيكي رابطه مشابهي با بين تنش برشي و تغيير شكل نسبي برشي به دست آمده توسط آن وجود دارد،

ضريب پواسان

همزمان با تغيير شكل الاستيكي در امتداد نيرو – تحت تاثير نيروي تك محوري – تغيير شكلي هم در جهات ديگر نمونه صورت مي‌گيرد.
تغيير شكل پلاستيكي مواد
معمولاً در طراحي اجزاي ماشين آلات صنعتي تنها محدوده الاستيكي اهميت دارد و در مقابل تنشهاي اعمالي هيچ گونه تغيير شكل برجاي ماندني نبايد در قطعه انجام گيرد. بدين منظور براي حفظ ابعاد هر قطعه ضريب اطمينان بالايي جهت بافي ماندن تغيير شكل در محدوده الاستيكي در نظر گرفته مي‌شود. با وجود اين، بررسي رفتار اين گونه قطعات در مقابل تنشهايي كه از حد الاستيكي مي‌گذرد و همچنين كاربردهايي كه عمدتاً مربوط به تغيير شكل برجاي ماندني مي‌شود، از اهميت خاصي برخوردار است.
نيكل (Ni)
در فولادهاي ساختماني، نيكل مقاومت ضربه‌اي راحتي در دماهاي پايين افزايش مي‌دهد. نيكل كاربيدزا نبوده و با تشكيل محلول جامد استحكام و سفتي (چقرمگي) را افزايش مي‌دهد. مقدار بيش از ۷% نيكل با گسترش ناحيه آستنيت در فولادهايي كه داراي مقدار بالايي از كرم بوده و پايدار در مقابل واكنشهاي شيميايي است سبب مي‌شود كه در درجه حرارتهايي پايينتر از دماي

معمولي محيط ساختار آستنيتي پايدار باقي بماند. فولادهاي آستنيتي در دماهاي بيش از مقاومت حرارتي بالايي دارد. زيرا كه درجه حرارت تبلور مجدد آنها بالاست. اين فولادها عملاً قابليت مغناطيس پذيري ندارد. قابليت هدايت مشخص، سبب پايدار شدن خواص فزيكي معيني مي‌شود، براي مثال ضريب انبساط حرارتي پايين.
تيتانيم (Ti)
به دليل تمايل زياد آن به اكسيژن و ازت، گوگرد و كربن يك احيا كننده، ازت زدا و گوگردزداي قوي و همچنين تشكيل دهنده قوي كاربيد است. به طور وسيعي در فولادهاي مقاوم در مقابل خوردگي به عنوان تشكيل دهنده كاربيد براي پايدار كنندگي در مقابل خوردگي بين دانه‌اي به كار مي‌رود. علاوه بر آن سبب ريز شدن دانه ها مي‌شود. تيتانيم محدوده آستنيت را شديداً تنگ مي‌كند و به ازاي

مقدار زياد فعل و انفعالات جدايشي (رسوب سازي و پيرسختي) انجام مي‌گيرد و به دليل نياز به نيرو و حوزه مغناطيسي بالا جهت مغناطيس زدايي به آلياژ هاي مغناطيس دائمي افزوده مي‌شود. تيتانيم تمايل شديدي به تشكيل تركيباتي با ديگر عناصر و جدايش دارد. تيتانيم در نتيجه تشكيل نيترايد هاي خاص مقاومت خزشي را افزايش مي‌دهد.
آلياژهاي تيتانيم
تيتانيم به دليل داشتن مقاومت عالي در مقابل خوردگي استحكام ويژه بالا و خواص مكانيكي خوب، به ويژه در دماهاي نسبتاً بالا، اهميت صنعتي يافته است. اما در دماي بالاتر از لايه نازك محافظ تجزيه و در هم شكسته مي‌شود و اتمهاي كوچكي مانند كربن، اكسيژن، نيتروژن و هيدروژن با نفوذ در شبكه تيتانيم، ايجاد تركيبات ترد و شكننده‌اي مي‌كنند. تيتايمي يكي از فلزات چند شكلي است، با شبكه كريستالي hcp در دماهاي پايين و با ساختار bcc در دماي بالاتر از عناصر آلياژي باعث تغيير دماي تبديل ساختاري تيتانيم مي‌شوند. تيتانيم خالص به دليل مقاومت ممتاز آن در مقابل خوردگي اهميت يافته است. آلياژ هاي تيتانيم با ريز ساختاري شامل هر دو فاز پايدار در دماي معمولي محيط توليد شده‌اند. آلياژ V4%- AI 6% – Ti يكي از آلياژهاي متداول از اين نوع آلياژهاست. با وجود اين دو فاز مي‌توان با عمليات حرارتي و كنترل ريز ساختار تا حد زيادي به خواص مكانيكي مورد نظر در آلياژ رسيد.
با آنيل كردن مي‌توان به تركيبي از انعطاف پذيري بالا، خواص يكنواخت و استحكام خوبي دست يافت. ابتدا آلياژ را تا دمايي درست پايينتر از تبديل حرارت داده و قبل از اينكه تمامي به تبديل شود و مقدار كمي باقي بماند، براي جلوگيري از رشد دانه آلياژ را سرد مي‌كنيم، سرد كردن آرام باعث شكل گيري دانه هاي هم محور مي‌شود. ساختار دانه هاي هم محور منجر به انعطاف پذيري و شكل پذيري خوب آلياژ مي‌وشد و جوانه زني تركهاي خستگي را مشكل مي‌سازد. سرد كردن سريعتر، به ويژه از دماي بالاي محدوده ، منجر به تشكيل فاز سوزني تركهاي خستگي مي‌تواند راحت تر انجام گيرد، اما تركها براي رشد بايد مسير پيچ و خم داري را در امتداد دانه ها بين و طي كنند. بدين علت آهنگ (سرعت )رشد ترك خستگي كاهش و تافنش شكست و مقاومت خزشي افزايش مي‌يابد.
آلياژ هاي تيتانيم در ساخت اسكلت هواپيما، راكتها، موتورهاي جت كاربرد دارد. بعضي از آلياژهاي تيتانيم، مانند V4% – AI6% -Ti ، رفتار سوپر پلاستيك دارند و مي‌توانند تا ۱۰۰% تغيير شكل يابند.

در صورتي كه حداكثر دماي موقعيت كاري زير باشد، به طوري كه لايه نازك اكسيد پايدار باقي بماند، تيتانيم مي‌تواند انتخاب خوبي براي تامين كردن مقاومت به خوردگي در دماهاي بالا باشد. از اين رو تيتانيم خالص تجارتي بهترين مقاومت به خوردگي را فراهم مي‌سازد. بنابراين تيتانيم همچنين شروط شكل‌پذيري و قابليت جوشكاري را برآورده مي‌سازد و براي ما انتخابي منطقي خواهد بود. اگر فكر كنيم تيتانيم خالص نتواند استحكام لازم و كافي را داشته باشد مي‌توانيم براي اطمينان بيشتر از يك آلياژ تيتانيم با مقاومت به خوردگي بالاتر كه شكل پذيري و قابليت جوشكاري هم دارد و استحكام آن نيز مقداري بهبود مي‌يابد استفاده كنيم.

 

مقدمه:
موادي كه باعث مي‌وشند سازه ها با محيط خود سازگار شوند مواد محرك ناميده مي‌شوند. اين مواد مي‌توانند شكل، سفتي، مكان، فركانس طبيعي و ساير مشخصات مكانيكي را در پاسخ به دما و يا ميدان هاي الكترو مغناطيسي تغيير دهند. امروه چهار نوع ماده محرك به طور عمده استفاده مي‌وشد كه آلياژهاي حافظه دار، سراميكهاي پيزو الكتريك، مواد مغناطيسي سخت و مايعات

الكترورئولوژكال و مگنتورئولوژيكال مي‌باشند. آلياژهاي حافظه دار موادي هستند كه بعد از اينكه تحت كرنش قرار گرفتند در يك دماي خاص به شكل اصلي خود برمي‌گردند. در فرآيند برگشت به شكل “ به ياد مانده” آلياژ مي‌تواند نيروي زيادي توليد كند كه جهت تحريك مفيد است. اين آلياژها در بيش از پنجاه سيستم آلياژي توسعه يافته اند. برجسته‌ترين آنها خانواده آلياژ ها نيكل – تيتانيم است كه اولين بار در آزمايشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordnance Lab) ساخته شد. ماده‌اي كه تحت نام نيتينول (Nitinol) مشهور شده دو حرف اول آن در ارتباط با نيكل، دو حرف بعدي مربوط به عنصر

تيتانيم و سه حرف آخر در رابطه با آزمايشگاه ناوال اوردنانس مي‌باشد. اين آلياژ مقاومت قابل توجهي در برابر خوردگي و خستگي از خود نشان مي‌دهد ضمناً در برگيرنده و پوشش دهنده تغيير شكلهاي بزرگ خواهد بود. در اين آلياژها كرنشي كه افزايش طول مربوط به آن بالاتر از ۸ درصد طول آلياژ باشد مي‌تواند به وسيله حرارت دادن مثلاً به وسيله جريان الكتريكي برگشت پيدا كند. مكانيزم اصلي كه خواص آلياژهاي حافظه دار را كنترل مي‌كند در رابطه با تغيير ساختار كريستالي آلياژ

است. به اين معني كه ساختار مارتنزيتي در دماي از پيش تعيين شده با افزايش دما به ساختار آستنيتي تبديل مي‌‌شود و در هنگام سرد كردن فرايند عكس رخ خواهد داد. بسياري از مواد، استحاله مارتنزيتي دارند ولي چيزي كه نيتينول را نسبت به آلياژهاي ديگر متمايز مي‌نمايد قابليت مارتنزيت اين آلياژ در دوقلو شدن مي‌باشد در حاليكه مواد ديگر به وسيله لغزش و حركت نابجائيها تغيير شكل مي‌يابند، نيتينولها به وسيله تغيير جهت ساده ساختار كريستالهاي خود از طريق

مرزهاي دو قلوئي به تنشهاي اعمال شده عكس‌العمل نشان مي‌دهند. سيمهاي نيتينول كه درون مواد مركب قرار مي گيرند، جهت بهبود خواص ارتعاشي موثر بوده‌اند. اين مواد به وسيله تغيير دادن سختي، تغيير حالت تنش در سازه ها، و در نتيجه جابجا كردن فركانس طبيعي ماده مركب، سبب بهبود خواص ارتعاشي مي‌وشند. با وجود اينكه بعيد به نظر مي‌رسد سازه‌ها توسط هرمرتعش كننده خارجي به ارتعاش درآيند. معلوم شده‌است فرايند تشديد مي‌تواند در بعضي از مواقع حتي سبب تخريب يك سازه ‌بزرگ مانند پل گردد.
از زمان كشف خاصيت حافظه داري در آلياژهاي نيكل – تيتانيم در سال ۱۹۶۲ علاقه فراواني توسط پزشكان، جراحان و دندانپزشكان در به كارگيري اين آلياژهاي جالب، بعنوان محصولات طبي بخصوص در روش‌هاي درماني نيمه تهاجمي ايجاد شده است.
خصوصيات كلي استحاله مارتنزيتي
در ميان تمام استحاله هاي فاز در حالت جامد، استحاله مارتنزيتي داراي خصوصياتي است كه آنرا از ساير استحاله‌هاي ساختاري مواد متمايز مي‌سازد.(رسوب گذاري، نفوذ، اكسيداسيون و ….) براساس استحاله مارتنزيتي در فولودها، آستنيت يا فاز مادر در دماي بالا پايدار و فاز مارتنزيت حاصل از آن در دماي پايين پايدار مي‌ماند.

پنج مورد از خصوصيات استحاله مارتنزيتي به ترتيب زير بررسي مي‌شوند.
۱- تغيير فاز در حالت جامد كه عامل آن تغيير شكل غير الاستيك شبكه كريستالي مي‌باشد. اين تغيير شكل حاصل تغيير مكان جمعي اتمها در فواصل نسبتاً كوتاه نسبت به پارامترهاي شبكه كريستالي خواهد بود.
۲- عدم حضور فرايند نفوذ موجب فوري بودن تغيير حالت مي‌شود. به عبارت ديگر سرعت توليد فاز مارتنزيت قابل مقايسه با سرعت صوت در جامدات است.( ۱۰۳ متر بر ثانيه) لازم به ذكر است در حالي كه فرآيند استحاله ادامه دارد دو فاز مورد نظر به طور همزمان حضور دارند.

۳- در واحد حجم ماده، هنگام تغيير فاز تغيير شكلي با خواص زير نسبت به شكل قبل از آن اتفاق مي‌افتد:
ـ تغيير حجم قابل اغماض (در آلياژهاي حافظه دار)
ـ لغزش زياد سطوح كريستالي در يك جهت معين.
اين تغيير شكل حاصل يك استحاله شبكه كريستالي (تغيير شكل بن Bain ) و يك استحاله بدون تغيير شبكه (Invarient) مي باشد مكانيزم اخير موجب توليد نوعي ريز ساختار داخل مارتنزيت مي‌شود (دو قلويي، نابجايي، عيوب انباشتگي و ….)

۴- جهت به حداقل رساندن انرژي فصل مشترك مارتنزيت تشكيل شده و آستنيت باقيمانده، دامنه هاي مارتنزيت شده اغلب عدسي شكل‌اند. سطح اصلي بين دو فاز، سطح هم‌نشيني و يا سطح پيوند نام دارد. اين سطح براي گروه آلياژهاي مختلف كاملاً تعريف شده است و سطح برش مارتنزيت نام دارد. در رابطه با آلياژهاي حافظه‌دار، جهت برش، عملاً در اين سطح قرار دارد. (تغيير حجم قابل اغماض است). به دليل توازن كريستالي فاز مادر تعداد زيادي سطح همنشيني در تك كريستال در حال استحاله بطور همزمان وجود دارند. مجموعه سوزنهاي داراي سطح همنشيني مشترك و جهت برش مشترك واريانت (Variant) مارتنزيت نام دارد.

۵- در استحاله مارتنزيتي مانند هر تغيير حالت ديگر، درجه حرارت و تنش، متغيرهاي ترموديناميكي خارجي موثر بر استحاله مي‌باشند. در آلياژهاي حافظه دار استحاله مارتنزيتي با حجم تقريباً ثابت رخ مي‌دهد و از اثر فشار هيدرواستاتيك صرف نظر مي‌شود. اصولاً نقش ابتكار عمل پيشرفت

استحاله به عهده عوامل منحرف كننده تنش ها مي‌باشد. استحاله مارتنزيتي داراي دو محدوده وسيع كاربرد است:
ـ در عمليات حرارتي فولادها كاربرد بسيار گسترده دارند. زيرا مارتنزيت حاصل از سريع سردكردن فولادها يك ساختار خارج از تعادل فوق‌العاده سخت است. در اين نوع كاربرد تغيير شكلهاي همراه با تشكيل فاز مارتنزيت عامل تردي آلياژ خواهند بود كه در رابطه با توليد تنش‌هاي داخلي مي‌باشد.
ـ در آلياژ‌هاي حافظه دار استحاله مارتنزيتي با تغيير درجه حرارت و تنش‌ رخ مي‌دهد كه تغيير شكل مربوط به اين استحاله داراي يك شكل درجه حرارت بالا و يك شكل درجه حرارت پايين مي‌باشد. در اين رابطه تغيير شكل بازگشتي در حدود ۵ تا ۱۰ درصد است.

سينماتيك استحاله مارتنزيتي
تعداد زيادي از فرآيندهاي مربوط به آلياژهاي حافظه دار، حاصل تشكيل و توسعه مارتنزيت است. در اينجا از تغيير شكل حرارتي (انبساط ) و تغيير شكل الاستيك (تغيير شكل بازگشتي شبكه كريستالي ) صرف نظر مي‌شود. زيرا اين نوع تغيير شكل نسبت به تغيير شكل استحاله مارتنزيتي بسيار جزئي مي‌باشند.
روشهاي بررسي آلياژهاي حافظه دار
جهت ارزيابي تغيير حالت مستقيم يا برعكس، اندازه گيري درجه حرارتهاي تغيير حالت يا كلاً فهم مكانيزمهاي پايه‌اي آلياژهاي حافظه دار روشهاي عملي متعددي بكار گرفته مي‌شوند. بعضي از اين روشها بطور دائم در متالورژي فيزيكي استفاده مي‌شوند. اين روشها عبارتند از: ميكروگرافي نوري يا التكتروني، تفرق اشعه x يا الكترون، اندازه گيري سختي در اشل ميكروسكوپي، ديلاتومتري، …..

روشهاي ديگري به خصوص در رابطه با آلياژهاي حافظه دار توسعه يافته‌اند. از جمله امواج آكوستيك، اندازه گيري مقاومت الكتريكي، كالريمتري تفاضلي روبشي (DSC) آزمايشات مكانيكي معمولي (كشش، پيچش، خمش …) در درجه حرارت ثابت و يا متغير روشهاي پايه اي جهت بررسي واكنشهاي ترمومكانيكي اين آلياژها مي‌باشد.

ـ امواج آكوستيك: پايه آن ثبت امواج اولتراسونيك (امواج مكانيكي) حاصل از تنش و توسعه سوزنهاي مارتنزيتي است. امواج اولتراسونيك در ارتباط با بخش دينامكي انرژي داخلي حاصل از اندركنش بين واريانتها و آستنيت و بين خود واريانتها مي‌باشد. جهت آناليز اين امواج از يك گيرنده پيزو الكتريكي همراه با آمپلي فاير استفاده مي‌شود. فعاليت اولتراسون بر حسب پيشرفت استحاله اندازه گيري مي‌شود.
ـ كالريمتري تفاضلي روبشي عبارت از اندازه گيري مقدار گرماي حاصل از واكنش اگرزترميك و يا گرماي جذب شده در واكنش برعكس مي‌باشد، ضمناً انرژي مكانيكي تلف شده بصورت گرما در استحاله همراه با هيسترزيس نيز قابل اندازه گيري مي‌باشد. دراين حالت واكنش، هميشه اگزوترميك خواهد بود. در هنگام سرد و يا گرم شدن مقدار گرماي جذب و يا دفع شده يك نمونه بدون استحاله (مرجع) و يك نمونه با استحاله مقايسه مي‌شوند.

انواع آلياژهاي حافظه دار و خواص مربوط به آنها
همه موادي كه داراي استحاله مارتنزيتي باشند آلياژ حافظه دار نيستند، بلكه براي حافظه دار بودن آين آلياژها لازم است استحاله مارتنزيتي بازگشتي باشد و پس ماند (هيسترزيس) خيلي زياد نباشد. بعضي مواد مانند پليمرها و فولادها كه داراي حافظه‌اند در حال حاضر در آزمايشگاهها تحت بررسي هستند. ولي در اينجا تنها از سه خانواده آلياژهاي حافظه داري كه به مرحله توليد صنعتي رسيده‌اند و كاربردهاي آنها توسعه يافته است صحبت مي‌شود.

خواص آلياژهاي حافظه دار خصوصاً آنچه مربوط به استحاله مارتنزيتي است قوياً به تركيب شيميايي، ساختار و مكانيك مواد بستگي دارد. به همين دليل تغييرات جزئي در تركيب شيميايي موجب تغيير درجه حرارت استحاله به ميزان چندين درجه مي‌شود.

به موازات مساله تركيب شيميايي، استحاله در طي شكل دهي (نورد، كشش سيم، …) در شرايط مشكلتري نسبت به مواد معمولي انجام مي‌شود. در تغيير شكل سرد، نقش مرزدانه ها و بافت كريستالي بر طبيعت واريانتهاي فعال و اندركنش بين واريانها بررسي شده‌است كه نشانه اثر دانه‌هاي پلي كريستال بر پاسخ ترموديناميكي آلياژهاي حافظه دار است. مي‌توان استنباط كرد كه براي كاربردهاي مختلف، استفاده از تك كريستال‌هاي آستنيت در حل بعضي مشكلات وابسته به شكل پذيري ضعيف پلي كريستالها يا گستره قابل توجه استحاله در اين مواد مفيد است.
خواص ترمومكانيكي
تغيير شكل الاستيك خطي (بازگشت‌پذير) در يك فلز معمولي در حدود ۱/۰ درصد و تغيير شكل پلاستيك (غير بازگشتي) مي‌تواند به دهها درصد برسد. با حرارت دادن فلز تغيير شكل يافته (تا دماي بازيابي و يا آنيل) حالت داخلي آن به حالت تعادل نزديك مي‌شود، (حذف عيوب ساختاري) ولي شكل ظاري بدست آمده پس از تغيير شكل پلاستيك تغيير نمي‌كند. تغيير درجه حرارت موجب تغيير شكل حرارتي بازگشتي در حدود ۰۰۱/۰ درصد به ازاي هر درجه خواهد شد.

واكنش آلياژهاي حافظه دار در مقابل بارگذاري ترمومكانيكي نسبت به فلزات معمولي كاملاً متفاوت است. بر حسب تعداد، ماهيت توالي سيكلهاي بارگذاري ترمومكانيكي واكنشهاي مربرط به مكانيزمهاي فيزيكي مختلف كه در همه آنها استحاله مارتنزيتي دخالت مي‌كند متمايز مي‌شوند. اين مكانيزمها چهارنوعند:
۱- تشكيل مارتنزيت جهت يافته توسط تنش (داخلي يا بكار رفته ) و بازگشت به حالت آستنيتي
۲- تشكيل مارتنزيت غير جهت يافته در اثر سردكردن بدون تنش و بازگشت به حالت آستنيتي
۳- جهت يابي مجدد غير بازگشتي واريانتها توسط تنش خارجي
۴- جهت‌يابي جزئي و بارگشتي واريانتها توسط تنش خارجي

برحسب بارگذاري ترمومكانيكي و تاريخچه بار، مكانيزمهاي فوق موجب پنج نوع واكنش زير مي‌شوند:
ـ فوق ترموالاستيسيته: از خصوصيات آن بدست آمدن تغيير شكل «فوق حرارتي» يا «فوق الاستيك» در حدود چند درصد است
ـ حافظه يك جهتي: عبارتست از ظرفيت يك آلياژ حافظه دار جهت پيدا كردن شكل اوليه خود با گرم كردن، بعد از اعمال چند در صد تغيير شكل كه در سرما صورت مي‌گيرد.
ـ حافظه دو جهتي: عبارت است از ظرفيت آلياژ حافظه دار جهت آموزش به طريق بازگشتي از يك شكل در درجه حرارت پايين به شكل درجه حرارت بالا با گرم كردن و يا سرد كردن، تغيير شكل توصيف كننده تعويض شكل بين حالت دما بالا و دماي پايين است.

ـ اثر كائوچويي: در رابطه با حركت بازگشتي واريانتهاي مارتنزيت است كه تردي كمتر آلياژ حافظه دار نسبت به مواد با مدول الاستيك معمولي را مي‌رساند. استحاله مارتنزيتي داراي مكانيزمهاي مختلف اتلاف انرژي است كه توانايي مهم آلياژ در ميرايي مكانيكي را توصيف مي‌كند.
مي‌توان چنين استنباط كرد كه حافظه شكل در آلياژهاي حافظه دار تنها يكي از وجوه رفتار ترموديناميكي متنوع و مختلف را در بر مي‌گيرد كاربردهاي آلياژهاي حافظه دار كه در بخشهاي بعدي بحث مي‌شود اين رفتار متنوع را توصيف خواهد كرد.
فوق ترموالاستيسيته در آلياژهاي حافظه دار
تغيير شكل فوق ترموالاستيسيته در رابطه با تشكيل مارتنزيت جهت يافته توسط تنش اعمال شده‌است. ادامه و تكميل استحاله با تغيير تنش و يا درجه حرارت امكان پذير است.
نخستين استفاده مهم صنعتي از اين پديده كه در آلياژهاي ح

افظه دار مشاهده مي‌شود، در صنايع فضايي آمريكا (NASA) بود. زيرا در صنايع فضايي يكي از محدوديتهاي مهم حجم تجهيزات مي‌باشد. مثلاً آنتن ماهوارهاي مخابراتي حجم عظيمي دارد، كه با استفاده از آلياژهاي حافظه دار ساخته مي‌شود. مراحل به ترتيب زير انجام مي‌گيرند.
۱- حلقه سيم نيكل – تيتانيم در دماي ۶۵۰ ساخته مي‌شود كه در اين دما آلياژ بصورت فاز بتا مي‌باشد.
۲- استحاله مارتنزيتي با استفاده از سرد كردن حلقه در حدود ۶۰ آغاز مي‌شود.