ویژگی های آلیاژ های حافظه دار ، SME

آلیاژهای حافظه دار
علوم و تکنولوژی در قرن آینده به طور قطع تاثیر زیادی از مواد جدید خواهد گرفت . آلیاژ های حافظه دار یکی از این مواد نو هستند.این آلیاژها جزء گروهی از آلیاژهای فلزی هستند که این توانایی را دارند که اگر آنها را تا بالای دمای ویژه ای گرم کنیم ؛ قادر به بازیابی شکل اولیه خود خواهند بود.
درواقع آلیاژهای حافظه‌دار یا ‏SMA)Shape Memory Alloy)‏‌ها موادی هستند که خصوصیات حافظه‌پذیری دارند. چنانچه یک آلیاژ حافظه‌دار مقداری تغییر شکل دهد و سپس تا دمایی بالاتر از دمای تغییر شکلش گرم شود، می‌تواند به شکل اولیه خود باز گردد.
دمای تغییر فرم، دمای تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت و بالعکس است. این دو فاز، دارای خواص کاملا متفاوتی هستند.‏
اولین گام‌های گزارش شده به سمت کشف اثر حافظه‌پذیری به سال 1930 بر می‌گردد. اولاندر و همکارانش رفتار سوپرالاستیک آلیاژ ‏Au-Cd‏ را در سال 1932 کشف کردند. مورادین و گرینگر در سال 1938 ، تشکیل و ناپدید شدن فاز مارتنزیت را با کاهش و افزایش دمای آلیاژ ‏Cu- Zn‏ مشاهده کردند. پدیده اصلی اثر حافظه‌پذیری که با رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیتی کنترل می‌شود، به‌طور گسترده ای در یک دهه بعد توسط کردجامو در سال 1949، ونیز توسط چانگ و رید در سال 1951، گزارش شد.  
 در سال 1961 اثر حافظه داری شکل در آلیاژ نیکل تیتانیوم با درصد اتمی مساوی (50%50) توسط بوهلر و در آزمایشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordanance Lab) کشف و تحت نام نیتینول (Nitinol) مشهور شد. دو حرف اول نیتینول در ارتباط با نیکل، دو حرف بعدی مربوط به عنصر تیتانیوم و سه حرف آخر در رابطه با آزمایشگاه ناول اوردانس می باشد. از اوایل سال 1980 استفاده از آلیاژهای حافظه دار در بین محققان و مهندسان مورد توجه قرار گرفت و این آلیاژ هوشمند در زمینه های وسیعی از جمله تعدیل رفتار آئروالاستیسیته آنتن ماهواره ها، کنترل ارتعاش سازه های فضایی، کنترل ارتعاش سطوح کنترلی هواپیماها و حتی در شبیه سازی های پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است و کشف مزایای اصلی و علمی آن هر روز افزایش یافته است.
درواقع آلیاژهای حافظه‌دار یا ‏SMA(Shape Memory Alloy)‏‌ها موادی هستند که خصوصیات حافظه‌پذیری دارند. چنانچه یک آلیاژ حافظه‌دار مقداری تغییر شکل دهد و سپس تا دمایی بالاتر از دمای تغییر شکلش گرم شود، می‌تواند به شکل اولیه خود باز گردد
موادی که باعث سازگاری سازه با محیط خود می شوند، مواد محرک نامیده می شوند. این مواد می توانند شکل، سفتی، مکان، فرکانس طبیعی و سایر مشخصات مکانیکی را در پاسخ به دما و یا میدان های الکترومغناطیسی تغییر دهند. امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده می شود که شامل آلیاژهای حافظه دار، سرامیکهای پیزوالکتریک، مواد مغناطیسی سخت و مایعات الکترورئولوژکال و مگنتورئولوژیکال می باشند. این مواد از زمره مواد هوشمند محرک می باشند. مواد هوشمند آن دسته از موادی هستند که می توانند به تغییرات محیط به بهترین شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغییرات تنظیم نمایند.
درواقع آلیاژهای حافظه دار ، آلیاژهایی هستند که دو مشخصه بی همتا از خود نشان می دهند
1- Shape Memory Effect ( رفتار حافظه ای )
2- Pseudoelastic Behavior ( رفتار شبه الاستیک )
ویژگی های دیگر این آلیاژها عبارت است از : مقاومت به خوردگی بالا ، مقاومت ویژه الکتریکی نسبتا بالا، خواص مکانیکی نسبتا خوب ، خستگی طولانی ، شکل پذیری بالا و قابلیت انطباق با بدن . مهمترین کاربرد این آلیاژها در صنایع هوا فضا و صنایع پزشکی است.
معرفی آلیاژهای حافظه دار
آلیاژهای حافظه دار عنوان گروهی از مواد محرک می باشند که خواص متمایز و برتری نسبت به سایر آلیاژها دارند. عکس العمل شدید این مواد نسبت به برخی از پارامترهای ترمودینامیکی و مکانیکی و قابلیت بازگشت به شکل اولیه در اثر اعمال پارامترهای مذکور به گونه ای است که می تواند رفتار سیستم را بهبود بخشد. وقتی یک آلیاژ معمولی تحت بار خارجی بیش از حد الاستیک قرار می گیرد؛ تغییر شکل می دهد. این نوع تغییر شکل بعد از حذف بار باقی می ماند. اما آلیاژهای حافظه دار، من جمله آلیاژهای Ni Ti، Cu Zn، Cu Zn Al، Cu Zn Ga، Cu Zn Sn، Cu Zn Si، Cu Al Ni، Cu Au Zn، Cu Sn، Au Cd، Ni Al، Fe Pt و... رفتار متفاوتی از خود ارائه می نمایند. در دمای پایین، یک نمونه حافظه دار می تواند تغییر شکل پلاستیک چند درصدی را تحمل کند و سپس به صورت کامل به شکل اولیه خود در دمای بالا برگردد. در فرآیند برگشت به شکل اولیه، آلیاژ می تواند نیروی زیادی تولید کند که این نیرو برای تحریک مفید می باشد.
مکانیزم اصلی که خواص آلیاژهای حافظه دار را کنترل می کند در رابطه با تغییر کریستالی آلیاژ است. به این معنی که ساختار مارتنزیتی در دمای پایین با افزایش دما به ساختار آستنیتی تبدیل می شود و در هنگام سرد کردن؛ فرآیند عکس رخ خواهد داد. بسیاری از مواد، استحاله مارتنزیتی دارند اما برتری که آلیاژهای حافظه دار را نسبت به آلیاژهای دیگر متمایز می نماید قابلیت دو قلو شدن این آلیاژ در فاز مارتنزیت می باشد. در حالیکه مواد دیگر به وسیله لغزش و حرکت نابجائیها تغییر شکل می یابند، آلیاژهای حافظه دار به وسیله تغییر جهت ساده ساختار کریستالهای خود و از طریق مرزهای دو قلوئی به تنشهای اعمال شده، عکس العمل نشان می دهند.
اگر در این آلیاژها در دمای پائین، هنگامیکه فاز مارتنزیت حاکم است، تغییر فرم پلاستیکی روی دهد، ساختار کریستالی دو قلو شده ای برای آلیاژ ایجاد می شود که ناشی از تغییر فرم پلاستیک می باشد. با گرم کردن آلیاژ تغییر فرم یافته تا دمای شروع فاز آستنیت می توان شکل اولیه را بازگرداند. این توانائی بعنوان اثر حافظه شکل خوانده می شود و حاصل از تغییر فاز مارتنزیت در دمای پائین به فاز آستنیت در دمای بالا می باشد. در اثر خم کردن میله حافظه دار در دمای پایین و جایی که فاز مارتنزیت حاکم است، تغییر فرم پلاستیک در میله رخ داده و طول آن زیاد می شود. حال اگر میله خم شده، گرم شود و فاز آستنیت حاکم گردد، میله به بهینه ترین حالت به شکل اولیه خود بر می گردد. وقتی هم که میله سرد شود و به فاز مارتنزیت برگردد، نیز کرنشهای پلاستیک کاملا حذف شده اند و به حالت اولیه درخواهد آمد. در حقیقت در اثر فرآیند برگشت به شکل اولیه، تنشهایی در آلیاژ تولید میشود که این تنش باعث تحریک میشود. این تنشهای حاصل شده، تنش بازیافتی خوانده می شود و بهبود توزیع تنش و کرنش، بهبود خواصی چون مدول یانگ و تنش تسلیم و توانائی کنترل رفتار سیستم، از جمله آثار مفید تنشهای بازیافتی می باشد. بعنوان مثال اگر در نوعی از این آلیاژ کرنش 8 درصدی رخ دهد، با گرم کردن می توان این کرنش را کاملا از بین برد.
رفتار ترمودینامیکی آلیاژهای حافظه دار به دما، تنش و ترکیب شیمیایی و ساختار آلیاژ بستگی دارد. در فرآیند گرم کردن آلیاژ و در دمای پایین تر از دمای آغاز فاز آستنیت ماده 100% در فاز مارتنزیت می باشد و در دمای پایان فاز آستنیت ماده 100% در فاز آستنیت می باشد. و در فرآیند سرد کردن و در دمای بالاتر از دمای آغاز فاز مارتنزیت ماده 100% در فاز آستنیت می باشد در حالیکه در دمای پایین تر از دمای پایان فاز مارتنزیت ماده کاملا در فاز مارتنزیت می باشد. اما در دمای مابین و و همچنین مابین دماهای و ماده بصورت دو فازی است و بخشی از آن در فاز مارتنزیت و بخشی از آن در فاز آستنیت می باشد.
حالت ماده در دماهای مختلف توسط درصد حجمی فاز مارتنزیت بیان می شود که در دمای پایینتر از در فرآیند گرم کردن و دمای پایین تر از در فرآیند سرد کردن برابر مقدار 1 می باشد و در دمای بالاتر از در فرآیند گرم کردن و بالاتر از در فرآیند سردکردن برابر مقدار صفر می باشد. اما در دمای مابین دماهای تغییر فاز بسته به نوع فرآیند سرد و گرم کردن به دما وابسته می باشد .در دمای پایین و به ازای مدول الاستیسیته آلیاژ برابر با مدول فاز مارتنزیت و در دمای بالا و به ازای مدول الاستیسیته آلیاژ برابر به مدول فاز آستنیت می باشد. اما در دمای مابین دماهای تغییر فاز، تغییرات مدول الاستیسیته تابعی بر حسب دما می باشد. همچنین تنشهای بازیافتی تولید شده نیز به دما وابستگی دارد. بایستی توجه شود که تنشهای بازیافتی به مقدار کرنش اولیه بستگی داشته و در حالتی که آلیاژ تحت هیچگونه کرنش اولیه ای نباشد، در اثر تغییر فاز، تنش بازیافتی تولید نمی شود.
آلیاژهای حافظه دار تا حدودی الاستیک هستند. یعنی توانایی ذخیره سازی انرژی مکانیکی و آزادسازی آن را دارند. در این دسته از فلزات مولکول ها قابلیت چیدمان مجدد دارند. ساختار مولکولی در هر فاز عاملی است که سبب تغییر شکل فلز و بازگشت آن به حالت اولیه می شود. با توجه به این که این دسته از فلزات زیست سازگار هستند و سیستم ایمنی بدن در برابر آنها عکس العمل نشان نمی دهد و همچنین از ویژگی های فیزیکی قابل توجهی مانند مقاومت در برابر خوردگی برخوردار هستند. در ساخت ایمپلنت ها (کاشتنی ها) در ارتوپدی و درمان شکستگی ها از آن استفاده می شود. در شکستگی های استخوان های صورت از صفحات ویژه ای استفاده می شود تا استخوان های صورت را در مدت زمان درمان شکستگی در کنار هم نگاه دارد.
در گذشته از صفحاتی از جنس استیل برای این کار استفاده می شد.اگر چه در ابتدا استخوان ها درست در کنار هم قرار می گیرند، اما به مرور این وضعیت تغییر می کند که سبب تاخیر در ترمیم شکستگی می شود. با ظهور آلیاژهای جدیدی که تحت عنوان مواد هوشمند بررسی می شوند و کاربرد آنها در ساخت این صفحات امروزه جراحان از فلزهای حافظه دار به جای استیل استفاده می کنند. برای این کار ابتدا فلز را کمی سرد می کنند و سپس آن را در محل مورد نظر نصب می کنند.
در اثر دمای بدن فلز کمی گرم می شود و به این ترتیب این صفحه فشار لازم برای کنار هم نگاه داشتن بخشهای شکسته شده را حفظ می کند و سبب می شود استخوان در کوتاه ترین زمان ممکن ترمیم شود.این آلیاژها کاربردهای گوناگون و بسیار مفیدی نیز در زمینه هایی همچون: هوا وفضا، صنایع خودروسازی، پزشکی،دندانپزشکی و..دارند.
کاربرد های آلیاژهای حافظه دار :
کاربرد با بازیابی آزاد ( استفاده از حرکت ) : آلیاژهای حافظه دار در حین سرد و گرم شدن شکل اولیه خود را بازیابی می کنند . بدون اینکه تنش بیرونی از این کار ممانعت به عمل آورد . مثل آنتن های سفینه فضایی
کاربرد با بازیابی مقید ( استفاده از نیرو ) : به کاربردهایی اطلاق می شود که در آنها یک نیروی خارجی جلوی بازیابی کرنش در آلیاژ را می گیرد . در این حالت هیچ کرنشی بازیابی نمی شود . ولی مقدار زیادی تنش ایجاد می شود . مثل چفت و بست ها
کاربردهایی با بازیابی تحت فشار ( استفاده از کار ) : هم تنش و هم کرنش حین گرم شدن بازیابی می شوند  و کار مکانیکی ایجاد می شود
کاربردهای ابر کشسانی ( ذخیره انرژی مکانیکی ) : رفتار الاستیک 15 برابر فولادهای فنر است
خاصیت میرا کنندگی ارتعاشات : مهار ارتعاشات در سازه هایی که تحت ارتعاشات شدید هستند . مثل صفحات آزاد میرا کننده ارتعاشات در سفینه های فضایی
 ساخت آلیاژ های حافظه دار :
روش های اصلی ساخت آلیاژ های حافظه دار در دو گروه عمده قابل بررسی است:
الف) ساخت آلیاژ به طریقه ذوب و ریخته گری با استفاده از کوره های القایی و کوره های مقاومتی
ب) ساخت آلیاژ به طریقه متالورژی پودر
برای تولید آلیاژ های حافظه دار درتناژهای بالا و تجارتی ، از روش ذوب و ریخته گری استفاده می شود.
کاربرد آلیاژهای حافظه دار درمهندسی پزشکی:
کاربرد پزشکی آلیاژ های حافظه دار به عنوان یک عملگر با اثر باقیمانده در داخل بدن قابل بررسی است آلیاژی که در بدن افراد برای بهبود رفتار بالینی اعضای آنها بکار گرفته شده است نباید مولد هیچ گونه حساسیتی باشد علاوه بر آن آلیاژ بکارگرفته شده نباید به صورت ذراتی از یون آن ماده وارد خون شخص گیرنده این گونه آلیاژها شود.
جنبه های متعددی شامل شاخص های مزاجی افراد همچون سن ، قوای بدن و سلامتی و خصوصیات شیمیایی مواد همانند خوردگی ، تخلخل پذیری سطح ، تأثیرات سمی و عناصر موجود در مواد به منظور پذیرش مواد مذکور در بدن افراد باید مورد بررسی قرار گیرند.
تحقیقات متعددی در مورد تولید و بکارگیری آلیاژهای حافظه دار با کاربرد پزشکی با پایه عنصری Ni-Ti انجام پذیرفته است . این تحقیقات نشان می دهد که آلیاژNi-Ti در کاربرد و استفاده، نسبت به بقیه آلیاژها از موقعیت خوبی برخوردار است.تحلیل خواص آلیاژ Ni-Ti با بررسی خواص جداگانه نیکل و تیتانیم امکان پذیر است .
نیکل رنگ سفید نقره ای براق دارد و فلزی است سمی ، شکننده که از قابلیت پولیش خوبی برخوردار است این فلز جز ء فلزات غیر آهنی سنگین با جرم مخصوصKg/dm3 9/8 و نقطه ذوب 1455 می باشد و در مقابل خوردگی بسیار مقاوم بوده و به وسیله آهن ربا جذب می شود. همچنین در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبی نشان می دهد موارد استفاده آن شامل پوشش محافظ در آبکاری فلزات ، تولید فولادهای آلیاژی و غیره می باشد.
آلیاژهای حافظه دار عنوان گروهی از مواد محرک می باشند که خواص متمایز و برتری نسبت به سایر آلیاژها دارند. عکس العمل شدید این مواد نسبت به برخی از پارامترهای ترمودینامیکی و مکانیکی و قابلیت بازگشت به شکل اولیه در اثر اعمال پارامترهای مذکور به گونه ای است که می تواند رفتار سیستم را بهبود بخشد
تیتانیم فلزی است نقره فام مایل به خاکستری و جزء فلزات غیر آهنی سبک است و جرم مخصوص آنKg/dm3 5/4 و نقطه ذوب آن 1670 می باشد. مقاومت در مقابل خوردگی و سایش و استحکام زیاد آن موجب کاربرد در ساخت قطعات هواپیما ، سفینه فضایی ، لوازم نظامی و جراحی شده است. آلیاژهای تیتانیم دار فلز اصلی ساختمان هواپیمای مافوق صوت را تشکیل می دهد . تیتانیوم بر خلاف نیکل در پزشکی بسیار مؤثر عمل می کند ، علاوه بر این با توجه به خواص بسیار خوب مکانیکی برای اصلاح دندان های کج و همچنین ترمیم استخوان های آسیب دیده کاربرد فراوان دارد.
بررسی تحقیقات خواص بالینی آلیاژ Ni-Ti چگونگی کنترل مقاومت در مقابل خوردگی و عوامل خارجی مؤثر بر این آلیاژ را نشان می دهد.