اولین مطالب گزارش شده در رابطه با اثر حافظه پذیری به سال 1930 بر می‌گردد که اولاندر و همکارانش رفتار سوپرالاستیک آلیاژ Au-Cd را کشف کردند، بعد از آن بود که در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پدیده حافظه داری شکلی- توسط Changeو Read انجام شد.
پدیده اصلی اثر حافظه پذیری که با رفتارترمو الاستیک فاز مارتنزیتی کنترل میشود، به طور گسترده ای در یک دهه بعد توسط کردجامو در سال 1949 گزارش شد .
تحلیل خواص آلیاژ Ni-Ti با بررسی خواص جداگانه نیکل و تیتانیم امکان پذیر است که در ذیل به بررسی اجمالی این دو عنصر می پردازیم :
نیکل رنگ سفید نقره ای براق دارد، فلزی سمی و شکننده است که از قابلیت پولیش خوبی برخوردار میباشد، این فلز جز ء فلزات غیرآهنی سنگین با جرم مخصوصKg/dm3 9/8و نقطه ذوب 1455بوده و بسیار در مقابل خوردگی مقاوم میباشد، همچنین در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبی نشان میدهد .
تیتانیم فلزی است نقره فام مایل به خاکستری و جزء فلزات غیر آهنی سبک میباشد که جرم مخصوص آنKg/dm3 5/4 و نقطه ذوب آن 1670 میباشد، مقاومت بالایی در مقابل خوردگی و سایش داشته و استحکام زیاد آن موجب کاربرد در ساخت قطعات هواپیما، سفینه فضایی، لوازم نظامی و جراحی شده است.
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.
امروزه اصلاح سطح و ایجاد پوشش های مختلف بر روی سطح آلیاژ نیکل – تیتانیوم (نایتانول ) موضوع تحقیقات بسیاری میباشد، چرا که این آلیاژ علاوه بر خاصیت سوپر الاستیکی که دارد - با بدن موجود زنده هم سازگاری خوبی دارد و به همین دلیل موضوع تحقیقات گسترده ای در سراسر جهان شده است که درصد بالایی از این تحقیقات برای بهبود خاصیت خوردگی آلیاژ نیکل – تیتانیوم و کاهش درصد نیکل آزاد شده از سطح اختصاص یافته است، در این میان لازم به ذکر است که عنصر نیکل بسیار آلرژی زا و سمی میباشد.
به عنوان مثال تحقیقات اخیر در این زمینه نشان داده اند که قطعات تجاری موجود در بازار برای استفاده در صنعت دندان پزشکی، مقدار نیکل آزاد شدهای بین 0.2 تا 7 میکرو گرم برسانتیمتر مربع را دارا بوده اند که رنج بسیار وسیعی میباشد، همچنین گزارش شده است که مقدار نیکل آزاد شده با افزایش زمان، افزایش می یابد(در این تحقیقات دو سری نمونه را در 8 هفته و چندین ماه مورد بررسی قرار داده اند ) .
یکی از مهمترین ترکیبات بین فلزی، نایتانول (NiTi) است، این ماده مهمترین ترکیب از خانواده آلیاژهای هوشمند(آلیاژ نیکل- تیتانیم) بوده و دارای خواص بسیار ویژه ای است که آن را از سایر مواد حتی از سایر ترکیبات بین فلزی نیز، متمایز میکند.
NiTi معمولا شامل نسبت‌های مساوی از نیکل و تیتانیم است و گاهی اوقات عناصر دیگری برای تنظیم خواص به آن اضافه می‌شوند.
خواص و ویژگی‌های NiTi :
در ویژگی‌های NiTi، خواص منحصر به فردی از جمله حافظه پذیری و سازگاری با محیط بدن به چشم می‌خورد که آن را از سایر مواد متمایز کرده و کاربردهای خاصی را برای این ترکیب به همراه آورده است- به‌صورت کلی می‌توان خواص و ویژگی‌های NiTi را به صورت زیر بیان کرد:
*سوپر الاستیسیته (حافظه مکانیکی): تغییرشکل الاستیکی محض
*حافظه حرارتی: بازیابی شکل ماده بعد از حرارت دیدن
*پلاستیسیته غیرطبیعی: قابلیت خمش بالای ماده بدون شکست یا خستگی
*سازگاری با محیط بدن: مقاومت بالا در برابر خوردگی و هم زیستی عالی با محیط بدن
*مقاومت سایشی خوب
خواص NiTi به‌صورت قابل ملاحظه‌ای با کار مکانیکی به همراه عملیات حرارتی قابل بهبود است، چندین پارامتر برای بهبود این خواص عمده وجود دارد که مهمترین آنها عبارت است از:
*ترکیب شیمیایی
*میزان کار سرد
*پارامترهای عملیات حرارتی از جمله دما و زمان
خواص مکانیکی NiTi به حالت فازی آن در یک دمای معین بستگی دارد. NiTi در دماهای مختلف می‌تواند به صورت مارتنزیتی یا آستنیتی حاضر شود - در هر یک از این حالتها NiTi رفتار مکانیکی متفاوتی را نشان میدهد.
چنانچه یک آلیاژ حافظه دار مقداری تغییر شکل دهد و تا دمایی بالاتر ازدمای تغییر شکلش گرم شود، می‌تواند به شکل اولیه خود باز گردد(دمای تغییر فرم،دمای تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت می باشد).
نکته جالبی که باید به آن اشاره شود این مطلب میباشد که نایتانول در شکل مارتنزیت نرم و انعطاف‌پذیر است و به آسانی می‌تواند تغییر شکل دهد (چیزی شبیه مفرغ نرم (ترکیب سرب و قلع )).
در واقع NiTi در حالت مارتنزیت یک ماده سوپر الاستیک و بسیار کشسان است (مثل لاستیک) ، در حالیکه NiTi آستنیتی کاملا سخت و محکم است (مثل تیتانیم). در واقع NiTi دارای هر دوی این خواص است و حالت ثابت آن بستگی به دمایی دارد که قطعه در آن دما استفاده میشود.
باید توجه داشت که کار سرد رفتار مکانیکی NiTi را ارتقا میدهد و دمای استحاله را کاهش میدهد و برای هر ماده کار سرد شده برای داشتن سوپر الاستیسیته یا اثرحافظه داری باید از قبل عملیات حرارتی شود.
مطلب دیگری که باید به آن اشاره شود این مطلب می-باشد که در رابطه با حافظه پذیری آلیاژ نیکل - تیتانیوم دو حالت رخ می دهد :
بسیاری از مواد، استحاله مارتنزیتی دارند اما برتری که آلیاژ حافظه دار نیکل - تیتانیوم نسبت به آلیاژهای دیگر دارد، قابلیت دو قلو شدن این آلیاژ در فاز مارتنزیت می باشد و به همین علت میباشد که مواد دیگر به وسیله لغزش و حرکت نابجائیها تغییر شکل میدهند در حالی که آلیاژهای حافظه دار نیکل - تیتانیوم 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، هنگامی که فاز مارتنزیت حاکم است، تغییر‌فرم پلاستیکی روی دهد، ساختار کریستالی دو قلو شده ای برای آلیاژ ایجاد میشود که ناشی از تغییر فرم پلاستیک می باشد. با گرم‌کردن آلیاژ تغییر فرم یافته تا دمای شروع فاز آستنیت می‌توان شکل اولیه را بازگرداند، توانائی مذکور به عنوان اثر حافظه داری خوانده میشود و حاصل از تغییر فاز مارتنزیت (در دمای پائین) به فاز آستنیت (در دمای بالا) میباشد. در اثر خم کردن میله از جنس آلیاژ 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، کرنشهای پلاستیک که کاملا حذف شده بودند - به حالت اولیه درخواهند آمد.
کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار :
بطور کلی کاربردهای گسترده‌ای را می‌توان برای آلیاژ های حافظه دار در نظر داشت که بصورت ذیل قابل تقسیم بندی می‌باشند:
*فیلترهای خونی از جنس سیم‌های Ni-Ti
*کاربردهای دندانپزشکی و ارتودنسی از جنس Ni-Ti
*ایمپلنت های پزشکی از جنس Ni-Ti
و.......
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
که معمولا برای تولید آلیاژ های حافظه دار در تناژهای بالا و تجارتی، از روش ذوب و ریخته گری استفاده میشود .
در واقع استاندارد ASTM F 86 عملیات اختصاصی را برای امپلنت های فلزی به منظور اطمینان از غیر فعال شدن سطح پیشنهاد میکند که این عملیات پیشنهاد شده برای فولاد ضدزنگ شامل رویین سازی در اسید سیتریک و یا آماده سازی الکتریکی (الکترو پولیش ) با استفاده از محلول مناسب برای بهبود مشخصات اکسید های سطح و افزایش مقاومت خوردگی و لذا افزایش قابلیت زیست سازگاری آنها، می باشد.
پدیده اصلی اثر حافظه پذیری که با رفتارترمو الاستیک فاز مارتنزیتی کنترل میشود، به طور گسترده ای در یک دهه بعد توسط کردجامو در سال 1949 گزارش شد .
تحلیل خواص آلیاژ Ni-Ti با بررسی خواص جداگانه نیکل و تیتانیم امکان پذیر است که در ذیل به بررسی اجمالی این دو عنصر می پردازیم :
نیکل رنگ سفید نقره ای براق دارد، فلزی سمی و شکننده است که از قابلیت پولیش خوبی برخوردار میباشد، این فلز جز ء فلزات غیرآهنی سنگین با جرم مخصوصKg/dm3 9/8و نقطه ذوب 1455بوده و بسیار در مقابل خوردگی مقاوم میباشد، همچنین در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبی نشان میدهد .
تیتانیم فلزی است نقره فام مایل به خاکستری و جزء فلزات غیر آهنی سبک میباشد که جرم مخصوص آنKg/dm3 5/4 و نقطه ذوب آن 1670 میباشد، مقاومت بالایی در مقابل خوردگی و سایش داشته و استحکام زیاد آن موجب کاربرد در ساخت قطعات هواپیما، سفینه فضایی، لوازم نظامی و جراحی شده است.
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.
امروزه اصلاح سطح و ایجاد پوشش های مختلف بر روی سطح آلیاژ نیکل – تیتانیوم (نایتانول ) موضوع تحقیقات بسیاری میباشد، چرا که این آلیاژ علاوه بر خاصیت سوپر الاستیکی که دارد - با بدن موجود زنده هم سازگاری خوبی دارد و به همین دلیل موضوع تحقیقات گسترده ای در سراسر جهان شده است که درصد بالایی از این تحقیقات برای بهبود خاصیت خوردگی آلیاژ نیکل – تیتانیوم و کاهش درصد نیکل آزاد شده از سطح اختصاص یافته است، در این میان لازم به ذکر است که عنصر نیکل بسیار آلرژی زا و سمی میباشد.
به عنوان مثال تحقیقات اخیر در این زمینه نشان داده اند که قطعات تجاری موجود در بازار برای استفاده در صنعت دندان پزشکی، مقدار نیکل آزاد شدهای بین 0.2 تا 7 میکرو گرم برسانتیمتر مربع را دارا بوده اند که رنج بسیار وسیعی میباشد، همچنین گزارش شده است که مقدار نیکل آزاد شده با افزایش زمان، افزایش می یابد(در این تحقیقات دو سری نمونه را در 8 هفته و چندین ماه مورد بررسی قرار داده اند ) .
یکی از مهمترین ترکیبات بین فلزی، نایتانول (NiTi) است، این ماده مهمترین ترکیب از خانواده آلیاژهای هوشمند(آلیاژ نیکل- تیتانیم) بوده و دارای خواص بسیار ویژه ای است که آن را از سایر مواد حتی از سایر ترکیبات بین فلزی نیز، متمایز میکند.
NiTi معمولا شامل نسبت‌های مساوی از نیکل و تیتانیم است و گاهی اوقات عناصر دیگری برای تنظیم خواص به آن اضافه می‌شوند.
خواص و ویژگی‌های NiTi :
در ویژگی‌های NiTi، خواص منحصر به فردی از جمله حافظه پذیری و سازگاری با محیط بدن به چشم می‌خورد که آن را از سایر مواد متمایز کرده و کاربردهای خاصی را برای این ترکیب به همراه آورده است- به‌صورت کلی می‌توان خواص و ویژگی‌های NiTi را به صورت زیر بیان کرد:
*سوپر الاستیسیته (حافظه مکانیکی): تغییرشکل الاستیکی محض
*حافظه حرارتی: بازیابی شکل ماده بعد از حرارت دیدن
*پلاستیسیته غیرطبیعی: قابلیت خمش بالای ماده بدون شکست یا خستگی
*سازگاری با محیط بدن: مقاومت بالا در برابر خوردگی و هم زیستی عالی با محیط بدن
*مقاومت سایشی خوب
خواص NiTi به‌صورت قابل ملاحظه‌ای با کار مکانیکی به همراه عملیات حرارتی قابل بهبود است، چندین پارامتر برای بهبود این خواص عمده وجود دارد که مهمترین آنها عبارت است از:
*ترکیب شیمیایی
*میزان کار سرد
*پارامترهای عملیات حرارتی از جمله دما و زمان
خواص مکانیکی NiTi به حالت فازی آن در یک دمای معین بستگی دارد. NiTi در دماهای مختلف می‌تواند به صورت مارتنزیتی یا آستنیتی حاضر شود - در هر یک از این حالتها NiTi رفتار مکانیکی متفاوتی را نشان میدهد.
چنانچه یک آلیاژ حافظه دار مقداری تغییر شکل دهد و تا دمایی بالاتر ازدمای تغییر شکلش گرم شود، می‌تواند به شکل اولیه خود باز گردد(دمای تغییر فرم،دمای تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت می باشد).
نکته جالبی که باید به آن اشاره شود این مطلب میباشد که نایتانول در شکل مارتنزیت نرم و انعطاف‌پذیر است و به آسانی می‌تواند تغییر شکل دهد (چیزی شبیه مفرغ نرم (ترکیب سرب و قلع )).
در واقع NiTi در حالت مارتنزیت یک ماده سوپر الاستیک و بسیار کشسان است (مثل لاستیک) ، در حالیکه NiTi آستنیتی کاملا سخت و محکم است (مثل تیتانیم). در واقع NiTi دارای هر دوی این خواص است و حالت ثابت آن بستگی به دمایی دارد که قطعه در آن دما استفاده میشود.
باید توجه داشت که کار سرد رفتار مکانیکی NiTi را ارتقا میدهد و دمای استحاله را کاهش میدهد و برای هر ماده کار سرد شده برای داشتن سوپر الاستیسیته یا اثرحافظه داری باید از قبل عملیات حرارتی شود.
مطلب دیگری که باید به آن اشاره شود این مطلب می-باشد که در رابطه با حافظه پذیری آلیاژ نیکل - تیتانیوم دو حالت رخ می دهد :
بسیاری از مواد، استحاله مارتنزیتی دارند اما برتری که آلیاژ حافظه دار نیکل - تیتانیوم نسبت به آلیاژهای دیگر دارد، قابلیت دو قلو شدن این آلیاژ در فاز مارتنزیت می باشد و به همین علت میباشد که مواد دیگر به وسیله لغزش و حرکت نابجائیها تغییر شکل میدهند در حالی که آلیاژهای حافظه دار نیکل - تیتانیوم 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، هنگامی که فاز مارتنزیت حاکم است، تغییر‌فرم پلاستیکی روی دهد، ساختار کریستالی دو قلو شده ای برای آلیاژ ایجاد میشود که ناشی از تغییر فرم پلاستیک می باشد. با گرم‌کردن آلیاژ تغییر فرم یافته تا دمای شروع فاز آستنیت می‌توان شکل اولیه را بازگرداند، توانائی مذکور به عنوان اثر حافظه داری خوانده میشود و حاصل از تغییر فاز مارتنزیت (در دمای پائین) به فاز آستنیت (در دمای بالا) میباشد. در اثر خم کردن میله از جنس آلیاژ 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، کرنشهای پلاستیک که کاملا حذف شده بودند - به حالت اولیه درخواهند آمد.
کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار :
بطور کلی کاربردهای گسترده‌ای را می‌توان برای آلیاژ های حافظه دار در نظر داشت که بصورت ذیل قابل تقسیم بندی می‌باشند:
*فیلترهای خونی از جنس سیم‌های Ni-Ti
*کاربردهای دندانپزشکی و ارتودنسی از جنس Ni-Ti
*ایمپلنت های پزشکی از جنس Ni-Ti
و.......
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
که معمولا برای تولید آلیاژ های حافظه دار در تناژهای بالا و تجارتی، از روش ذوب و ریخته گری استفاده میشود .
در واقع استاندارد ASTM F 86 عملیات اختصاصی را برای امپلنت های فلزی به منظور اطمینان از غیر فعال شدن سطح پیشنهاد میکند که این عملیات پیشنهاد شده برای فولاد ضدزنگ شامل رویین سازی در اسید سیتریک و یا آماده سازی الکتریکی (الکترو پولیش ) با استفاده از محلول مناسب برای بهبود مشخصات اکسید های سطح و افزایش مقاومت خوردگی و لذا افزایش قابلیت زیست سازگاری آنها، می باشد.
