دانلود تحقیق آلیاژهای حافظه دار

آلیاژهای حافظه دار موادی بسیار جالب با مشخصات حفظ شکل و سوپرالاستیسیته هستند که فلزات و آلیاژهای معمولی این خاصیت را ندارند .

خواص متمایز و برتری آن ها نسبت به سایر آلیاژها عکس العمل شدید این مواد نسبت به برخی پارامترهای ترمودینامیکی و مکانیکی و قابلیت بازگشت به شکل اولیه در اثر اعمال پارامترهای مذکور است .

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 می ماند .

آلیاژ حافظه دار منجمله نایتینول رفتار متفاوتی از خود ارائه مینماید .

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 در دمای بالا برگردد .

و این تنها با افزایش دمای نمونه ممکن است.

این فرآینددرباره پدیده حافظه داری شکل اولین بار در سال1932 توسط,Change Readمشاهد شدآنها وارون پذیری حافظه شکلی رادر AuCd ازطریق مطالات فلزشناسی وتغیرات مقاومت الیاژ بررسی کردند و برای مدت زمان طولانی در حد کنجکاوی آزمایشگاهی باقی ماند تا اینکه این در سال 1956 مشاهدات و تحقیقات مربوط به تز دکترای Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلیاژ CuZn منتشر شد و در سال 1963 کشف حافظه داری شکل در آلیاژ NiTi با درصد اتمی مساوی (50-50%) توسط Buhler و همکارانش نظر دانشمندان ومحققین را جلب نمود.

در این هنگام تحقیق درباره متالورژی و کاربرد های عملی اولیه آن به طور جدی آغاز شد.

در سال 1967 درکنفرانس Buhler,Nol و همکارانش تحقیقات گسترده خود را بر روی Nitinol و کاربرد های تجاری فراوان در صنایع ارائه دادند.

از سال 1980 Hawt,Micheal با انتشار مقاله بر روی برنج ماده جدید حافظه دار دیگر را معرفی کردند و بعد رفتار سوپرالاستیک مواد حافظه دار و بویژه نایتینول به منظور وسایل پزشکی و صنعتی توسعه یافت و کشف مزایای اساسی وعملی آن ها هر روز رو به افزایش است .

2- پیش گفتار
انواع مواد هوشمند را برمبنای نوع تبدیل انرژی که صورت می گیرد طبقه بندی
می کنند :
1- الکترومکانیکی : مواد پیزوالکتریک، مواد الکترو استریکتیو، سیالات الکترور ژئولورژیکال
2- مکانیکی مغناطیسی : مواد مگنتو استریکتیو ، سیالات مگنتو ژئولورژیکال
3- مکانیکی نوری : فیبرهای نوری
4- مکانیکی – حرارتی : آلیاژهای حافظه دار


3-آلیاژهای حافظه دار
به طور خلاصه موادی هستند که هر گاه در دمای پایین در فاز مارتنزیتی خود دچار تغییر فرم مکانیکی گردند ، با افزایش دما شکل اولیه خود را باز می یابند ، نیروی که عامل این تغییرات است همان ساختار کریستالی و تبدیل مارتنزیتی می‌باشد .این مواد دارای محدوده مشخص دمای هستند که عبور از آن ها می تواند حافظه این مواد را از بین ببرد .

از طرفی هنگامی که این مواد به عنوان محرک به کار می روند در دمای مشخص می توانند فعال شوند و این خود مسئله مهمی برای طراحی می باشد .

یا به عبارتی در پدیده حافظه داری، نمونه در حالت کاملاً مارتنزیتی به مقدار معینی تغییر فرم داده می شود سپس با گرم کردن نمونه و برگشت آن به حالت آستنیتی، شکل نمونه نیز به حالت اول خود بر گردد .

شکل (1) سیکل حرارتی مکانیکی توصیف کننده پدیده حافظه داری شکلی

شکل(1) چگونگی پدیده حافظه داری شکل را با تبدیل دو فاز آستنیت و مارتنزیت به یکدیگر نشان می دهد.

بررسی بر روی تغییر حالت متالورژیکی نمونه جامد ، تغییر آرایش اتم ها بدون هیچگونه تغییری در ترکیب شیمیایی فاز زمینه را نشان می دهد.

این تغییر آرایش منجر به ایجاد ساختار کریستالی فاز جدید و پایدار می شود.

پیشرفت تغییر حالت بدون نیاز به حرکت و جابجایی اتمها به صورت مجزا ، را می توان مستقل از زمان دانست و به همین دلیل می توان وابستگی دما را به عنوان تنها عامل پیشرفت این تغییر نشان داد.

(شکل-2 ) شماتیک تغیر فرم آلیاژ حافظه دار Af: دمای پایانی آستنیت As: دمای شروع آستنیت Mf: دمای پایانی مارتنزیت Ms: دمای شروع مارتنزیت 4- سوپر الاستیسیته سوپرالاستیسیته نایتینول مواد مهم استراتژیک دامنه‌وسیعی از روش ها و طراحی هاست خصوصیت کلیدی مواد سوپر الاستیک برای طراحان و کاربران حالت میانه بین پلیمرها و فلزات مرسوم است .

استحکام فلزات و انعطاف پذیری پلاستیک یا «‌فوق فنر »‌ که از نظر کیفی سوپر الاستیسیته نایتینول قابل توجه است .

خصوصیات خیلی خوب این آلیاژ خواص مکانیکی و الکتریکی ، عمر خستگی طولانی و همچنین مهمترین و مناسبت ترین خصوصیات سوپر الاستیک نایتینول به شرح زیر است .

(شکل- 3 )شماتیک تغیر فرم حرارتی سوپرالاسیتسیته درآلیاژ حافظه دار Af: دمای پایانی آستنیت As: دمای شروع آستنیت Mf: دمای پایانی مارتنزیت Ms: دمای شروع مارتنزیت 5- مزایا مربوط با رفتار سوپر الاستیک آلیاژحافظه دارنایتینول : تغییر شکل قابل بازیابی زیاد خود را گرفتن دایمی پایین یا تغییر شکل باقیمانده تنش و استحکام کشش نهایی زیاد ورقه های فلزی دمای بدنه با دامنه دمای سوپر الاستیک ( Ni-Ti50-80) توانایی ذخیره انرژی پتانسیل بالا مقاومت به خوردگی شبیه به فولادهای ضد زنگ، و آلیاژهای تیتانیوم زیست سازگاری سوپر الاستیسیته اجازه می دهد تا تغییر فرم های الاستیک بسیار زیاد ، وابسته به تغییرات کم تنش به وقوع بپیوندد .عامل مکانیزم بیش از 5% کرنش بازیابی و psi50000 تنش بازگردانی با چرخه های بالا را توانایی داد .

برای مثال سیم های نایتینول به ابعاد in 020/0عمری برابر 16 پوند می توانند داشته باشند .

از آنجا که عامل حافظ‌شکل و سوپر الاستیسیته براساس عدم نفوذ و بدون تغییر فاز می باشد لذا « تغییر حالت مارتنزیتی» نامیده می شود .اثر مکانیکی حافظه داری ( سوپرالاستیکی ) توسط تغییر شکل آستنیت در یک دامنه دمای معین متوقف می شود و یک استحاله تنش القایی فاز مارتنزیت را حاصل می کند آلیاژ نایتینول ماده ای هوشمند است زیرا با داشتن امکان تشخیص و قابلیت شکل بازگشت به شکل مشخص ، امکان اقدام خودکار در شرایط ضرروی را دارا می باشد .

ساختار ماده در دمای پایین مارتنزیت و در دمای بالا آستنیتی است .

نایتینول مارتنزیتی نرمی فوق العاده ، تنش تسلیم پایین و شکل پذیری قابل توجهی دارد .

با تبدیل ساختار آلیاژ آستنیت در اثر افزایش دما ، شکل قبلی آلیاژ بازیابی می شود .

برای استحاله آستنیت به مارتنزیت یا بلعکس درجه حرارت شروع و پایان استحاله باید تعیین شود .

مقدار این دما با توجه به نوع کاربرد مهم می‌باشد.

500.- 700 جای است که ساختار کریستالی استنیت تغییر می کندو تغییر ساختاربه واسطه باندهای دوقلوی است که درفصل سوم بحث می شود.

تعدادی از مولفه ها بیانگر افزایش انعطاف پذیری برگشت پذیر به 10% وتقریباً 10 بار بیشتر از مقدار الاستیسیته فلزات رایج مواد فلزی است .

مؤلفه سوپر الاستیک اینجا احتمالات جدید ، را باز می کند از زمانی که آنها با مقاطع عرضی کوچک وجود داشته باشند شکست زیاد و شکل پایدار دارند .

استفاده اقتصادی این اثرات به خصوص در مکان های تکنولوژیکی – پزشکی وتکنیک میکروسیستم کنترل واندازه گیریهای خودکار الکترونیک و خودرو به علاوه به بالابردن توانایی های بدنه خوب است .

6- معایب مربوط به رفتار سوپر الاستیک آلیاژ حافظه دار نایتینول: آلیاژ نایتینول علیرغم دارا بودن خواص مطلوبی مانند الاستیسیته بالا وتنش کششی نهایی بالا دارای محدودیت های از قبیل ، کم بودن مقاومت خستگی و سایشی می‌باشد که برخی محققین با اضافه کردن یون های نیتروژن و بور سعی کرده اند مقاومت به خستگی و سایشی آلیاژ نایتینول را اضافه کنند .همچنین مشکل شیب دمای وسیعی است که برای سوپر الاستیک و نایتینول مشاهده می شود.

و سوپر الاستیسیته بسیار عالی نایتینول قابل توجه است اما فقط برای کرنش های بالای 8 % است.

منحنی تنش کرنش فرایند بار گذاری نایتینول را نشان می دهد که کرنش بازیابی در دسترس است.

و افزایش بار گذاری با دمای مشخص است .

سوپر الاستیک آلیاژ های نایتینول در رنج حرارتی حدود 50 درجه سانتیگراد بالا دمای آستنیت نهایی است.

به راحتی در دامنه (15- )درجه سانتیگراد به (100+) برای هم سوپر الاسیتیسته وهم حافظه شکلی کاربرد دارد.

(شکل-4 )شماتیک بار گزاری منحنی تنش - کرنش موثر حرارتی ‌1- آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول : اخیراً آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول نظر بسیاری از محققین و مهندسین مواد را جلب کرده است .

زیرا خواص عالی و کاربردی بهینه‌آن ها به ویژه در پزشکی است .

ساختار حفره‌ای در آلیاژ های حافظه دار نایتینول دانسیته آلیاژها را کاهش می دهد و بیش از آن ، مدول یانگ آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول می تواند بواسطه کنترل کردن خصوصیت حفره ها تنظیم شود .

روش متالورژی پودر فرایند اطمینان بخش‌تر برای بقیه‌آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول است.

توسط زینتر کردن عناصر پودری نیکل و تیتانیم ، روش متالورژی پودر شامل تکنیک های مختلفی است شبیه زینتر کردن معمولی ( CS) واکنش حرارت زیاد خود پیشرو (‌SHS) و فشردن ایزواستاتیک گرم ( HIP)تاکنون تهیه خواص مکانیکی آلیاژهای حافظه دار متخلخل توسط این روش ها با رضایتمندی انجام نشده است .

شکل حفره های آلیاژ متخلخل نایتینول توسط زینتر کردن معمولی زمانی که اندازه حفره ها کوچک باشد معمولاً بی قاعده است .

و در تکنیک فشردن ایزواستاتیک گرم آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول توزیع حفره ها آنیزوتروپیک و حفره های پیوسته بزرگی دارد بنابراین ساخت مواد نایتینول نوعاً ترد و سوپر الاستیسیته کمی را نشان می‌دهند بنابراین توسعه روشی برای تولید آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول با توزیع مختلخل هموژن و ایزوتروپیک شکل حفره ها با قاعده و میزان اندازه حفره ها به علاوه خواص مکانیکی رضایتمند ضرورت دارد .

تلاش زیاد جهت بهبود خواص مکانیکی و سوپر الاستیسیته آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول پیش از آن که بتوان آن ها را در کاربردهای پزشکی و مهندسی استفاده کرد انجام شده است .نهایتاً گزارش شد که مواد سرامیکی متخلخل که توسط کپسول آزاد فشردن ایزواستاتیک گرم تهیه می شوند .

دارای توزیع حفره های هموژن و شکل حفره ها با قاعده وتخلخل باز قابل کنترل دارد مواد تهیه شده توسط این روش خواص مکانیکی بهتر را نسبت به موادی که توسط روش های زینتر معمولی تهیه شده بودند نشان می دهند .

در این مطالعات ریز ساختار رفتار استحاله مارتنزیت وخواص مکانیکی آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول که توسط کپسول آزاد فشردن ایزو استاتیک گرم تهیه شده بودند بررسی و با آلیاژهای اصلی که توسط روش زینتر تهیه شده بودند مقایسه شدند .آلیاژها تحت شرایط مختلف گذشت زمان ‌بر طبق بالا بردن سوپر الاستیسیته در دمای اتاق توسط دمای استحاله مارتنزیت کنترل شدند.

پروسه آزمایشگاهی : پودر عنصر تیتانیوم ( اندازه 70-50) با خلوط %99 و پودر نیکل ( اندازه 4-7) با خلوص 99% در این کار استفاده شدند و مخلوط پودرها با ترکیب اسمی تیتانیوم با 50 درصد نیکل توسط انرژی زیاد دورانی آسیابی گلوله ای برای 4 ساعت مخلوط شدند در این زمان مخلوط پودرها به صورت پرس سرد نمونه تر تحت فشار 100 در سیلندری با استفاده از پرس هیدرولیک انجام شد نمونه ها با استفاده از گاز آرگون محافظ در کوره HIP زینتر شدند و فرآیند زینتر معمولی به نمونه‌اصلی برای مقایسه و تطبیق بکار گرفته شد پارامترها و شرایط فرآیند در جدول(1)نشان داده شده است .

(جدول 1)شرایط آزمایشگاهی و پارامتر های قابل استفاده در آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول متعاقباً نمونه ها در لوله‌کوره به عنوان عملیات پیر Ageing)) بودند و به دنبال آن محیط کوئینچ آب یخ بود میکروسکوپ الکترونی ( SEM) و طیف نمایی پراش پرتو ایکس ( EDX) و یک پراش سنج می توان خصوصیات ریز ساختاری و ساختار کریستالی و ترکیبی را بدست آورد .

دانسیته نمونه ها توسط اصل ارشمیدس اندازه گیری شد .

همچنین آنالیز حرارتی روبشی کالری سنج انتخابی برای دما استحاله فازی انتخاب شد .

میکروسیستم محلول آنالیز تصویری LEICA برای ارزیابی توزیع اندازه‌حفره ها قابل استفاده بود .

ارزیابی خواص مکانیکی حفره های اصلی آلیاژ حافظه دار نایتینول نمونه به شکل استوانه به طولmm 12و‌‌‌قطرmm 6بود که آزمایش فشار هوا از اینسترون 420در یک نرخ کرنشی ثابت انجام شد .

3-بررسی ها - مرفولوژی و توزیع حفره ها : همانطور که می دانیم ساختار درشت آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول بواسطه کپسول آزاد HIP توزیع حفره های ایزوترپیک و هموژن را میتوان نشان داد .

(شکل5 )شماتیکی از مرفولوژی توزیع حفره ها (شکل6 )میکروگراف نوری (الف) نمونه 1 HIP (ب)نمونه 2 HIP (ج) نمونه3 CS میکروگراف نوری نمونه‌تولید شده توسط کپسول آزاد HIP تحت پارامترهای مختلف و نمونه اصلی توسط فرآیند زینتر به ترتیب آمده و به وضوح نشان داده شده است که در نمونه HIP بیشترین تخلخل به صورت موضعی وبه شکل کروی بسته که ندرتاً حفره های کنارها پیوسته است .

بنابراین تفاوت های بین این دو نمونه ( نمونه