دانلود تحقیق آلیاژ‌های حافظه دار

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 1938 مشاهده شد و برای مدت زمانی طولانی در حد کنجکاوی آزمایشگاهی باقی ماند.

در سال 1963 کشف حافظه داری شکل در آلیاژ نیکل – تیتانیم با درصد اتمی مساوی (50-50%) 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
1- مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ در مایع یا بافتهای بدن 2- پذیرش آلیاژ در بدن و عدم طرد آن از طرف ارگانهای بدن 3- 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: 1- مواد فلزی 2- مواد غیر فلزی معدنی یا سرامیکی 3- 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 4- مختلط یا کامپوزیتها و نیمه هادیها گروه چهارم و پنجم را تشکیل می‌دهند.

1- مواد فلزی مواد فلزی از نظر اهمیتی که در صنعت دارد به دو گروه1- 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.

2- 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.

3- 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.

4- 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.

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 1- مقدار تنش، 2- سرعت 3 – مدت زمان وارد آمدن تنش 4- درجه حرارت 5- نوع تنش (از لحاظ استاتیکی و یا دینامیکی ) و در حالت تنش متناوب 6- تعداد دفعات وارد آمدن آن و همچنین 7- 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 (5-3- الف) و چنانچه تنش وارده، تنش فشاری باشد به صورت کاهش طول ظاهر می‌شود، شکل (5-3- ب).

اگر تنش وارده، تنش مماسی (برشی ) باشد، تغییر شکل به صورت تغییر زوایا است، شکل (5-3- 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 (5-1).

ولی در پلی کریستالها که از تعداد زیادی دانه های کریستالی