مقدمه:
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
- سرامی کهای پیزوالکتریک
- مواد مغناطیسی سخت
- مایعات الکترورئولوژکال
- 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.
آلیاژهای حافظه دار:
آلیاژهای حافظه دار گروه جدیدی از مواد هستند که اگر با ترکیب شیمیایی مشخّص تحت عملیات حرارتی مناسبی قرار گیرند ، توانایی بازگشت به شکل یا اندازه از قبل تعیین شده را از خود نشان می دهند. در واقع آلیاژهای حافظه داراین توانایی را دارند که اگر آنها را تا بالای دمای ویژه ای گرم کنیم ، قادر به بازیابی شکل اولیه خود خواهند بود. همچنین این مواد قابلیت تبدیل انرژی گرمایی (الکتریکی) را به انرژی مکانیکی دارند واگر گرم وسرد کردن این آلیاژها با جریان الکتریکی کنترل شود؛ میتوان حرکتهای سیکلی با قابلیت تکرار در دفعات متوالی ایجاد کرد. آلیاژهای حافظه دار دو مشخصه بی همتا از خود نشان می دهند : ۱: Shape Memory Effect (رفتار حافظه ای) ۲: 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. این آلیاژها در بیشتر موارد شامل Ni-Ti ، Cu-Zn-Al ، Cu -Al-Ni هستند که در این مقاله آلیاژ Ni-Ti مورد بحث است . در سال ۱۹۶۱ اثر حافظه داری شکل در آلیاژ نیکل- تیتانیوم با درصد اتمی مساوی (۵۰-۵۰%) 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 اوردنانس 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 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 آستینی، شکل نمونه نیز به حالت اول خود بر گردد . شکل (1) سیکل حرارتی مکانیکی توصیف کننده پدیده حافظه داری شکلی
1- تغییر حالت های مارتنزیتی و پدیده حافظه دار شدن: تغییر حالت متالورژیکی جامدات از دو طریقه زیر امکان پذیر است . 1) حرکت و جابجایی اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغییر در ترکیب شیمیایی فاز جدید نسبت به زمینه قبلی. 2) تغییر آرایش اتمی به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگی به زمان و هیچگونه تغییری در ترکیب شیمیایی فاز جدید نسبت به زمینه قبلی . تغییر حالت های مارتنزیتی به طریقه دوم مرتبط است و دارای مشخصات زیر است: 1) تغییر مکان به صورت شبه برشی می باشد و در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهی جابجا می شود. 2) دیفوزیون اتمی در آن اتفاق نمی افتد. رفتار حافظه دار شدن کاملاً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتم های آلیاژ نباید به هم بخورد.
2- کریستالوگرافی مارتنزیتی: تغییر حالت تبدیل آستنیت به مارتنزیت از لحاظ کریستالوگرافی در سه مرحله قابل بررسی است . 1- تغییر فرم شبکه ای 2- برش ناهمگن 3- دوران شبکه ای فرآیند تبدیل آستنیت به مارتنزیت در مرحله تغییر فرم شبکه ای در شکل 2 نشان داده شده است . در این مرحله اتم ها با جابه جایی جزئی و هماهنگ، پیشروی فصل مشترک از هر لایه اتمی را موجب می شوند.
باید توجه داشت پدیده حافظه داری بدون تغییر حجم و تغییر شکل امکان پذیر بوده و برش ناهمگن توجیه کننده این مطالب می باشد. برش ناهمگن در مارتنزیت به دو طریق امکان پذیر است :
1) مکانیزیم لغزش یافتن صفحات اتمی
2) مکانیزیم تشکیل دوقلویی ها
تصاویر نشان داده شده چگونگی انطباق فاز مارتنزیت بر فاز آستنیت را در هنگام جابجایی جزیی و گروهی اتمها با حفظ شبکه کریستالی نشان می دهد. باید توجه داشت که لغزش صفحات اتمی به علت شکسته شدن باند های اتمی بعنوان مکانیزیم تغییر فرم پلاستیک دائم محسوب می شود، در صورتی که در مکانیزیم دو قلویی به علت انرژی پایین مرز دوقلویی و برخورداری از تحرک و لغزندگی نسبی تغییر فرم غیر دائم است. در آلیاژهای حافظه دار ، کرنش های ناشی از تغییر حالت در اثر تشکیل یک جفت از دوقلویی های دو طرف مرز ذخیره سازی می شوند و برای برگشت پذیری از آن استفاده می شود.
شکل 4 مرز دوقلویی را نمایش می دهد و هر یک از دوقلویی های دو طرف مرز دوقلویی یک وا ریانت را شامل می شود. در صورت وارد کردن تنش برشی به مرز دو قلویی باعث حرکت یکی از واریانت ها شده و واریانت دیگری حذف می شود.(شکل 4 ،B) این روند می تواند تا تبدیل تمامی واریانت به یک واریانت واحد ادامه یابد(شکل 4، C) . بررسی پدیده حافظه داری در تک کریستال آستنیت در شکل 5 نمایش داده شده است.
مرحله اول همانطور که از شکل پیداست بعد از سرد کردن کریستال در زیر دمای Mf واریانت های A و B و C و D تشکیل می شوند مرحله دوم با وارد کردن تنش به کریستال ، واریانتها شروع به حرکت و حذف شدن می کنند تا واریانت واحد A تشکیل گردد. حین تشکیل واریانت واحد A کرنش هایی در جهت واریانتA ذخیره می شود. مرحله سوم مربوط به حرارت دادن کریستال نمونه برای تبدیل مارتنزیت به آستینت می باشد از آنجاییکه کرنش ها تنها در جهت واریانت A ذخیره شده اند، پس تنها مسیر برای برگشت پذیری، واریانت A می باشد و نمونه به شکل اولیه خود باز می گردد.