راه اندازی «پرتال جامع هوانوردی عمومی ایران» ؛ به زودی        عضویت در کانال تلگرام هیتنا      
کد خبر: ۹۰۰۱     تعداد نظرات: ۴ نظر    تاریخ انتشار: ۱۵ مرداد ۱۳۹۱ - ۰۹:۳۹
اختصاصي هيتنا
مروري اجمالي بر خواص كلي، مقايسه‌ي برخي روش‌هاي توليد و شماري از كاربردهاي از آلياژهاي حافظه‌دار

آلياژهاي حافظه‌دار (بخش اول)

 در اين بخش (بخش اول)، به مروري اجمالي بر تاريخچه، تعاريف، خواص كلي و شماري از كاربردهاي گروه‌هاي مختلفي از آلياژهاي حافظه‌دار پرداخته‌شده است.

تاريخچه‌ي آلياژهاي حافظه‌دار
با گذشت زمان، علم و فناوري، تأثير زيادي از مواد پيشرفته و جديد خواهد پذيرفت كه در اين ميان، آلياژهاي حافظه‌دار جايگاه ويژه‌اي به خود اختصاص داده‌اند. اين دسته از مواد، با قابليت‌هاي بي‌نطيري كه تاكنون از خود بروز داده‌اند، فصلي جديد را در فناوري پيشرفته و روز دنيا گشوده‌اند.
اولين مشاهدات ثبت‌شده در مورد پديده‌ي حافظه‌داري به سال 1932 ميلادي، در مورد آلياژ Au-Cu بر‌مي گردد. در سال 1938  پيدايش و پس از آن، از بين رفتن يك فاز معين در اثر كاهش و افزايش دما در آلياژ Cu-Zn گزارش شد. در نهايت، پايه و اساس رفتار حافظه‌داري و ترمو الاستيك (الاستيك حرارتي)، بين سال‌هاي 1949 تا 1951 تشريح و تفسير گرديد. از آن زمان به بعد، اين آلياژها، به مرور كاربرد‌هاي فراواني يافتند؛ تا اين‌كه امروزه، رد پاي اين آلياژها را در صنايع هوافضا، صنايع پزشكي، خودروسازي، روباتيك و...، به‌وضوح مي‌توان مشاهده نمود. در «شكل‌هاي 1 و 2»، دو نمونه از كاربردهاي آلياژهاي حافظه‌دار، نمايش داده‌شده‌است.                                               

stent
شكل1: استنت، نمونه‌اي از كاربرد آلياژهاي حافظه‌دار در علم پزشكي

robot

شكل2: ربات 60 ميلي‌گرمي پرنده، نمونه‌اي از كاربرد آلياژهاي حافظه‌دار در علم روباتيك


بررسي رفتار آلياژ هاي حافظه دار
آلياژهاي حافظه‌دار، به دسته‌اي از آلياژها گفته مي‌شود كه قادر هستند تغيير شكل و كرنش‌هاي دائمي كه بر آن‌ها اعمال مي‌شود را بازيابي نموده و در نهايت، به‌شكل اوليه‌ي خود بازگردند.
رفتار آلياژهاي حافظه‌دار، بر اساس يك دگرگوني فازي و تغيير ساختار كريستالي رخ مي‌دهد، كه در آن، آلياژ از يك ساختار مستحكم و پايدار در دماي بالاتر (آستنيت)، به يك ساختار تغييرفرم‌پذير پايدار در دماي پايين‌تر (مارتنزيت)  تبديل مي‌گردد. به‌طور خلاصه، خاصيت حافظه‌داري، به‌صورت استاندارد، به پديده‌اي گفته مي‌شود كه در آن، يك آلياژ در دماي پايين، تغيير شكل داده و اين آلياژ تغييرشكل‌يافته را به‌منظور تغيير فاز و رساندن آن به فاز مادر (فاز آستنيت) و متعاقباً به شكل اوليه، حرارت داده و آن را به همان شكل قبل از تغيير شكل، باز مي گردانند. 

بر اين اساس، خاصيت حافظه‌داري، به دو دسته‌ي عمده تقسيم مي‌شود: 

در دسته‌ي اول، تغيير شكلِ ايجادشده، فقط با گرم‌كردن به حالت اوليه‌ي قبل از تغيير شكل باز مي‌گردد و اگر جسم را دوباره سرد كنيم، تغيير جديدي در شكل آن مشاهده نمي‌شود كه اين پديده را «حافظه‌داري يك‌طرفه» ناميده‌اند. در آلياژهايي كه داراي اين ويژگي مي‌باشند، هدف بازيابي شكل اوليه نمونه‌اي است كه تحت بارگذاري مكانيكي قرارگرفته و تغيير شكل داده‌است.

دسته‌ي دوم از اين آلياژها، به «آلياژهاي حافظه‌دار دوطرفه» موسوم هستند. اين آلياژها قادرند با سرد و گرم‌شدن در محدوده‌ي معيني از دما، دوباره به حالت قبلي خود بازگردند. يعني، در دو طرف محدوده‌ي تغيير دما، شكل مشخصي از خود ارائه مي‌دهند. آلياژهايي كه در اين گروه هستند، كاربردي متفاوت دارند؛ بدين‌گونه در اين نوع كاربرد نيازي به اعمال نيرو نمي‌باشد و فقط با فراهم‌كردن شرايط دمايي معين در دو سر بازه‌ي دمايي تعريف‌شده براي آلياژ حافظه‌دار دوطرفه، مي‌توان به شكل معين و از پيش‌ تعيين‌شده‌اي براي اين دسته از آلياژها رسيد. با اصلاح ميكرو ساختار آلياژ‌هاي حافظه‌دار دوطرفه، مي‌توان به خواص پايدارتري رسيد. به‌طور مثال، تربيت آلياژهاي حافظه‌داري كه داراي استحكام بالاتري مي‌باشند (دانه‌هاي ريزتر)، به‌منظور رسيدن به خاصيت حافظه‌داري دوطرفه، كار دشوارتري مي‌باشد.
 
مقايسه‌ي گروه‌هايي از آلياژهاي حافظه‌دار
از ميان آلياژهايي كه رفتار حافظه‌داري را نشان مي‌دهند ، آلياژهاي پايه‌ي Ti-Ni براي كاربردهاي فناورانه، به دفعات مورد استفاده واقع شده‌اند. با اين حال، در كاربردهايي، از آلياژهاي پايه‌ي مس استفاده مي‌شود و اخيراً، آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي Fe-Mn-Si، براي كاربردهاي صنعتي به‌كار گرفته شده‌اند. بدون شك، آلياژهاي پايه‌ي Ti-Ni، در كنار اثر حافظه‌داري مطلوبي كه از خود نشان مي‌دهند، هزينه‌ي بالاي اين آلياژ، از كاربردهاي بسيار زياد آن براي استفاده‌هاي عملي، جلوگيري مي‌كند. در اين ميان، آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي آهن، عموماً ارزان‌تر هستند و در دهه‌ي گذشته، به‌عنوان يك گزينه براي جانشين‌شدن به‌جاي آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي Ti-Ni توجه زيادي را به‌ خود جلب كرده‌اند.

به‌طور كلي، آلياژهاي پايه‌ي آهن، داراي 4 خصوصيت مهم ذيل هستند:
1) قيمت پايين
2) كارپذيري خوب
3) ماشين‌كاري خوب
4)جوش پذيري خوب

نايتينول

همان‌طور كه گفته‌شد، يكي از آلياژهايي كه امروزه در ميان گروه‌هاي مختلف از آلياژهاي حافظه‌دار، نظير آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس و پايه‌ي آهن، در صنايع مختلف، كاربردهاي فراواني يافته، «نايتينول» است.
در دهه‌ي 1960، بهلر و همكارانش، در آزمايشات خود، ويژگي حافظه‌داري را در آلياژ نيكل-تيتانيوم با نسبت اتمي معادل، كشف نمودند. اين آلياژ نايتينول (Nitinol) ناميده‌شد. دليل انتخاب اين اسم براي آلياژ حافظه‌دار نيكل-تيتانيوم (Nickel-Titanium)، اين بود كه اين آلياژ، براي اولين بار در آزمايشگاهي به نام Naval Ordance Laboratory، شناسايي شد.
نايتينول، به‌دليل ويژگي‌هاي مطلوبي كه از خود به معرض نمايش گذاشت، به‌زودي كاربرد‌هاي خاص خود را در علم پزشكي پيدا كرد. همان‌گونه كه از «شكل3» مشخص است، نايتينول، رفتار مكانيكي بسيار مشابهي با اعضاي بدن از خود نشان مي‌دهد.
استنت‌هايي كه به‌وسيله‌ي فولادهاي زنگ‌نزن و يا آلياژهاي پايه‌ي كبالت، به‌طور رايج مورد استفاده قرار مي‌گيرند، تنها قادرند در حدود 1 درصد از كرنشي كه توسط نيرو به آن‌ها اعمال شده را بازيابي كنند؛ درصورتي‌كه اين مقدار، در مقايسه با كرنشي كه مواد طبيعي (استخوان، تاندون و ...) قادر به بازيابي آن هستند (در حدود 10درصد)، ناچيز است. با مقايسه‌ي اين اعداد و «شكل 3»، مي‌توان دليل افزايش كاربرد نايتينول را در علم پزشكي دريافت.

 

s-s curve

آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس
گروهي ديگر از آلياژهاي حافظه‌دار، آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس مي‌باشند. آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس، از جمله آلياژهاي حافظه‌دار تجاري متداول مي‌باشند. اين آلياژها، با توجه به خواص منحصربه‌فرد خود، در بسياري از صنايع، مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از جمله مزاياي آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس، مي‌توان به دماي كاري بالا، قيمت پايين‌تر و راحت‌تر بودن فرآيند توليد در مقايسه با آلياژهاي حافظه‌دار نايتينول، اشاره كرد. مهم‌ترين كاربرد آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس، در حسگرها و محرك‌ها مي‌باشد.از ميان آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس تجاري، آلياژ Cu-Al-Ni، يكي از پركاربردترين آن‌هاست. از اين رو، شناخت و توسعه‌ي روش‌هاي توليد اين آلياژ كه از لحاظ اقتصادي به‌صرفه بوده و خواص مطلوبي ايجاد نمايند، ضروري به‌نظر مي‌رسد.يكي از چالش‌هاي اصلي مطرح در خصوص آلياژهاي حافظه‌دار، به‌خصوص، آلياژهاي حافظه‌دار پايه‌ي مس، مشكل‌بودن روش توليد آن‌هاست. حجم كم سرمايه‌گذاري، دسترسي به آلياژ همگن، كاهش مصرف انرژي، ساخت قطعه با كمترين هزينه، سرعت بالاي توليد و به‌حداقل‌رساندن آلودگي، متغيرهاي تعيين‌كننده‌اي هستند كه روي انتخاب روش توليد اين آلياژها، اثر مي‌گذارند.

مقايسه برخي روش‌هاي توليد

به‌طور كلي، دو روش در توليد آلياژ حافظه‌دار پايه‌ي مس، متداول‌تر هستند: روش «ريخته‌گري» و روش «متالورژي پودر». در روش ريخته‌گري، به‌دليل حساسيت بالاي اين آلياژها به تردي در اثر درشت‌شدن دانه‌ها در فرآيندهاي ريخته‌گري متداول و به‌وجود آمدن رسوبات ترد، كنترل تركيب شيميايي، از اهميت فوق‌العاده‌اي برخوردار است. درشت‌شدن دانه‌ها و به‌وجودآمدن رسوبات، مهم‌ترين مشكلات توليد به‌روش ريخته‌گري است كه مي‌توانند باعث كاهش خواص حافظه‌داري، خواص مكانيكي و خصوصاً افت شديد داكتيليته گردند. هرچند ريخته‌گري اين دسته از آلياژها، مزايايي مانند كاهش هزينه‌ها و قابليت توليد قطعاتي با شكل‌هاي پيچيده‌تر دارد، اما معايب روش ريخته‌گري، باعث مورد توجه قرار گرفتن روش‌هايي مانند روش «ريخته‌گري چرخشي» و يا استفاده از «متالورژي پودر»، در سال‌هاي اخير شده است.

كاربردها
در اين قسمت، به كاربردهاي آلياژهاي حافظه‏دار (كه به‌طور كلي به پنج مجموعه تقسيم‏بندي ‏شده‌است)، اشاره مي‌شود:

1- كاربردهاي با بازيابي آزاد (استفاده از حركت): كاربردهايي كه در آن‌ها، آلياژ حافظه‏دار، در حين سرد و گرم‏شدن آزادانه، شكل اوليه‌ي خود را بازيابي مي‏كنند، بدون آن‌كه يك تنش بيروني، از اين كار ممانعت به‌عمل آورد و بنابراين، توليد يك كرنش بازيابي مي‏كنند. براي مثال، در آنتن‏هاي سفينه‏هاي فضايي كه پس از قرارگرفتن سفينه در فضا، بدون اِعمال تنش بيروني و فقط با استفاده از گرم‏كردن، باز مي‏شوند.

2- كاربردهايي با بازيابي مقيد (استفاده از نيرو): به كاربردهايي اطلاق مي‏شود كه در آن‌ها، نيروي خارجي، جلوي بازيابي كرنش در آلياژ را مي‏گيرد. اگرچه در اين كاربردها، هيچ كرنشي بازيابي نمي‌شود ولي مقدار زيادي «تنش» ايجاد مي‌شود. از اين خاصيت، در كاربردهايي مانند چفت‌ها و بست‏ها و كوپلينگ‏هاي لوله استفاده مي‏شود. اين كاربرد، وسيع‏ترين كاربرد آلياژ را شامل مي‏شود.

3- كاربردهاي با بازيابي تحت فشار (استفاده از كار): به كاربردهايي اطلاق مي‏شود كه در آن‌ها، هم تنش و هم كرنش، در حين گرم‏كردن بازيابي شده و كار مكانيكيِ ايجادشده، مورد استفاده قرار مي‏گيرد. اين خاصيت، در محرك‏ها مورد استفاده قرار مي‏گيرد. اين محرك‏ها به دو نوع محرك‏هاي گرمايي و الكتريكي تقسيم مي‏شوند.
در «شكل 4»، مصداقي از كاربرد يك سيم كه از جنس آلياژ حافظه‌دار است كه با تغيير دماي ناشي از مقاومت سيم در برابر جريان و بسته به شرايطي كه براي سيم حافظه‌دار تعريف شده، سيم، در محدوده‌ي معيني انبساط و انقباض مي‌يابد.

rotor  
شكل 4

4- كاربردهاي ابركشساني (ذخيره انرژي مكانيكي): اين كاربرد، بر اساس وجود درصد بسيار بالاي كشساني يا بازگشت فنري كه در اكثر آلياژهاي Ti-Ni يافت مي‌شود، بنيان نهاده‌شده‌است و باعث ذخيره‌ي انرژي مكانيكي مي‌شود و در كاربردهايي نظير فنرها، مورد استفاده قرار مي‏گيرد. اگرچه محدوده‌ي دمايي بروز اين خاصيت، كوچك است، ولي در همين محدوده، آلياژ مي‏تواند رفتار الاستيك 15 برابر فولادهاي فنري را از خود نشان‌دهد.

5- خاصيت ميراكنندگي ارتعاشات: از اين خاصيت، براي مهار ارتعاشات در سازه‏هايي كه تحت ارتعاشات شديد قرار دارند، استفاده مي‏گردد. براي مثال، مي‏توان به صفحات آزاد ميراكننده‌ي ارتعاش در سفينه‏هاي فضايي اشاره كرد. هم‌چنين مي‏توان از اين آلياژها، در پي ساختمان، براي ميراكردن ارتعاشات ناشي از زلزله استفاده كرد.

محمد نعيمي
دانشگاه صنعتي اميركبير


نظر شما
نام:
ایمیل:
* نظر:
* کد امنیتی:
Chaptcha
حروفي را كه در تصوير مي‌بينيد عينا در فيلد مقابلش وارد كنيد
نظرات بینندگان
غیر قابل انتشار: ۰
انتشار یافته: ۴
ناشناس
|
-
|
۰۰:۰۰ - ۱۳۹۱/۰۵/۱۵
0
3
علي

بسيار جالب بود
Ali Reza Sarami
|
Iran, Islamic Republic of
|
۰۹:۵۰ - ۱۳۹۱/۱۲/۱۶
0
2
اطلاعات خوبی بود. لطفا روش آنالیز و شناسایی این دسته از آلیاژها را بفرمایید. در XRD فاز را نتوانستیم شناسایی کنیم.
متشکرم
باران
|
Iran, Islamic Republic of
|
۱۸:۴۲ - ۱۳۹۲/۱۱/۲۶
0
3
ممنون مورد استفاده قرار گرفت فقط درباره ی تاریخجه ی الیاژها بیشتر توضیح بدهید
behshid
|
Iran, Islamic Republic of
|
۰۸:۳۱ - ۱۳۹۳/۰۲/۱۳
0
2
از زحمات شما سپاسگزارم مورد استفاده قرار گرفت عالی بود لطفا مطالب بیشتری از آلیاژ مرقوم فرمائید همراه با عکس تشکر