shimidoon.ir

آلیاژهای حافظه دار

اولین آلیاژ حافظه دار (Shape memory alloy) در دهه ۱۹۳۰ توسط شیمی دان سوئدی Arne Olander در یک آلیاژ طلا-کادمیوم کشف شد؛ درحالیکه آلیاژهای حافظه دار (همچنین سیمهای عضلانی، فلزات حافظه دار و فلزات هوشمند) تنها در اوایل دهه ۱۹۶۰ محبوبیت پیدا کردند.

آلیاژهای حافظه دار جزء مواد هوشمند(1) به حساب آمده و به دسته ای از آلیاژها اطلاق شده که قادرند، تغییر شکل و کرنش های دائمی اعمالی بر خود را بازیابی نموده و در نهایت به‌ شکل اولیه‌ی خود بازگردند.

درواقع رفتار آلیاژهای حافظه‌دار، براساس یک دگرگونی فازی و تغییر ساختار بلوری می‏باشد که طی آن، آلیاژ از یک ساختار مستحکم و پایدار در دمای بالاتر، به یک ساختار تغییر فرم‌ پذیر پایدار در دمای پایین‌تر، تبدیل می‌گردد.

فازهای مختلف آلیاژهای حافظه دار شکلی و تبدیل مارتنزیتی

آلیاژهای حافظه دار شکلی در دو فاز کریستالی به نام های آستنیت و مارتنزیت موجود می باشند. حالت آستنیت حالت اصلی با تقارن بالا بوده و در دماهای زیاد و تنش های کم پایدار می باشد؛ درصورتیکه حالت مارتنزیت حالت محصول و با تقارن کمتر است و در دماهای کم و تنش های زیاد پایدار می باشد.

درواقع با اعمال بارگذاری های حرارتی و یا مکانیکی این دو فاز می توانند به یکدیگر تبدیل شوند؛ که به این تبدیل برگشت پذیر فازها، تبدیل مارتنزیتی گفته شده که این تبدیل، تمامی خصوصیات رفتاری آلیاژهای حافظه دار شکلی را تحت تاثیر قرار داده و سبب مطرح شدن آن ها را به عنوان یک ماده هوشمند شده است.

مکانیزم عمومی آلیاژهای حافظه دار

همانطور که گفته شد، دو ریزساختار آستنیت و مارتنزیت در اثر گرم کردن و سرد کردن قابلیت تبدیل به یکدیگر را داشته و این قابلیت، در گستره ی محدودی از دما امکان پذیر می باشد.

در دمای بالا ساختار آلیاژ حافظه دار، آستنیت می باشد و با کاهش دما این فاز با مکانیزم تغییر شکل دوقلویی(2) به مارتنزیت تبدیل می شود.

این دگرگونی، در اثر تغییر شکل برشی و حرکت دسته جمعی اتم ها در شبکه کریستالی صورت گرفته و تقارن نسبی بین دو فاز پایدار در دمای بالا (آستنیت) و پایدار در دمای پایین (مارتنزیت) باعث می شود که دگرگونی، کاملاً منظم باشد. در این دگرگونی، جابجایی تک تک اتم ها بین نقاط شبکه ای از یک شبکه (در ساختار کریستالی فاز مادر یا آستیت) به شبکه دیگر (در ساختار کریستالی فاز جدید یا مارتنزیت) صورت می گیرد. حرکت و جابجایی اتم ها در نهایت منجر به دگرگونی در مقیاس ماکروسکوپی می شود و ساختار کریسالی تبدیل به مارتنزیت می گردد. به بیان ساده تر، دگرگونی شبکه از آستنیت به مارتنزیت به طور تدریجی اتفاق می افتد.اتم ها لایه به لایه مسافت کمی را طی می کنند تا این که تمامی لایه های اتمی تغییر شکل دهند. در این هنگام ساختار مارتنزیتی جدید تشکیل می شود. نکته قابل توجه این است که، اگر مکانیزم تغییر شکل به جای دوقلویی، لغزش باشد، پیوند بین اتم ها شکسته می شود و این نوع تغییر شکل یک فرآیند دائمی و غیر برگشت پذیر محسوب می شود؛ در صورتی که دوقلویی یک فرایند کاملاً برگشت پذیر می باشد. مرزهای دوقلویی مارتنزیتی انرژی بسیار کمی دارند و بسیار متحرک هستند، بنابراین چنانچه تنشی به این ساختار اعمال شود مرزهای دوقلویی به راحتی حرکت کرده و ماده به شکلی مطابق با تنش اعمالی تغییر می یابد.

1. مواد هوشمند موادی هستند که می توانند موقعیت های مختلف را به خاطر بسپارند و با عوامل محرکی همچون تنش های مکانیکی، حرارت، الکتریسیته و یا مغناطیس به موقعیت پیشین خود بازگردند.

2. دوقلویی شدن مکانیزمی است که فلزات توسط آن تغییر فرم پلاستیک میدهند؛ درواقع طی این مکانیزم، بخشی از یک کریستال آرایشی را به خود می گیرد که نسبت به بخش دیگر یک حالت تقارن و آینه ای مشخصی دارد. بخش دوقلو شده تصویر آینه ای از کریستال مادر است و صفحه ی تقارن بین دو بخش، صفحه ی دوقلویی نامیده می شود.