دانلود تحقیق آلیاژ های حافظه دار

-   مقدمه و تاریخچه

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 :

الکترومکانیکی : مواد پیزوالکتریک، مواد الکترو استریکتیو، سیالات الکترور ژئولورژیکال

 مکانیکی مغناطیسی : مواد مگنتو استریکتیو ، سیالات مگنتو ژئولورژیکال

مکانیکی نوری : فیبرهای نوری

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) 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.

4- سوپر الاستیسیته

سوپرالاستیسیته نایتینول مواد مهم استراتژیک دامنه ‌وسیعی 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 .

- 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.

( تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)

منابع ومآخذ

1- Smart Mateials & Structures .By B Yuan, CY  Chung , XP Zhang , MQ Zeng and M Zhu 14 (2005)
S 201 –S206

2- Smart Mateials & Structures, Active Materials, Behavior & Mechanics .

By A.J.Muir Wood,
V Gergely , T W Clyne (2004)

3-Acta  Mateials .By Sia Nemat-Nasser,Jeom Yong Choi   53(2005) 449-454

4- NiTi SMAs Super  Elastisity & Shap Memory .

By: Herr Dr.Lng.

Widia Thedja(2005)

5-Application of Super Elastic Nitinol.By Philippe P.Poncet-USA (2003)

6 - SMAs Nitinol.

Anothdr Search from Int.(2005)   

7- آلیاژ حافظه دار تز کارشناسی  علیرضا مشفق

SMAs.

By Kotsuka & C.M Wayman         

8- بررسی ساختار و عمل کرد آلیاژ های حافظه در پزشکی تز کارشناسی ارشد احمد رضا دور اندیش

9- نقش ویژه آلیاژ های حافظه دار در مهندسی پزشکی تآلیف دکتر سید علی صدوق ونینی

10- مقاله از  مجله مهندسی متالورژی توسط دکتر سید خطیب الاسلام صدر نژاد ، دکتر سید تقی نعیمی و مهندس ناهید حسن زاده نعمتی

10- مقاله از مجله مهندسی متالورژی توسط دکتر سید خطیب الاسلام صدر نژاد ، دکتر سید تقی نعیمی و مهندس ناهید حسن زاده نعمتی پیوست ها پیوست 1 جدول خواص فیزیکی نایتینول پیوست 2 خواص مکانیکی نایتینول مکانیزم(تحریک) پیوست 3 خواص مکانیکی نایتینول پیوست 4 مدول دیگر مواد در مقایسها با مدول نایتینول 6.45gms/ccچگالی1240-1310ºCدمای ذوب86uohm-cmمقاومت(حالت دمای بالا)76uohm-cmمقاومت(حالت دمای پایین)5.1W/cm-ºCهدایت حرارتی0.077cal/gm-ºCظرفیت حرارتی5.78Cal/gm,24.2j/gmگرمای نهان3.8uemu/gmحساسیت مغناطیسی(دمای بالا)2.5uemu/gmحساسیت مغناطیسی(دمای پایین) 110-140ksi,754-960MPaاستحکام کشش نهایی15.5درصدازدیاد طول نسبی شکست560MPa,80ksiاستحکام تسلیم(دمای بالا)100MPa,15ksiاستحکام تسلیم(دمای پایین)75GPa,11MPsiمدول الاستیک تقریبی(دمای بالا)28GPa,4MPsiمدول الاستیک تقریبی (دمای پایین)0.3ضریب پوآسون تقریبی %5بازده تبدیل انرژی1J/grکار خروجی+100ºC تا -100ºCدمای مؤثر استحاله