آلياژهاي حافظه‌دار

مقدمه
موادي که باعث سازگاري سازه با محيط خود مي شوند، مواد محرک ناميده مي شوند. اين مواد مي توانند شکل، سفتي، مکان، فرکانس طبيعي و ساير مشخصات مکانيکي را در پاسخ به دما و يا ميدان هاي الکترومغناطيسي تغيير دهند. امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده مي شود که شامل آلياژهاي حافظه دار، سراميکهاي پيزوالکتريک2، مواد مغناطيسي سخت3 و مايعات الکترورئولوژکال4 و مگنتورئولوژيکال5 مي باشند. اين مواد از زمره مواد هوشمند محرک مي باشند. مواد هوشمند آن دسته از موادي هستند که مي توانند به تغييرات محيط به بهترين شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغييرات تنظيم نمايند.

2-معرفي آلياژهاي حافظه دار
آلياژهاي حافظه دار عنوان گروهي از مواد محرک مي باشند که خواص متمايز و برتري نسبت به ساير آلياژها دارند. عکس العمل شديد اين مواد نسبت به برخي از پارامترهاي ترموديناميکي و مکانيکي و قابليت بازگشت به شکل اوليه در اثر اعمال پارامترهاي مذکور به گونه اي است که مي تواند رفتار سيستم را بهبود بخشد. وقتي يک آلياژ معمولي تحت بار خارجي بيش از حد الاستيک قرار مي گيرد؛ تغيير شکل مي دهد. اين نوع تغيير شکل بعد از حذف بار باقي مي ماند. اما آلياژهاي حافظه دار، منجمله آلياژهاي Ni-Ti، Cu-Zn، Cu-Zn-Al، Cu-Zn-Ga، Cu-Zn-Sn، Cu-Zn-Si، Cu-Al-Ni، Cu-Au-Zn، Cu-Sn، Au-Cd، Ni-Al، Fe-Pt و... رفتار متفاوتي از خود ارائه مي نمايند. در دماي پايين، يک نمونه حافظه دار مي تواند تغيير شکل پلاستيک چند درصدي را تحمل کند و سپس به صورت کامل به شکل اوليه خود در دماي بالا برگردد. در فرآيند برگشت به شکل اوليه، آلياژ مي تواند نيروي زيادي توليد کند که اين نيرو براي تحريک مفيد مي باشد. اين فرآيند اولين بار در سال 1938 مشاهده شد و براي مدت زمان طولاني در حد کنجکاوي آزمايشگاهي باقي ماند. در سال 1961 اثر حافظه داري شکل در آلياژ نيکل- تيتانيوم با درصد اتمي مساوي (50-50%) توسط بوهلر و در آزمايشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordanance Lab) کشف و تحت نام نيتينول (Nitinol) مشهور شد. دو حرف اول نيتينول در ارتباط با نيکل، دو حرف بعدي مربوط به عنصر تيتانيوم و سه حرف آخر در رابطه با آزمايشگاه ناول اوردانس مي باشد. از اوايل سال 1980 استفاده از آلياژهاي حافظه دار در بين محققان و مهندسان مورد توجه قرار گرفت و اين آلياژ هوشمند در زمينه هاي وسيعي از جمله تعديل رفتار آئروالاستيسيته آنتن ماهواره ها، کنترل ارتعاش سازه هاي فضايي، کنترل ارتعاش سطوح کنترلي هواپيماها و حتي در شبيه سازي هاي پزشکي مورد استفاده قرار گرفته است و کشف مزاياي اصلي و علمي آن هر روز افزايش يافته است.
مکانيزم اصلي که خواص آلياژهاي حافظه دار را کنترل مي کند در رابطه با تغيير کريستالي آلياژ است. به اين معني که ساختار مارتنزيتي در دماي پايين با افزايش دما به ساختار آستنيتي تبديل مي شود و در هنگام سرد کردن؛ فرآيند عکس رخ خواهد داد. بسياري از مواد، استحاله مارتنزيتي دارند اما برتري که آلياژهاي حافظه دار را نسبت به آلياژهاي ديگر متمايز مي نمايد قابليت دو قلو شدن اين آلياژ در فاز مارتنزيت مي باشد. در حاليکه مواد ديگر به وسيله لغزش و حرکت نابجائيها تغيير شکل مي يابند، آلياژهاي حافظه دار به وسيله تغيير جهت ساده ساختار کريستالهاي خود و از طريق مرزهاي دو قلوئي به تنشهاي اعمال شده، عکس العمل نشان مي دهند. اگر در اين آلياژها در دماي پائين، هنگاميکه فاز مارتنزيت حاکم است، تغيير‌فرم پلاستيکي روي ‌دهد، ساختار کريستالي دو قلو شده اي براي آلياژ ايجاد مي شود که ناشي از تغيير فرم پلاستيک مي باشد. با گرم‌کردن آلياژ تغيير فرم يافته تا دماي شروع فاز آستنيت مي‌توان شکل اوليه را بازگرداند. اين توانائي بعنوان اثر حافظه- شکل خوانده مي‌شود و حاصل از تغيير فاز مارتنزيت در دماي پائين به فاز آستنيت در دماي بالا مي‌باشد. در شکل 1-3 اين قابليت بصورت شماتيک نشان داده شده است. همانگونه که در شکل ملاحظه مي گردد، در اثر خم کردن ميله حافظه دار در دماي پايين و جايي که فاز مارتنزيت حاکم است، تغيي فرم پلاستيک در ميله رخ داده و طول آن زياد مي شود. حال اگر ميله خم شده، گرم شود و فاز آستنيت حاکم گردد، ميله به بهينه ترين حالت به شکل اوليه خود بر مي گردد. وقتي هم که ميله سرد شود و به فاز مارتنزيت برگردد، نيز کرنشهاي پلاستيک کاملا حذف شده اند و به حالت اوليه درخواهد آمد. در حقيقت در اثر فرآيند برگشت به شکل اوليه، تنشهايي در آلياژ توليد ميشود که اين تنش باعث تحريک ميشود. اين تنشهاي حاصل شده، تنش بازيافتي خوانده مي شود و بهبود توزيع تنش و کرنش، بهبود خواصي چون مدول يانگ و تنش تسليم و توانائي کنترل رفتار سيستم، از جمله آثار مفيد تنشهاي بازيافتي مي‌باشد. بعنوان مثال اگر در نوعي از اين آلياژ کرنش 8 درصدي رخ دهد، با گرم کردن مي توان اين کرنش را کاملا از بين برد.