آلیاژ حافظه دار چیست؟ انواع، ویژگی ها و کاربردها

6دقیقه مطالعه
پریسا شکوهی مجد
یک سال پیش
12258 بازدید
بدون دیدگاه
مقاله قبلیمقاله بعدی
به آلیاژهایی که در طی یک چرخه حرارتی دوباره به شکل اولیه خود باز می‌گردند، آلیاژ حافظه دار یا SMA که مخفف (Shape memory alloys) است، می‌گویند. این آلیاژها بنابه روش تولیدشان، تحت تاثیر تنش یا حرارت، ساختار کریستالوگرافی خود را تغییر می‌دهند و تحت تاثیر آن به شکل اولیه خود باز می‌گردند. به این مواد، آلیاژ هوشمند ، مواد هوشمند و مواد حافظه دار هم می گویند. اگر بخواهیم ساده‌تر بگوییم، یک ماده فلزی را فرض کنید که در دما و سطح تنشی معین، یک شکل ثابت دارد. اگر دما و تنش را تغییر دهیم، متناسب با آن شکل ماده فلزی تغییر می‌کند. اما چه چیزی این آلیاژها را این‌قدر جذاب کرده است؟ این که وقتی دوباره تحت تنش یا دمای اولیه قرار بگیرد، شکل اولیه خود را دوباره به دست می‌آورد. جالب نیست؟

مواد تشکیل دهنده آلیاژ حافظه دار چیست؟

این آلیاژها که فلز حافظه دار، آلیاژ حافظه دار، فلز هوشمند و آلیاژ هوشمند نامیده می‌شوند، از آلیاژ مس-آلومینیم- نیکل و آلیاژ نیکل- تیتانیم که دو دسته‌ی بسیار معروف و متداول از آلیاژهای حافظه دار هستند، تشکیل می‌شوند. البته آلیاژهای حافظه دار می‌توانند از آلیاژ کردن روی، مس، طلا و آهن نیز ساخته شوند. اگرچه آلیاژهای پایه آهنی و پایه مسی از لحاظ تجاری از آلیاژهای نیکل-تیتانیم ارزان‌تر هستند اما با این وجود آلیاژهای حافظه دار پایه نیکل-تیتانیم برای بیش‌تر کاربردها برتری دارند. به این علت که آلیاژ پایه نیکل-تیتانیم پایدارتر، کاربردی‌تر و دارای عملکرد فوق العاده‌ی ترمومکانیکی است. آلیاژهای دیگری نیز هستند که بر پایه آهن تشکیل می‌شوند و به آن‌ها Fe-SMA می‌گویند و در صنعت ساختمان بسیار پرکاربرد هستند.

دوساختار کریستالوگرافی مواد حافظه دار

دو ساختار کریستالوگرافی برای آلیاژهای حافظه‌دار وجود دارد. در دمای پایین فاز مارتنزیت و در دمای بالا فاز آستنتیت مشاهده می‌شود. زمانی که آلیاژ هوشمند به شکل مارتنزیت و در دمای پایین باشد، آلیاژ به راحتی به هر شکلی قابل تبدیل است. هنگامی که آلیاژ حرارت داده می‌شود، تبدیل فاز مارتنزیت به آستنیت رخ می‌دهد. در فاز آستنیت، آلیاژ حافظه دار شکلی را که قبلا داشته به خاطر می‌سپارد. در دما و فشار پایین مارتنزیت حضور دارد و در دما و فشار بالا آستنیت حضور دارد لذا تغییر شکل وابسته به این دو پارامتر است.

روش ساخت آلیاژ حافظه دار

آلیاژهای حافظه دار به روش ریخته‌گری و با استفاده از ذوب قوس خلا یا ذوب القایی ساخته می‌شوند. این روش برای نگه داشتن ناخالصی‌های آلیاژ در کم‌ترین مقدار و همچنین خوب مخلوط شدن مذاب مناسب است. بعد از ریخته‌گری، شمش را در جهت مقطع بزرگ‌ترش نورد گرم می‌کنند و سپس کشیده می‌شود تا به سیم تبدیل شود. روشی که در آن آلیاژ آموزش دیده یا trained می‌شود به خواص مورد نظر بستگی دارد. در واقع آموزش دادن آلیاژ به این منظور است که زمانی که آلیاژ حرارت داده می‌شود به آن شکل حافظه‌اش تبدیل شود. این امر با حرارت دادن آلیاژ اتفاق می‌افتد به صورتی که برهم ریختگی‌های شکلی و ساختاری دوباره در موقعیت پایدار مرتب شوند. باید توجه داشت که دمای حرارت دهی مهم است و این دما نباید آنقدر بالا باشد که منجر به تبلور مجدد شود. این آلیاژ بین دمای 400 الی 500 درجه‌ی سانتی گراد به مدت 30 دقیقه حرارت داده می‌شود و سپس به سرعت با کوئنچ کردن در آب یا به وسیله‌ی سرد کردن در هوا سرد می‌شود.

انواع آلیاژهای حافظه دار بر اساس نوع محرک آن‌ها

سه نوع آلیاژ حافظه‌ای به طور کلی وجود دارد که هرکدام محرک مخصوص به خود را دارند. در ادامه به توضیح هرکدام پرداخته شده است.

آلیاژ حافظه‌ای شکلی

رفتار حافظه‌ای شکلی که در بالاتر هم به آن اشاره شد، زمانی است که آلیاژ تحت دمای مشخصی تربیت شده و طبق آن با تغییر دما به دمای اولیه به شکل سابق خود باز‌می‌گردد. رفتار حافظه ای خود به دو دسته یک طرفه و دو طرفه تقسیم می شود.  اگر آلیاژ توانایی به خاطر سپاری شکل خود را فقط در فاز آستنتیت داشته باشند به آن‌ها آلیاژحافظه ای یک طرفه و اگر بتوانند شکل خود را هم در فاز آستنتیت و هم مارتنزیت به یاد بسپارند به آن ها آلیاژ حافظه ای دو طرفه گفته می‌شود.

آلیاژ حافظه ای سوپرالاستیک

این خاصیت در آلیاژهای حافظه دار این گونه دیده می شود که پس از بارگذاری روی آن، کرنش های بزرگی که روی داده پس از باربرداری دوباره بازیابی می شوند. در واقع به آلیاژهایی که تحت تنش شکل پذیری خود را به خاطر سپرده اند، آلیازهای سوپرالاستیک می‌گویند. به این صورت که فاز مارتنزیت این آلیاژ، مارتنزیت ناشی از تنش است و وقتی تنش روی آن برداشته شده و به شکل اولیه بازگردد، به دلیل رفتار فوق الاستیک فلز، شکل آن هم به شکل اولیه بازخواهد گشت.

آلیاژ حافظه دار مغناطیسی

همان‌طور که گفتیم، گاهی محرک مواد حافظه دار گرماست و گاهی تنش. اما مورد سومی هم هست که در میدان مغناطیسی، فلز دچار تنش شده و تغییر شکل می‌دهد. مشابه با رفتارهای قبل، اگر میدان مغناطیسی به میدانی که در آن آلیاژ آموزش داده شده برگردد، شکل آلیاژ هم به آن صورت بازخواهد گشت. به این مواد (Magneto stractive) می‌گویند و معمولا از آلیاژ شدن نیکل، منیزیم و گالیوم به وجود می‌آیند. آلیاژ حافظه دار

خواص آلیاژ حافظه‌ دار

استحکام تسلیم آلیاژهای حافظه دار پایین‌تر از فولادهای رایج است، اما برخی ترکیب‌ها استحکام تسلیم بالاتری از پلاستیک و آلومینیم دارند. تنش تسلیم برای آلیاژهای نیکل-تیتانیم می‌تواند به 500 مگاپاسکال نیز برسد. از طرفی قیمت بالای خود فلز و فرآیند ساخت، به کاربردن و طراحی آلیاژهای حافظه دار را سخت و هزینه بر می‌کند. به طور کلی می‌توان گفت از این آلیاژها در جاهایی استفاده می‌شود که خواص الاستیک فوق العاده یا اثر شکل حافظه می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. یکی از مزایای استفاده از آلیاژهای حافظه دار، سطح بالای بازیابی کرنش پلاستیک است. به بیانی بهتر، بالاترین مقدار بازیابی کرنش که می‌تواند بدون آسیب دائمی ایجاد شود برای برخی آلیاژها بالای 8 درصد است. این در حالی است که بیشینه مقدار کرنش برای فولادها 5/0 درصد است.

محدودیت کاربردی آلیاژ حافظه دار

آلیاژهای حافظه دار با وجود مزایا و خواصی که دارند اما محدودیت‌هایی نیز دارند که مانع کاربرد گسترده آن‌ها می‌شود. این آلیاژها همچنان ساخت و ماشینکاری نسبتا گرانی در مقایسه با سایر مواد نظیر فولاد و آلومینیم دارند. بیشتر آلیاژهای حافظه دار خواص خستگی ضعیفی دارند. این مسئله به این معناست که در شرایط بارگذاری دوره‌ای، خمش و فشار یک قطعه‌ی فولادی می‌تواند بیشتر از صد چرخه نسبت به یک آلیاژ حافظه دار عمر کند.

کاربرد آلیاژ حافظه دار در صنعت

این آلیاژ در صنعت فضاپیماها، خودرو و رباتیک به کار می‌رود. همچنین آلیاژهای هوشمند در بسیاری از کاربردهای عمرانی نظیر پل و ساختمان نیز یافت می‌شوند. یکی دیگر از کاربردهای آن این است که به عنوان تقویت کننده‌ی سیمان استفاده می‌شوند به صورتی که سیم‌های ساخته شده از جنس آلیاژ هوشمند در درون سیمان جایگذاری می‌شوند. قابلیت استفاده در خطوط لوله را نیز دارند. همچنین، قطعات ساخته شده از آلیاژهای حافظه دار می‌توانند جایگزین حالت جامد برای محرک‌های معمولی مانند سیستم‌های هیدرولیک، پنوماتیک و مبتنی بر موتور باشند. می‌توان از آن‌ها برای ساختن اتصالات هرمتیک در لوله‌های فلزی نیز استفاده کرد. کاربرد آلیاژهای هوشمند به صنعت محدود نمی‌شود و در پزشکی نیز به کار می‌رود. مثلا در آندوسکوپی کپسولی از آنها می‌توان به عنوان محرک عمل بیوپسی استفاده کرد. در اپتیمتری نیز در ساخت فریم عینک‌ها استفاده می‌شود. فلز حافظه دار در جراحی های ارتوپدی نیز استفاده فراوان دارد.

کاربرد آلیاژحافظه دار شکلی در ساختمان سازی

این آلیاژهای پرکاربرد و جذاب در صنعت ساختمان هم راه خود را باز کرده‌اند و بسیاری از تحقیقات آکادمیک در سراسر جهان را به خود اختصاص داده اند. اما خیال نکنید که استفاده از این فلزات تنها در میان مقالات گوناگون دانشگاهی باقی مانده و در پروژه‌های عملی کاربرد ندارند! بلکه در حال حاضر در بسیاری از پروژه ها از این آلیاژهای حافظه دار استفاده می شود. قابلیت برگشت پذیری فاز این آلياژها باعث شده که بتوانند کرنش‌های بالایی را تحمل کنند و در شرایط بارگذاری یا باربرداری همراه با تغیییر دما، دوباره  به حالت اولیه خود بازگردند. همه این ویژگی‌ها باعث شده که آلیاژهای حافظه دار به عنوان یک مصالح هوشمند نام برده شود. از آلیاژ نیکل-تیتانیوم در ساختمان سازی برای سازه‌های لرزه ای که شکل پذیری و استهلاک انرژی در آن‌ها بسیار اهمیت دارد استفاده می‌شود. اما به دلیل هزینه بالای این آلیاژها نمی‌توان از آن‌ها در مقیاس بزرگ استفاده کرد. اما آلیاژهای حافظه دار بر پایه آهن به همین دلیل به وجود آمدند. چراکه به دلیل هزینه کمتری که نسبت به دیگر آلیاژهای گفته شده دارند، می‌توانند به صورت گسترده‌تری مورد استفاده قرار بگیرند. به همین دلیل در مقاوم سازی سازه از آلیاژهای حافظه دار بر پایه آهن (Fe-SMA) بسیار بهره برده می‌شود.
آدرس کوتاه مطلب
https://ifoolad.com/?post=1535
نظر شما راجع به

آلیاژ حافظه دار چیست؟ انواع، ویژگی ها و کاربردها

نوشتن دیدگاه
    نظر شما چیست ؟
    همراهان آی فولاد