وبلاگ

آلیاژهای حافظه‌دار دسته‌ای از آلیاژ‌ها با قابلیت منحصر به فرد بازیابی مقادیر قابل توجهی از تغییر فرم خود (تا حدود 8%) هستند. در این حالت نمونه می‌تواند تحت تنش‌های وارده در حد مجاز تغییر شکل دهد و مجدداً با حرارت دادن به شکل اولیه خود باز گردد؛ یا پس از برداشتن بار مکانیکی به صورت الاستیک به شکل نخستین خود باز گردد. در حالت اول پدیده حافظه‌داری و در حالت دوم پدیده سوپر الاستیک و یا شبه الاستیک رخ داده است. وجود خواص حافظه‌داری و سوپرالاستیک در آلیاژهای با نسبت اتمی مساوی (معمولاً غنی‌تر از نیکل) از Ni و Ti دیده می‌شود. اما به علت پایداری فاز بین‌فلزی NiTi در یک محدوده ترکیبی، آلیاژهای متعددی با ترکیب‌های غیر استوکیومتری وجود دارند. مقاومت به سایش بالا، مقاومت به خوردگی مناسب و قابلیت سازگاری با بدن موجودات زنده از دیگر خواص آلیاژهای حافظه‌دار NiTi است. این آلیاژها همچنین به واسطه قابلیت میرایی بالایی که دارند در کاربردهای مرتبط با جذب ارتعاشات نیز به فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرند .وجود این خواص مطلوب مهندسی در این ماده، نایتینول را به عنوان آلیاژی مناسب برای کاربرد‌های پیشرفته معرفی می­کند. خاصیت میرایی این آلیاژ اندکی کمتر از ویسکرهایی نظیر اکریلیک و لاستیک است ولی نسبت به مواد مذکور دارای استحکام و مدول الاستیک بالاتری می‌باشد. آلیاژهای با نسبت اتمی مساوی از نیکل و تیتانیم و معمولاً غنی‌تر از نیکل به علت امکان کنترل فرایند استحاله با استفاده ازعملیات حرارتی و پیرسازی، برای تولید آلیاژ نایتینول بیشتر مد نظر می‌باشند. پدیده حافظه­داری به علت سهولت انجام استحاله مارتنزیتی و برگشت­پذیری آسان آن می باشد. عملیات حرارتی آلیاژهای NiTi اغلب به منظور بهینه کردن خواص مکانیکی اجزا و قطعات ساخته شده از آن و نیز کنترل دماهای استحاله آن انجام می‌گیرد. انجام این فرآیند تاثیرات بسیاری بر روی ریزساختار این آلیاژها و در نتیجه روی خواص آنها خواهد داشت.

 

استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار NiTi غنی از Ni همواره مورد توجه بوده است، چرا که با افزودن Ni به آنها امکان کنترل دماهای انتقالی فراهم می‌آید (با افزودن at. Ni %1/0 دماهای انتقالی حدود K20 کاهش پیدا می‌کنند). این آلیاژها به دلیل مقدار نیکل بالایی که دارند، سختی و مقاومت به سایش و خوردگی بالایی از خود نشان می دهند. همچنین در این آلیاژها می توان با عملیات حرارتی مناسب به خواص حافظه داری مناسب و استحکام و چقرمگی مورد نظر رسید. انتخاب سیکل عملیات حرارتی به عنوان روش کار آزمایش و همچنین تحلیل روابط حاکم بین کمیت های مکانیکی و ریز ساختاری با استفاده از نتایج بدست آمده از مجموعه مقالات و منابع مرتبط با موضوع آزمایش، از اهداف اصلی این پروژه است. این مقالات به همراه تحلیل و ارتباط بین آنها در فصل دوم آورده شده اند. دو هدف عمده از انجام این آزمایشات دنبال می شود:

 

 

• ایجاد ارتباط بین خواص ریز ساختاری و خواص مکانیکی نمونه های عملیات حرارتی شده و چگونگی تاثیر این خواص بر یکدیگر.

 

• بدست آوردن محدوده دمایی و زمانی بهینه عملیات حرارتی برای رسیدن به خواص مطلوب ریز ساختاری و مکانیکی آلیاژ نیکل تیتانیم غنی از نیکل.

 

شرح کامل روش تهیه نمونه ها، روش انجام عملیات حرارتی و تجهیزات مورد استفاده و تست های متالوگرافی و مکانیکی در فصل سوم آورده شده است.

 

 

 

 

 

مروری بر منابع

 

 

 

 

 

 

1-2 تاریخچه و کاربرد

 

حافظه داری[6] پدیده ای منحصر به فرد در برخی از آلیاژ هاست که ماده پس از پذیرش یک تغییر فرم پلاستیک در دمای پایین توسط حرارت دادن به شکل اولیه خود باز می گردد. این خاصیت اولین باردر سال 1951 توسط چنگ و رید[7] در آلیاژهای Au-Cd مشاهده گردید[1]. در سال 1961 بوهلر و وایلی [2] در آزمایشگاه نظامی نیروی دریایی آمریکا این خاصیت را در سری آلیاژهای Ni و Ti ملاحظه کردند و نام آن را در حالت کلی 55 نایتینول[8] نهادند که در آن نیکل از مقادیر53 تا 60 در صد وزنی را می تواند دارا باشد. از آن پس این خاصیت در بعضی فلزات، سرامیک ها و حتی پلیمر ها نیز مشاهده شد. اما مواد حافظه دار فلزی که اکثراً آلیاژهای حافظه دار هستند، خاصیت حافظه داری بیشتری نسبت به مواد دیگر دارند. از مهمترین این آلیاژها می توان به غیر از آلیاژهای Ni-Ti، به آلیاژهای پایه مس مانند Cu-Zn-Al  و Cu-Al-Ni نیز اشاره نمود. در میان این دو سیستم آلیاژی، آلیاژ های Ni-Ti دارای خواص مکانیکی و حافظه داری بهتری هستند به گونه ای که تا 8 درصد کرنش پلاستیک را بازیابی می کنند و نسبت به آلیاژهای پایه مس، پایداری حرارتی مطلوب تری را از خود نشان می دهند. این آلیاژ استحکام خستگی و چقرمگی بالایی دارد که بر اساس این خاصیت، این ترکیب کاربردهای فراوانی در صنایع نظامی و پزشکی یافته است[2].

 

اگرچه امروزه حجم بالایی از کاربردهای آلیاژهای حافظه دار در ارتباط با زمینه های پزشکی است، اما کاربردهای زیادی نیز در بخش های مختلف صنعتی در حجم بالا برای این آلیاژها بوجود آمده است. استفاده از این آلیاژها در صنعت بیشتر در بست ها و مفصل ها (کوپلینگ) و در بخش های نظامی بوده است. قاب عینک از موارد دیگری است که از خاصیت سوپرالاستیسیتی این آلیاژ ها استفاده می کند. آنتن تلفن همراه نیز یکی دیگر از موارد کاربرد سیم های سوپرالاستیک است. تقویت لحیم SnPdAg در مقابل شکست در اثر تنش های حرارتی، یکی دیگر از موارد کاربرد صنعتی پودر NiTi سوپرالاستیک می باشد. در قسمت اتومبیل سازی، تولید کننده های اروپایی اتومبیل، به مدت طولانی از آلیاژهای حافظه دار به عنوان فعال کننده برای انتقال سیال در جعبه دنده استفاده می کردند. امروزه از درپوش  NiTiNb برای آب بندی مسیرهای سوخت با فشار بالا در موتورهای انژکتوری دیزلی استفاده می شود. محرک های حافظه دار همچنین در ساخت دریچه یا سوپاپ اطمینان در کاربردهای صنعتی نیز استفاده می شود. کاربرد محرکی جدید شامل یک قطع کننده حرارتی برای محافظت یون های لیتیم باتری در مقابل افزایش غیر قابل کنترل دما، در اثر شارژ زیاد و یا اتصال کوتاه می باشد[3].

 

2-2 ذوب و ریخته گری آلیاژ NiTi

 

برای تولید آلیاژ NiTi به روش ذوبی، به دلیل میل به واکنش بالایی که این آلیاژ دارد، ذوب باید در خلا انجام گیرد. به طور معمول دو روش ذوب القایی تحت خلا(VIM) و ذوب با قوس مصرف شونده (VAR) استفاده می شود[4]. در روش VIM معمولاً از بوته گرافیتی یا کلسیا استفاده می شود. در این حالت در صورت استفاده از بوته هایی از جنس مگنزیا و آلومینا، مذاب NiTi به اکسیژن آلوده می شود. مذاب NiTi در بوته گرافیتی دچار آلودگی با کربن می شود. با نگهداشتن دمای ذوب زیر oC1450 در هنگام استفاده از بوته گرافیتی می توان مقدار کربن را در شمش VIM بین 200 تا ppm500 کنترل کرد[5]. در روش VAR الکترودهای مصرفی NiTi ذوب می شوند و در قالب مسی آب گرد منجمد می گردند. در این حالت به دلیل اینکه آلودگی از طرف بوته وجود ندارد ماده نهایی تمیزتر و مقدار کربن کمتر از ppm200 می باشد. ولی نکته ای که در این حالت وجود دارد این است که منطقه ذوب در این روش فقط به محدوده کوچکی که قوس زده می شود، محدود می شود درنتیجه همگنی در ساختار کمتر می شود (در مقایسه با VIM). برای همگن شدن ساختار در این حالت از چندین بار ذوب استفاده می شود.

 

دو روش عمده برای ریخته‌گری قطعات نایتینولی وجود دارد: ریخته‌گری در قالب‌های موقتی و ریخته‌گری دایکست. البته استفاده از روش ریخته‌گری دقیق برای ساخت قطعات پیچیده از این آلیاژها روش بسیار مناسب‌تری می‌باشد. این روش برای آلیاژهای NiTi غنی از نیکل مناسب می‌باشد چرا که انجام ماشین‌کاری و یا به­عبارت دیگر ساخت قطعات پیچیده به روش‌های متداول از این آلیاژها مشکل می‌باشد[5].

 

بعد از ذوب معمولاً شمش NiTi ریخته شده، در دمای بالا فورج و یا نورد می شود تا به شکل میله و یا تختال در­آید. اکستروژن بیلت های NiTi در دمای oC850 و oC950 انجام شده است[6]. چنین کارگرمی ساختار ریخته گری را در هم می ریزد و خواص مکانیکی را بهبود می بخشد. دماهای کارگرم بهینه معمولاً در حدود oC800 گزارش شده است. جایی که فلز کارپذیر است و اکسید شدن سطحی در هوا چندان شدید نیست[5]. کارسرد NiTi تا حدودی پیچیده است زیرا آلیاژ به سرعت کار سخت می شود. در این حالت نیاز است تا در بین پاس های شکل دادن، عملیات آنیل در دمای oC800-600 انجام شود تا شکل نهایی بدست آید.

 

3-2 فازهای ثانویه در آلیاژهای NiTi غنی از Ni

 

در بررسی آلیاژهای NiTi غنی از نیکل، مسئله مهم بررسی فازهای بین فلزی رسوبی می باشد. تشکیل فازهای ثانویه در آلیاژهای غنی از نیکل پیچیده تر از تشکیل رسوبات درآلیاژهای غنی از تیتانیم و یا آلیاژهای با درصد مساوی نیکل و تیتانیم می باشد. بر اساس دیاگرام فازی NiTi حلالیت بیش از حد نیکل در فاز زمینه NiTi قویاً تابع درجه حرارت عملیات آنیلینگ می باشد. حلالیت نیکل از مقدار 7 درصد اتمی در دمای oC 1118 به مقدار صفر در دمای   oC630 کاهش می یابد. بنابراین انتظار اینکه زمینه در دماهای بالا اشباع از نیکل باشد، وجود دارد. مطالعات نشان می دهد که علاوه بر وجود فاز ثانویه Ni3Ti احتمال رسوب فازهای نامتعادل دیگری مانند Ni3Ti2 و Ni4Ti3 نیز وجود دارد. ساختار اینگونه رسوبات را به صورت زیر می توان ارائه داد[7]:

 

 

 

در این رابطه BO زمینه فوق اشباع آلیاژ TiNi می باشد. B1 ترکیب تعادلی زمینه با رسوبات Ti11Ni14 (Ni4Ti3) و همین قاعده در مورد فازهای B2،B3 و…. صادق است. شکل 1-2 دیاگرام فازی آلیاژ دوتایی NiTi را نشان می دهد. دمای تغییر فاز، خواص مکانیکی و خواص حافظه داری آلیاژهای غنی از نیکل توسط رسوبات ثانویه تحت تاثیر قرار می گیرند.

 

فاز زمینه و سطوح تنش حاصل از رسوبات وابسته به دمای آنیلینگ بوده که بر دماهای تغییر فاز تاثیر می گذارند. زیرا یک درصد اتمی نیکل اضافی در فاز زمینه می تواند دمای شروع مارتنزیت را به اندازه oC 100 کاهش دهد. هرچه واکنش رسوبات کاملتر گردد و ترکیب حاصل به ترکیب فاز زمینه نزدیکتر باشد(ترکیب مساوی از Ni و Ti)، دماهای تغییر فاز افزایش پیدا می کنند که این امر با افزایش دماهای آنیلینگ بیشتر می شود. زیرا تنش حاصل از رسوبات درشت و ناهمگن ممکن است به محلی جهت رشد مارتنزیت تبدیل گردد و باعث افزایش دماهای تغییر فاز شود. خواص مکانیکی آلیاژ NiTi تابع شکل و همگن بودن رسوبات است که هرچه رسوبات ریزتر و همگن تر باشند استحکام به علت افزایش تنش بحرانی لغزش افزایش می یابند.