آلیاژهای حافظه دار

در راستای دستیابی به فلزاتی با ویژگی‌های خاص، به تدریج آلیاژها و سوپرآلیاژها توسعه یافتند و این امر منجر به پیشرفت‌های گسترده‌ای در عرصه‌های مختلف به ویژه در حوزه پزشکی شده است. آلیاژهای حافظه ‌دار یا Shape memory alloy که برخی از این مواد با نام ماده هوشمند نیز یاد می‌کنند، از جمله این پیشرفت‌ها در علم مواد هستند که در این مطلب از استیل رخ قصد داریم به معرفی و مکانیزم‌های تغییر شکل آنها بپردازیم.

آلیاژ حافظه ‌دار چیست؟

همانطور که از نام مواد پیداست، این آلیاژها قابلیت دارند که پس از تغییر شکل، دوباره به حالت اولیه خود بازمی‌گردند که این ویژگی می‌تواند سبب کاربردهای بسیار خاص و با اهمیتی شود. آلیاژهای حافظه‌ دار دارای سه نوع اصلی می‌باشند که این سه عبارتند از: 1) آلیاژهای مس، روی، آلومینیم، نیکل، 2) آلیاژهای مس، آلومینیم، نیکل و 3) آلیاژهای نیکل، تیتانیوم (نیتینول- Nitinol).

گفتنی است که با توجه به قیمت بالاتر عناصر نیکل و تیتانیوم، می‌توان انتظار داشت که آلیاژهای نیکل و تیتانیوم از آلیاژهای پایه مس، قیمت بالاتری داشته باشند و البته خواص مکانیکی بهتری را نیز ارائه می‌دهند.

بیشتر بخوانید: فولاد آلیاژی چیست و چه انواعی دارد؟

تاریخچه آلیاژ حافظه‌ دار

در دهه 1930 میلادی، اولین گام‌ها برای ابداع آلیاژ حافظه‌ دار توسط Otsuka ، Wayman و A. Ölander برداشته شد. آنها در آلیاژهای مس و کادمیوم، رفتاری شبه الاستیک را مشاهده کردند. یک دهه بعد و در سال 1951 اثر حافظه‌ داری که به واسطه رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیت کنترل می‌شود، توسط Kurdjumov و Khandros و همچنین توسط Chang و Read مشاهده شد.

در سال 1967 در کنفرانسی، Buhler و همکارانش، که رفتار حافظه‌ داری در آلیاژهای تیتانیوم و نیکل را مورد بررسی قرار داده بودند، کاربردهای تجاری این آلیاژها را ارائه دادند که شرکت Raychem برای اتصال لوله‌های هیدرولیکی در صنایع هوایی و نیروی دریایی آمریکا از آن استفاده کرد.

جهت دریافت خدمات و خرید لوله استیل، ورق استیل، پروفیل استیل و دیگر اقلام استیل با کارشناسان ما در مجموعه استیل رخ در تماس باشید.

مکانیزم تغییر شکل آلیاژهای حافظه‌ دار

همانطور که گفتیم، آلیاژ حافظه‎ دار قابلیتی دارد که پس از تغییرشکل، دوباره به شکل اولیه خود بازگردد. برای توضیح دقیق‌تر این مکانیزم بهتر است در ابتدا با برخی از اصطلاحات و فرآیندهایی که در طی تغییر شکل آن رخ می‌دهد آشنا شویم. دمای انتقال اولین مفهومی است که باید درباره آن توضیح داد. این شاخص، دمایی است که فرآیند بازگشت به شکل اولیه در آن شروع می‌شود که آن را با Ms نشان می‌دهند.

همچنین دمایی که در آن انتقال به شکل اولیه، پایان می‌یابد نیز با Mf معین می‌گردد. نکته حائز اهمیت درباره این شاخص آن است که ممکن است پس از اعمال چندین سیکل، این دماها دچار تغییر شوند. این پدیده به عنوان خستگی عملکردی شناخته می‌شود که با تغییر خواص ریزساختار و عملکرد ماده ارتباطی مستقیم دارد.

به طور کلی دو مکانیزم اصلی برای آلیاژهای حافظه‌ دار وجود دارد که هر کدام با تغییرات ساختاری خاصی همراه هستند؛ اثر حافظه شکلی و اثر حافظه حرارتی. البته قبل از شروع بحث درباره این دو مکانیزم، بهتر است جهت یادآوری، توضیحی درباره فازهای آستنیت و مارتنزیت بدهیم. این دو فاز نشان‌دهنده نظم بلوری و ساختار کریستالوگرافی مواد هستند. فاز آستنیت در آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن وجود دارد اما صرفا به جنس فلز پایه ارتباطی ندارد.

اثر حافظه شکلی:

در این نوع از آلیاژها، تغییرشکل در فاز مارتنزیت که ساختار کریستالی متراکم دارد رخ می‌دهد و با اعمال تنش مکانیکی در دمای پایین ساختار مارتنزیت تغییرشکل می‌دهد. گرم کردن آلیاژ ساختار را به آستنیت (که تراکم کمتری نسبت به مارتنزیت دارد) تغییر می‌دهد و آلیاژ به شکل اولیه خود بازمی‌گردد.

بیشتر بخوانید: استنلس استیل مارتنزیتی چیست؟

اثر حافظه حرارتی:

در این نوع از آلیاژهای حافظه‌ دار، تغییر شکل در فاز آستنیت، که ساختاری پایدار در دمای بالا دارد، رخ می‌دهد. با سرد کردن آلیاژ ساختار آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود و شکل قطعه تغییر می‌کند. گرم کردن آلیاژ ساختار را به آستنیت تغییر می‌دهد و قطعه دوباره شکل اولیه خود را به دست می‌آورد. در این مکانیزم، تغییر فاز برگشت‌پذیر بین مارتنزیت و آستینت نقشی بسیار کلیدی در حافظه‌ داری آلیاژ دارد.

بیشتر بخوانید: استیل آستنیتی چیست؟

انواع آلیاژ حافظه‌ دار

آلیاژهای هوشمند دارای دو نوع کلی هستند که هر کدام کاربردهای بسیار زیاد و ویژگی‌های منحصر به فردی دارند. این دو نوع آلیاژ، حافظه‌ داری یک‌طرفه و حافظه‌ داری دوطرفه می‌باشند، که نامشان گویای ویژگی آن‌هاست.

در دسته اول این آلیاژها یعنی حافظه‌ داری یک‌طرفه، تغییرشکل ایجاد شده تنها با گرم کردن به شکل اولیه خود باز می‌گردد و اگر جسم را دوباره سرد کنیم، تغییر شکل جدیدی در آن مشاهده نمی‌شود. تغییردمای مورد نیاز برای انجام این فرآیند به جنس آلیاژ بستگی دارد که معمولا دمای شروع و پایان تغییرشکل حدود 2 تا 20 درجه سانتی‌گراد متغییر است.

در مقابل آلیاژ حافظه‌ دار دوطرفه، بدین‌گونه عمل می‌کند که قادر است با سرد و گرم شدن، در محدوده معینی از دما، دوباره به حالات قبلی خود باز گردد. یعنی در صورتی که با افزایش دمای قطعه، جسم دچار تغییر شکل شود، با کاهش دما به شکلی دیگر درمی‌آید. این ویژگی سبب استفاده از این آلیاژها در کاربردهای خاص شده است.

مطلب آلیاژ یا استیل‌ مولی 6 چیست؟ را از ما بخوانید.

روش شکل‌دهی آلیاژ حافظه‌ دار

شکل‌دهی این آلیاژها در دمای محیط صورت نمی‌گیرد چرا که با افزایش دوباره به شکل اولیه خود بازمی‌گردند. بدین منظور شکل‌دهی آن‌ها در دمایی بین 400 تا 500 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود و لازم است که فرآیند شکل‌دهی آن‌ها بیش از 5 دقیقه به طول بیانجامد. پس از فرآیند شکل‌دهی نیز بایستی قطعات را درون آب کوئنچ کرد تا شکل خود را حفظ کنند.

خواص آلیاژ حافظه‌ دار

از نظر استحکام، برخی از گریدهای این آلیاژها نسبت به آلیاژهای استنلس استیل ضعیف‌تر هستند و برخی نیز تنش تسلیمی در حد گریدهای استنلس استیل دارند. در مقایسه با آلومینیم نیز اغلب گریدهای حافظه‌ دار نسبت به آلیاژهای آلومینیمی استحکام بالاتری دارند. تنش تسلیم آلیاژ NiTi می‌تواند به حدود 500 مگاپاسکال برسد و این در حالی است که تنش تسلیم استیل 316، حداقل 205 مگاپاسکال است.

یک خاصیت بسیار مهم آلیاژ حافظه‌ دار، قابلیت بازیافت کرنش پلاستیکی است که به آن اعمال می‌شود. حداکثر کرنش قابل بازیافت این مواد بدون تخریب، حدود 8% است که این میزان در مقایسه با استیل که عددی برابر 0.5% دارد، بسیار زیاد است.

کاربردهای آلیاژ حافظه دار

اولین کاربرد تجاری آلیاژ حافظه‌ دار برای پروژه‌های صنعتی، به عنوان کوپلینگ‌های لوله‌کشی در خطوط نفت و گاز بوده است. در اواخر دهه 1980 میلادی کاربردهای پزشکی این آلیاژ گسترش یافت و در حال حاضر به طور متوسط 50% از استنت‌های عروق از آلیاژ نیتینول ساخته می‌شوند. در ساخت بریس‌های دندانی که فشار ثابتی بر روی دندان وارد می‌کنند نیز از آلیاژ هوشمند استفاده می‌شود.

در سال 1979 از این آلیاژ برای استفاده در سیم‌های ارتودنسی برای صاف کردن و مرتب کردن دندان‌ها استفاده شد که با رسیدن دمای این سیم‌ها به 37 درجه سانتی‌گراد، به آرامی به شکل اولیه خود بازمی‌گردند که این عامل سبب مرتب شدن دندان‌ها در جای خود می‌شود. این آلیاژ در ساخت فریم عینک، رباتیک و صنایع هوا فضا نیز مورد استفاده قرار گرفته و شرکت بوئینگ توسط این آلیاژ خاص توانسته به میزان زیادی سر و صدای موتورهای هواپیماها را کاهش دهد.

مطلب آلیاژ هستلوی چیست؟ را از ما بخوانید.

سخن آخر

آلیاژ حافظه دار را می‌توان از آن دسته نوآوری‌ها و اختراعاتی دانست که سبب پیشرفت بسیار زیادی در صنایع مختلف پزشکی، نفت و گاز، هوافضا و … شده است. این آلیاژها با تغییرات دما، به حالت اولیه خود باز می‌گردند و همانطور که در بالا شرح داده شد، مکانیزم‌های مختلفی برای تغییر شکل آنها وجود دارد که با توجه به نوع آلیاژ، می‌توان شاهد تنوع در عملکرد و کاربرد آنها بود. با وجود پیشرفت‌های چشمگیر آلیاژهای هوشمند، این آلیاژها همچنان پتانسیل زیادی برای توسعه دارند و می‌توانند سبب تحولاتی در صنایع مختلف باشند. پس باید انتظار داشت در آینده با تحقیقات و توسعه بیشتر ، شاهد کاربردهای جدید و نوآورانه‌تری برای این مواد باشیم.