سبيكة متذكرة للشكل

السبيكة المتذكرة للشكل أو الأشابة المتذكرة للشكل أو الخليطة المتذكرة للشكل شكل جديد من اشكال المادة الذكية التي تتمتع بخواص ميكانيكية خارقة غير متوافرة في جميع المواد والسبائك التي جرت العادة على إستخدامها في التطبيقات الهندسية وغيرها؛ حيث تتميز تلك السبائك بقدرتها على استعادة شكلها الأصلي عند تسخينها. عندما تكون السبائك المتذكرة أو الحافظة للشكل في درجات حرارة منخفضة تتميز بانخفاض مقاومة الخضوع مما يسهل تشكيلها وتحولها إلى أي صورة جديدة، وتحتفظ بهذا الشكل إلى أن يتم تسخينها ( لدرجة حرارة أعلى من درجة حرارة تحولها ) فتستعيد شكلهاالأصلي.
و لما تتمتع به هذه السبائك من خصائص خارقة للعادة؛ تستخدم حديثا في عدد من التطبيقات في مختلف المجالات كالطب الحيوي وعلوم الفضاء والأقمار الصناعية، كما أثبتت أخر الأبحاث إمكانية استخدام تلك السبائك في أجهزة التحكم في الاهتزازات. وعلى الرغم من ذلك فلا يمكن استخدام السبائك المتذكرة للشكل في جميع التطبيقات ، فعند إستخدامها يجب التطرق إلى ظروف التطبيق من حيث الإجهادات والحركة المطلوبة في التطبيق والضغط ودرجة الحرارة، ويجب الاهتمام بدرجات الحرارة بالاخص؛ حيث إنها العامل الأساسي لتحديد شكل السبيكة.
تعد سبيكة النيكل-التيتانيوم أو ما يسمى بالنتنول أهم أنواع السبائك المتذكرة للشكل وأعلاها سعرا.و من السبائك المتداولة أيضا في هذا المجال سبيكة النحاس-الألمنيوم-النيكل. كما يمكن أيضا الحصول على السبائك المتذكرة للشكل بإستخدام الزنك ،و النحاس ،و الذهب ،و الحديد كعناصر تسابكيية.

نبذة تاريخية

في فترة الستينات من القرن العشرين قام كل من بلير وويلي بتطوير من سبائك النيكل-تيتانيوم تحتوي على 53% إلى 57% نيكل؛ مما أدى إلى ظهور حالة غريبة حيث تكونت عينات مشوهة لها انفعال مختلف يتراوح ما بين 8% إلى 15%، كما تستعد تلك السبائك شكلها الأصلي بعد مرورها بدورة حرارية، ومن هنا جاء اسم السبائك الحافظة أو المتذكرة للشكل. واكتشف فيما بعد أن لتلك المواد خاصية أخرى وهي المرونة الفائقة عند رفع درجة حرارتها بالقدر الكافي. وبسبب كل هذه الخواص الميكانيكية الفريدة؛ تميزت تلك السبائك عن غيرها من المواد التقليدية في التطبيقات الحديثة والمبتكرة

الخصائص

تنتج تلك الخصائص للسبائك الحافظة للشكل عن التحول القابل للعكس لطور المارتنزيت وهو تحول من صورة صلبة إلى صلبة بدون إنتشار، حيث هو تحول بين صورة منظمة بلوريأ متمثلة في الاوستنيت وصورة أخرى أقل تنظيما وهي المارتنزيت،و يكون الاوستنيت مستقرا في حالة الضغوط الخفيفة ودرجات الحرارة المرتفعة، بينما يكون المارتنزيت أكثر استقرارا عن ضغوط أعلى ودرجات حرارة أقل.
عند دراجات الحرارة المرتفعة نسبيا تكون السبائك الحافظة للشكل في حالة الاوستنيت، وتنقل إلى حالة المارتنزيت حين تبريدها، ويتميز الاوستنيت ببنية بلورية مكعبة، بينما يتميزالمارتنزيت بتكوين بلوري أحادي الميل. يتم التحول من صورة الاوستنيت إلى المارتنزيت من خلال عملية تشويه أو تغير في شكل البنية البلورية بالازاحة مما لا يغير من شكل العينة؛ حيث تحدث تلك التغيرات في البنية الداخلية للمادة.
و تعد درجات الحرارة Aₛ وAf هي درجات الحرارة التي يبدأ وينتهي عندها التحول من المارتنزيت إلى الاوستنيت وكذلك درجات الحرارة Mₛ وMf هي درجات الحرارة التي يبدأ عندها التحول العكسي من الاوستنيت إلى المارتنزيت، وتسمى حالة الاوستنيت بالحالة الأم على قصص أنها الوضع الافتراض والأصلي للسبائك المتذكرة للشكل بينما تسمى حالة المارتنزيت بالحالة العكسية. وعند تكرار عملية التحويل الأساسية والعكسية اعتمادا على خاصية تذكر الشكل لتلك السبائك قد يؤدي ذلك إلى انتقال في درجات الحرارة التي تبدأ وتنتهي عندها عملية التحول،و تسمى تلك الظاهرة بالإجهاد الوظيفي حيث أنها ترتبط بتغير البنية الدقيقة للمادة وتغير الخصائص الوظيفية لها أيضا.

مقارنة بين ظاهرتي تذكر الشكل والمرونة الفائقة

عندما تتعرض عينة في حالة المارتنزيت لإجهاد أحادي الاتجاه ، يوجد كمية حرجة للضغوط وعندها تبدأ عملية التفكك في الحدوث؛ حيث تبدأ متغيرات المارتنزيت في التفكك. وفي خلال تلك العملية يحدث إعادة ترتيب فراغى لمتغيرات المارتنزيت الأساسية. وفي حالة وجود إتجاه مفضل لحدوث التحول (وغالبا ما يكون مرتبط بحالة من الإجهاد) يتحقق فقط المتغير المفضل،وعندئذ يتحول طور المنتج إلى المارتنزيت أحادي المتغير ويتميز بالبنية المتفككة. في خلال تلك العملية يكون المارتنزيت في حالة تفكك تام (نظريا يحتوي على متغير واحد فقط على محاذي لاتجاه الانفعال)،و تتسبب زيادة الانفعال إلى حد أبعد في التحميل المرن المارتنزيت المتفكك ،و في أثناء خفض الحمل يتبقى الكثير من الانفعال في المادة.
و على الرغم من كل ذلك،عند التسخين لدرجة حرارة أعلى من Af يتحول المارتنزيت إلى الأوستنيت وتستعيد العينة شكلها الأولى (الغير مشكل).و يحفظ هذا الشكل أثناء التبريد لأقل من درجة الحرارة Mf عندما تعيد المادة التحول إلى حالة المارتنزيت المتفكك.و تسمى تلك الظاهرة بتذكر الشكل.
أما على الجانب الأخر عند وضع عينة من الأوستنيت تحت إجهاد أحادي الضغط عند درجة حرارة أعلى من Af ،يوجد قيمة حرجة التي يبدأ عندها التحول من حالة الأوستنيت إلى حالة المارتنزيت المتفكك،و بالتقدم أكثر في عملية التشكل في حالة ثبوت درجة الحرارة، يظل الإجهاد ثابت إلى حد كبير حتى تتحول المادة كليا. وتتسبب زيادة الانفعال إلى حد أبعد في التحميل المرن للمارتنزيت غير مستقر بدون إجهادات عند درجة حرارة أعلى من Af ، فعند خفض الحمل يحدث تحول عكسي ولكن عند مستوى أقل من الإجهادات المستخدمة أثناء التحميل.
إذا كانت درجة حرارة المادة أعلى من Af فإن الانفعال الذي تكتسبه المادة عند التحميل يسترجع كاملا في نهاية عملية إزالة الحمل.تلك العملية المميزة تعطي ارتفاعا لسعة إمتصاص الطاقة بدون أي إنفعالات متبقية. وتسمى تلك الظاهرة بالمرونة الفائقة.
إذا كانت درجة حرارة المادة أقل من Af فلا يتحول المارتنزيت إلى الأوستنيت ولكن مجرد جزء من المارتنزيت المولد من الإجهاد يعيد التحول إلى الأوستنيت، وحينئذ تتكون إنفعالات متبقية عند نهاية عملية إزالة الحمل، والتي يمكن استردادها بالتسخين لدرجة حرارة أعلى من Af وتعرف تلك الخاصة بالمرونة الفائقة جزئيا.

السبائك الحافظة للشكل المستخدمة تجاريا

على رغم تواجد ظاهرة تذكر الشكل في عديد من السبائك، يتم استخدام قلة منهم على المستوى التجاري والصناعي.و في السوق الحالي غالبا ما تستخدم سبائك النيكل – تيتانيوم، والسبائك المعتمدة على النحاس.

سبائك النيكل - تيتانيوم

يعتمد نظام سبائك النيكل- تيتانيوم أساسا على مركب متعادل الذرات من النيكل والتيتانيوم. ومن مميزات سبائك النيكل- تيتانيوم أنه له استقرار عالي في التطبيقات الدورية؛حيث يمتلك مقاومة كهربية عالية،و مقاومة التآكل. ولها أيضا معدل اذابة معتدل مما يسمح بإدخال تعديلات في تكوينها أو إدخال عناصر تسابكية أخرى للتعديل في السبيكة من حيث الشكل المحفوظ أو الخصائص الميكانيكية.
و غالبا ما يضاف عنصر معدني ثالث كعنصر تسابكي إلى هذا النظام الثنائي من السبائك ؛من أجل تحسين خصائصه ورفع فرص استغلاله تجاريا ويعد إضافة 1% من معدن النيكل للسبيكة هو أحد أهم التعديلات التي تجري على تلك السبائك وأكثرها شيوعا؛ حيث تؤدي تلك الإضافة إلى زيادة إجهاد الخضوع لطور الأوستنيت وإلى تقليل درجات حرارة التحول.
لا يعد تصنيع سبائك النيكل - تيتانيوم مهمة سهلة حيث تستخدم العديد من طرق التشغيل بصعوبة من أجل تصنيعه؛ وهذا يوضح السبب الأساسي لارتفاع تكلفة مثل هذه السبائك، وعلى الرغم من ذلك فإن في جميع الأحوال تعد سبائك النيكل تيتانيوم الأكثر شيوعا بين السبائك المتذكرة للشكل في التطبيقات التجارية لما لها من خواص ميكانيكية ممتازة.

السبائك النحاسية الأساس

تعد سبائك النحاس - زنك - ألومنيوم - أول السبائك المتزكرة للشكل النحاسية الاساس من حيث الاستخدام على المستوى التجاري.
يعود أصل تلك السبيكة إلى سبيكة النحاس - زنك- ألومنيوم بأنها مصنوعة من مواد رخيصة نسبيا، والتي تعتمد على طرق تصنع معدنية تقليدية ؛ مما يجعلها ضمن أرخص السبائك المتذكرة للشكل المستخدمة على المستوى التجاري وبالأخص عند مقارنتها بسبائك النيكل - تيتانيوم.
يعتبر العيب الرئيسى لتلك السبائك هو احتياج حالة المارتنزيت إلى البقاء لمدة طويلة في درجة حرارة الغرفة؛ ممل يسبب زيادة في درجات حرارة التحول مع مرور الوقت، كما يحدث تحبب لبنية السبيكة عندما تتعرض لدرجة حرارة تتجاوز مائة درجة مئوية. وبالمقارنة بالسبائك الأخرى المتذكرة للشكل تمتلك سبيكة النحاس - زنك - ألومنيوم خصائص متوسطة من حيث تذكر الشكل بمعدل استعادة للانفعال يقارب 5%.
تم إجراء العديد من التعديلات والتطويرات على سبائك النحاس - ألمنيوم - نيكل لدرجة تصل إلى تفضيلها على سبائك النحاس - زنك - الومنيوم ؛ حيث تعد أحد السبائك المشهورة وكثيرة الاستخدام لأنها السبائك الوحيدة من تلك المتذكرة للشكل التي يمكن إستخدامها عند درجة أعلى من مائة درجة مئوية.تؤثر نسبة الألمنيوم بدرجة كبيرة على درجات حرارة التحول للسبيكة، وتقليل نسبة الألمنيوم لأقل من 12% يمكن أن يحسن من الخصائص الميكانيكية لها.
على الرغم من أن سبائك النحاس - ألمنيوم - نيكل تصنع من مواد متوفرة وذات ثمن معتدل، تعتبر عملية تشغيلها أصعب نسبيا؛ حيث يمكن أن تعالج حراريا فقط ،و تكون آخر خطوات المعالجة الحرارية تحت سيطرة وأحكام تام؛ من أجل الحصول على سبيكة لها درجات حرارة التحول المطلوبة. وبالرغم من كل تلك الصعوبات لايزال هذا النظام أكثر توسعا من سبائك النحاس - زنك – ألمنيوم؛ حيث أنها لاتزال ذات تكلفة أقل من سبائك النيكل - تيتانيوم.

التطبيقات

كما ذكر سلفا، تتمتع السبائك المتذكرة للشكل بخصائص فريدة لا تتوافر في كثير من السبائك الأخرى التي جرت العادة على إستخدامها في التطبيقات الهندسية المختلفة؛ مما يعطي فرصة في تقديم منتجات جديدة ومبتكرة تعتمد أساسا على تلك الخصائص.

المحركات

تستخدم السبائك المتذكرة للشكل في التطبيقات الترددية (أي أنها في حالة دائمة من التوقف والعمل) مثل صمامات دائرة التبريد،و أنظمة كشف الحرائق،و أجهزة التثبيت. وعلى سبيل المثال تتواجد تلك التطبيقات الترددية باحجام صغيرة جدا كالمحركات الضئيلة وهي أجهزة تدار كهربيا.
توفر السبائك المتذكرة للشكل عديدا من المميزات كالأمان، والقابلية للضغط، كما توفر أيضا ظروف متميزة عند العمل كالنظافة، والهدوء، والخلو من الشرارة، كما يمكنها العمل في ظروف إنعدام الجاذبية. ومن مميزاتها أيضا أنه يمكن الحصول على نسبة عالية بين القدرة والوزن، أو القدرة، والحجم. وعلى الرغم من ذلك يجب الوضع في الاعتبار بعض عيوب المحركات المصنوعة من السبائك المتزكرة للشكل أن كفائة طاقتها منخفضة ، عرضها الموجي محدود بسبب قيود التسخين والتبريد.

المواد التكيفية والمركبات المهجنة (المواد الذكية)

من التطبيقات الهامة والمؤثرة هي الأجنحة الذكية المستغلة في الطائرات؛ حيث يجب أن يتكيف شكل الجناح مع البيئة المحيطة معتمدا على عديد من الظروف المحيطة كسرعة الطائرة، وسرعة الرياح، والضغط الجوي.

الطب والميكانيكا الحيوية

للسبائك المتذكرة للشكل تطبيقات عددا في المجال الطبي كالدعامات وتقويم الأسنان والسلك الطبي الموجه. السلك الطبي الموجه هو عبارة عن سلك معدني طويل ونحيل يمر إلى جسم الإنسان عن طريق الفتحات الطبعية؛ أو عن طريق جرح بسيط، ويستخدم كدليل آمن لتوصيل العديد من الأدوات العلاجية والتشخيصية، ويساعد استخدام السبائك ذات خاصية المرونة الفائقة على تقليل التعقيدات والتشابكات التي قد تحدث للسلك الموجه؛ حيث تحدث في بعض الحالات عقد دائمة يصعب التخلص منها بدون التدخل الجراحي.
أما عن الدعامات فهي كلمة تقنية تعبر عن أجسام دقيقة تتمدد ذاتيا، والتي يبحث حاليا في إمكانية إستخدامها في معالجة إنسداد الأوردة. وتكون الدعامة في وضعها الابتدائي على شكل مطول للحصول على مقطع صغير مما يسهل وصولها بأمان، وبعد تحريرها من الأجهزة التي تستخدم لإيصالها إلى المكان المرغوب فيه، تتمدد الدعامة ذاتيا لضعف قطرها المضغوط بدون أي تدخل، مؤثرة بقوة قطرية طفيفة شبه ثابتة على جدار الوعاء الدموي.
و بالنسبة لتقويم الأسنان فيتم تحريك الأسنان عن طريق إعادة صياغة العظام الناجم عن القوى المؤثرة على الأسنان. وتنتج تلك القوى عن تقويم الأسنان الذي يتشكل بمرونة، سامحا بإطلاق الطاقة المخزنة بداخله إلى الأسنان على مدار فترة من الزمن .

التطبيقات في مجال صناعة الفضاء

للسبائك المتذكرة للشكل العديد من التطبيقات في مجال صناعة الفضاء، فمنذ إستخدامها في صناعة نظام الأنابيب الهيدروليكية في طائرة إف-14 توم كات عام 1971 بدأ المصممون في دراسة كيفية إستخدامها في حل مشاكل صناعة الفضاء.

المركبات ذات الأجنحة الثابتة

يعد أهم وأشهر مشروعين للأجنحة الثابتة هما برنامج الجناح الذكي، والمركبة الذكية ذات نظام الدفع الملاحي. كان هدف برنامج الجناح الذكي تطوير وعرض المواد النشطة متضمنا بذلك السبائك المتذكرة للشكل؛ من أجل تحسين أداء الأجسام الرافعة.

و انقسم البرنامج إلى جزئين وكان أولهما الأكثر إهتماما بالسبائك المتذكرة للشكل حيث تم إستخدامها في الأسلاك (الأوتار) المستخدمة في تشغيل المؤخرة الغير مثبتة. كما تم إستخدامها أيضا في أنبوب العزم الذي يستخدم في إلتواء أجنحة الطائرة F-18 وفي كل من هذه التطبيقات تستغل خاصية تذكر الشكل لتوفير القدرة على الإدارة (التشغيل)عن طريق استرداد الشكل الذي يحدث عند حدوث إجهادات.

و تعتبر حالة الإجهادات في ظروف التشغيل غير ثابتة ،فهي دالة في رد الفعل المرن للهيكل المشغل (العامل) كما في حالة الجناح. ووجد أنه لا يمكن للسبائك المتذكرة للشكل توفير القوة اللازمة في أنبوب العزم لتشغيل جناح طائرة على المقياس العملي. ولكن مع التطور وتحسين السبائك يمكن إستخدامها حاليا في الحصول على مكونات كبيرة الحجم من أجل تشغيل أفضل.

التطبيقات في مركبات الفضاء

دائما ما تبحث تطبيقات الفضاء عن حلول لمشاكل الإطلاق والتشغيل وخمد الاهتزازات سواء عند إطلاق المركبة الفضائية أو التشغيل اللاحق للإطلاق حيث الجاذبية شبه منعدمة وبيئة بلا غلاف جوي؛ حيث تتعرض الهياكل العاملة في المركبة لقوى جاذبية منخفضة، التي تقلل القدرة التشغيلية المطلوبة، كما يمكن أن يصبح انتقال الحرارة مشكلة بسبب الفقر لوسط موصل.

و يعد أهم إستخدامات للسبائك المتذكرة للشكل هو حل مشاكل الإطلاق ذو الصدمة المنخفضة، وتعد تلك الظاهرة مشهورة في عالم تصميم سفن الفضاء، فحتى عام 1984 14% من المهمات الفضائية واجهت أنواع من المشاكل بسبب الصدمات؛ مؤديا إلى إلغاء حوالي نصف تلك المهام.

و تستخدم السبائك المتذكرة للشكل أيضا في الكثير من أجزاء المركبات حيث تستخدم في الخلايا المجمعة للطاقة الشمسية فتتغير شكلها من أجل تحسين الأداء وأيضا في توجه الأجنحة الشمسية.

التطبيقات المعتمدة على الاهتزازات في السبائك المتذكرة للشكل

قام أحد مصنعي الزلاجات الجليدية بتجريب زلاجات تحتوي على شرائط مصفحة مصنعة من سبيكة النحاس - زنك - ألمنيوم، حيث تتميز تلك الشرائط بدرجات تحول إلى المارتنزيت أعلى بقليل من الصفر المئوي، فعندما تلامس تلك الشرائط الثلج تتحول من حالة الأوستنيت إلى المارتنزيت، وبهذه الطريقة يتم خمد الاهتزازات مما يعطي الزلاجات ثباتا أفضل وأداء أكثر تميزا.
و قد أثبتت التجارب والأبحاث الحديثة إمكانية استخدام مثل هذه المواد الذكية في أجهزة مبتكرة في الهياكل الهندسية المعمارية كالمباني، والكباري؛ حتى تقاوم الاهتزازات الناجمة عن الزلازل. فيعد استخدام أنظمة التقوية الذكية للهياكل الإطارية واستخدام الكابلات المقواة أحد أهم التطبيقات الإنشائية.

===تطبيقات السبائك المتذكرة في علم هندسة الزلازل