آلیاژ حافظه‌دار

دو نوع اصلی از آلیاژهای حافظه شکل عبارتند از مس-آلومینیوم نیکل و آلیاژهای نیکل تیتانیوم (NiTi) اما SMA‌ها همچنین می‌توانند توسط آلیاژ روی، مس، طلا و آهن ایجاد شوند. اگر چه SMA‌های مبتنی بر آهن و مس، مانند Fe-Mn-Si، Cu-Zn-Al و Cu-Al-Ni، در دسترس تجاری هستند و ارزان تر از NiTi، SMA‌های مبتنی بر NiTi برای اکثر برنامه‌های کاربردی به دلیل ثبات آن‌ها ترجیح داده می‌شوند، عملی بودنو عملکرد ترمو مکانیک برتر [4] SMA‌ها می‌توانند در دو مرحله مختلف با سه ساختار کریستال مختلف (یعنی مارتنزیت twinned، مارتنزیت detwinned و austenite) و شش تبدیل ممکن وجود داشته باشد.
آلیاژهای NiTi از آستنیت به مارتنزیت پس از سرد شدن تغییر می‌کنند. Mf دما است که در آن گذار به مارتنزیت پس از خنک شدن کامل می‌شود. بر این اساس، در طول حرارت، به همان ترتیب، و به صورت اف، دمایی است که در آن تبدیل از مارتنزیت به آستنیت شروع و پایان می یابد. استفاده مجدد از اثر حافظه شکل می‌تواند منجر به تغییرات درجه حرارت تغییر شکل (این اثر به عنوان خستگی عملکرد شناخته شده‌است، به عنوان آن را نزدیک با تغییر ویژگی‌های ریز ساختاری و عملکردی مواد). حداکثر درجه حرارت که SMA‌ها دیگر نمی‌توانند تحت تأثیر استرس قرار گیرند نامیده می‌شود Md، جایی که SMAs به شکل دائمی تغییر شکل داده می‌شوند.
انتقال از فاز مارتنزیت به فاز آستنیت فقط به دما و استرس بستگی دارد، نه زمان، به عنوان بیشتر تغییرات فاز، به عنوان هیچ انتشار درگیر است. به‌طور مشابه، ساختار آستنیتی نام خود را از آلیاژهای فولادی یک ساختار مشابه دریافت می‌کند. این انتقال غیرمستقیم بین این دو فاز است که منجر به خواص ویژه می‌شود. در حالی که مارتنزیت را می‌توان از طریق آستنیت سریعا از فولاد کربن تشکیل داد، این فرایند غیرقابل برگشت نیست، بنابراین فولاد ویژگی‌های حافظه شکل ندارد.

ساختارهای کریستال

بسیاری از فلزات دارای ساختارهای کریستالی مختلف با ترکیب مشابه هستند، اما اکثر فلزات این اثر حافظه شکل را نشان نمی‌دهند. خصوصیات خاصی که اجازه می‌دهد آلیاژهای حافظه شکل به شکل اصلی خود پس از گرمایش بازگردند تغییر شکل بلوری آن‌ها کاملا برگشت پذیر است. در اغلب تحولات کریستال، اتم‌های موجود در ساختار به وسیله انتشار، از طریق فلز عبور می‌کنند و ترکیبات را به صورت محلی تغییر می‌دهند، هرچند فلز به‌طور کلی از همان اتم ساخته شده‌است. تحول برگشت پذیر این انتشار اتم‌ها را شامل نمی‌شود، بلکه تمام اتم‌ها در یک زمان تغییر می یابند تا ساختار جدیدی را شکل دهند، به طوری که می‌توان از یک مربع با یک فشار بر روی دو طرف متضاد ساخته شود. در دماهای مختلف، ساختارهای مختلف ترجیح داده می‌شوند و زمانی که ساختار از طریق دمای انتقال سرد می‌شود، ساختار مارتنزیتی از فاز آستنیت تشکیل می‌شود.

سیستم‌های معمول

تاکنون خواص حافظه‌داری در چند سیستم آلیاژی دیده شده‌است اما اکثر آن‌ها هنگام فعالسازی نیرو یا کرنش بالایی ایجاد نمی‌کنند. دو سیستم آلیاژ حافظه‌دار عمده که هنگام فعالسازی توانایی ایجاد نیروی بالایی در آن‌ها مشاهده شده‌است، عبارتند از سیستم‌های بر پایه مس (مثلاً ‎Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Al‎) و سیستم‌های بر پایه ‎ Ni-Ti‎ (مثلاً نایتینول). خواص حافظه‌داری سیستم‌های سه‌تایی بسیاری بر پایه این سیستم‌های دوتایی بررسی شده‌است.

زمان پاسخ و تقارن پاسخ

محرک‌های SMA معمولاً به صورت الکتریکی عمل می‌کنند، جایی که جریان الکتریکی به حرارت جول برسد. غلط کردن معمولاً به وسیله انتقال حرارت گرما آزاد به محیط محیط انجام می‌شود. در نتیجه، حرکت SMA معمولاً نامتقارن است، با زمان فعال شدن نسبتا سریع و زمان غیر فعال شدن آهسته است. تعدادی از روش‌ها برای کاهش زمان غیر فعال کردن SMA، از جمله اجباری مجبور، و کاهش مقدار SMA با مواد رسانا برای دستکاری سرعت انتقال حرارت پیشنهاد شده‌است.
روش‌های نوین برای افزایش امکان اجرای SMA شامل استفاده از "عقب مانده" هدایت می‌شود. این روش از پودر حرارتی برای انتقال حرارت از SMA به وسیله هدایت استفاده می‌کند. سپس این گرما به راحتی به محیط زیست منتقل می‌شود، زیرا شعاع بیرونی (و منطقه انتقال حرارت) به‌طور قابل توجهی بیشتر از سیم سیم لخت است. این روش باعث کاهش قابل ملاحظه ای در زمان غیر فعال کردن و یک فعالیت فعال متقارن می‌شود. به عنوان یک نتیجه از افزایش سرعت انتقال حرارت، جریان مورد نیاز برای دستیابی به نیروی محرکه داده شده افزایش می یابد.

خستگی ساختاری و خستگی عملکردی

SMA مستلزم خستگی ساختاری است - حالت شکست که توسط آن بارگذاری چرخه ای باعث آغاز و انتشار یک کرک می‌شود که در نهایت منجر به از دست رفتن عملکرد فاجعه بار توسط شکست می‌شود. فیزیک در این حالت خستگی، تجمع آسیب‌های میکرو سازنده در هنگام بارگذاری سیکل است. این حالت شکست در اغلب مواد مهندسی، نه فقط SMA‌ها مشاهده می‌شود.
SMA نیز به خستگی عملکردی منجر می‌شود، حالت شکست در انواع مواد مهندسی معمول نیست، بدین معنی که SMA به صورت ساختاری شکست نمی‌خورد، اما در طول زمان ویژگی‌های شکل / حافظه فوق العاده اش را از دست می‌دهد. در نتیجه بارگذاری چرخه ای (هر دو مکانیکی و حرارتی)، ماده از توانایی خود برای تبدیل یک فاز برگشت پذیر به دست می آید. به عنوان مثال، جابه جایی کار در یک محرک با افزایش تعداد چرخه کاهش می یابد. فیزیک پشت این تغییرات تدریجی در ریزساختار است، به‌طور خاص، ایجاد اختلالات لغزش محل اقامت. این اغلب با تغییر قابل توجهی در دماهای تغییرات همراه است. [20] طراحی سازندهای SMA همچنین ممکن است بر خستگی ساختاری و عملکردی SMA، مانند تنظیم پله در سیستم SMA-Pulley، تأثیر بگذارد.

راه اندازی ناخواسته

محرک‌های SMA معمولاً توسط جول حرارت دادن الکتریکی عمل می‌کنند. اگر SMA در محيطی که درجه حرارت محیط کنترل نشده‌است استفاده شود، ممکن است ناخواسته از طریق گرمای محیط رخ دهد.

تاریخچه

اولین گام‌ها به‌سوی کشف اثر حافظه‌داری شکلی در دهه ۱۹۳۰ گزارش‌شده‌است. به توجه به مطالب اوتسوکا و وایمن رفتار شبه الاستیک آلیاژ طلا-کادمیوم را اولاندر در سال ۱۹۳۲ کشف کرد. گرنینگر و مرادیان (۱۹۳۸) شکل‌گیری و ناپدید شدن فاز مارتنزیت در آلیاژ کادمیوم –روی را بر اثر افزایش و کاهش دما مشاهده کردند. اولین نمودهای اثر حافظه‌داری که تابع رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیت است به‌طور گسترده‌ای یک دهه بعد توسط کردجومو و خاندروس (۱۹۴۹) و نیز توسط چانگ و رد (۱۹۵۱) گزارش‌شده‌است. در سال ۱۹۵۶ اثر حافظه دار در آلیاژ مس و روی تز دکترا ی هوربوژن بود.
آلیاژهای نیکل و تیتانیوم برای اولین بار در سال‌های ۱۹۶۲–۱۹۶۳ توسط بوهلر و همکارانش در آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی ایالات‌متحده توسعه‌یافته و نام تجاری نیتینول (مخفف نیکل تیتانیوم آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی) به خود گرفت. خواص قابل‌توجه این آلیاژ به‌طور تصادفی کشف شد. نمونه‌ای که چند بار خم‌شده و از شکل اصلی خود خارج‌شده بود در جلسه مدیریت آزمایشگاه ارائه شد. یکی از مدیران فنی، دکتر دیوید موزی، تصمیم گرفت تا ببینید اگر نمونه گرم شود چه اتفاقی خواهد افتاد و فندک خود را زیر آن گرفت. در کمال شگفتی نمونه به شکل اصلی خود بازگشت.
نوع دیگری از آلیاژهای حافظه‌دار شکلی وجود دارد به نام آلیاژ فرومغنازطیس با حافظه شکلی که تغییر شکل تحت میدان مغناطیسی قوی رخ می‌دهد. این مواد به میدان‌های مغناطیسی سریع‌تر و کارآمدتر از تغییرات دما پاسخ می‌دهند. آلیاژهای فلزی تنها آلیاژهای پاسخگو به حرارت نیستند؛ پلیمرهای با حافظه شکلی نیز توسعه‌یافته‌اند و از اواخر دهه ۱۹۹۰ به‌صورت تجاری در دسترس هستند.

علت این پدیده

عاملی که سبب تغییر شکل فلز یا بازگشت به شکل اولیه آن می‌شود اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. زمانی که بار اعمال می‌شود، فلز تغییر شکل می‌دهد. سپس به محض برداشته شدن بار و اعمال کمی گرما، مولکول‌ها به شکل ساختاری سخت در می‌آیند، به گونه‌ای که به یک ساختار با شبکه‌ای متفاوت مبدل می‌شوند.

تغییر حالت متالوژیکی

تغییر آرایش منجر به ایجاد ساختار کریستالی فاز جدید و پایدار می‌شود. پیشرفت تغییر حالت بدون نیاز به حرکت و جابجایی اتم‌ها به صورت مجزا، را می‌توان مستقل از زمان دانست و به همین دلیل می‌توان وابستگی دما را به عنوان اصلی‌ترین عامل پیشرفت این تغییر نشان داد.

جستار های وابسته

ریخته‌گری
نایتینول
کریستال
مارتنزیت
استنیت