آلیاژ حافظه‌دار
به آلیاژهایی که در طی یک چرخه تنشی یا چرخه حرارتی به شکل اولیه تعریف شده خود،  باز می­ گردند، آلیاژهای حافظه دار (shape memory alloys) یا SMA می گویند. آلیاژهای حافظه دار دارای توانایی تغییر ساختار کریستالوگرافی خود در پاسخ به یک محرک، در قالب تنش یا حرارت هستند. این تغییر در ساختار به این معنی است که ماده ای که دارای یک شکل خاص در دما و سطح تنشی معین است، با تغییر دما و سطح تنش، شکل متناظر با آن تغییرات را خواهد داشت. دو ساختار کریستالوگرافی برای آلیاژهای حافظه دار به ترتیب فاز مارتنزیت در دمای پایین و فاز آستنیت در دمای بالا است.
از انواع مهم آلیاژهای حافظه دار می ­توان به نیکل-تیتانیوم (Ni-Ti)، مس-روی-آلومینیوم و مس-آلومینیوم-نیکل اشاره کرد. معروف ترین و پر کاربردترین آلیاژ حافظه دار، آلیاژ نیکل-تیتانیوم است که با نام تجاری نایتینول (Nitinol) شناخته می شود. نایتینول در نیمه قرن بیستم توسط William J. Buehler و همکارانش، در آزمایشگاه نیروی دریایی (Naval Ordnance Laboratory) آمریکا کشف و معرفی شد.  نامگذاری Nitinol بر اساس ترکیب حروف اختصاری نیکل (Ni)، تیتانیوم (Ti) و آزمایشگاه نیروی دریایی (NOL) انجام گرفته است. گریدهای مهم نایتینول، نایتینول ۵۵ و نایتینول ۶۰ است. نایتینول ۵۵ آلیاژ نیکل-تیتانیوم با ۵۵ درصد نیکل و ۴۵ درصد تیتانیوم و نایتینول ۶۰ آلیاژ نیکل-تیتانیوم با ۶۰ درصد نیکل و ۴۰ درصد تیتانیوم است. نایتینول دارای خواص الکتریکی و مکانیکی عالی، طول عمر بالا و مقاوم در برابر خستگی است. مقاومت به خوردگی بالایی دارد. بسیار سازش ­پذیر بوده و برای محکم کنار هم قرار گرفتن مواد متجانس/نامتجانس که به طریق دیگری قادر به چسبیدن به ­یکدیگر نیستند، بسیار مناسب می ­باشد. تقاضا برای نایتینول در استنت­ های قلبی-عروقی مورد استفاده در انژیوپلاستی و سایر ایمپلنت ­ها و وسایل جراحی، محبوبیت این آلیاژ را نسبت به سایر آلیاژهای دارای حافظه شکلی نمایان می ­کند.
الیاژ حافظه دار خواص متفاوتی دارند. دو خاصیت معمول در این آلیاژمی باشد. تصویر شماتیک این دو اثر را در شکل زیر ملاحظه میفرمایید:
آلیاژهای حافظه دار یک­ طرفه، حالت تغییرشکل یافته خود را پس از حذف نیروی خارجی حفظ می­ کنند و به محض گرمایش و تشکیل فاز آستنیت از مارتنزیت، به شکل اولیه خود باز می ­گردند. این آلیاژها فقط شکل خود را در فاز آستنیت می توانند باز یابند. اگر آلیاژ حافظه دار علاوه بر فاز آستنیت، بتواند شکل خود را در فاز ماتنزیت نیز بازیابد، به این خاصیت اثر حافظه داری برگشت پذیر یا اثر حافظه داری دو طرفه می گویند. آلیاژهای حافظه دار دارای توانایی به ­خاطرسپاری شکل خود در هر دو دمای بالا و پایین می ­باشند و می توانند با تغییر دما شکل های مختلفی را به خود بگیرند.
متاسفانه پاسخگویی اثر حافظه داری دوطرفه از ویژگی های ذاتی آلیاژهای حافظه دار نیست، بلکه نیازمند تکرار فرایندهای ترمومکانیکی در طول یک مسیر با بارگذاری معین می ­باشد. بنابراین در آلیاژهای د وطرفه، شکل­ های دائمی و موقتی نگه­ داشته شده در دماهای متفاوت، نیازمند برنامه­ ریزی توسط یک پروفیل حرارتی می­ باشد.
این آلیاژها ویژگی‌های زیر را دارند: خاصیت سوپرالاستیسیته یا شبه­ کشسانی در آلیاژهای حافظه دار، پدیده ­ای است که به موجب آن، پس از بارگذاری آلیاژ حافظه دار، کرنش ­هایی بزرگ به محض باربرداری بازیابی می شود. در آلیاژهای حافظه دار، خاصیت سوپرالاستیسیته را می­ توان تحت عنوان اثر حافظه داری فعال شونده با تنش تعریف کرد. فاز مارتنزیت در آلیاژهای حافظه دار با اعمال تنش در دمایی بالاتر از Ms، به صورت هم­ دما قابل حصول می ­باشد، که این مارتنزیت تحت عنوان مارتنزیت ناشی از تنش شناخته می ­شود. به محض حذف تنش، شکل موقتی حذف و شکل اولیه به ­صورت الاستیکی حاصل می شود. به موجب این پدیده، اثر حافظه داری مکانیکی به جای اثر حافظه داری حرارتی نمایان می شود. آلیاژهای حافظه دار به دو علت، خاصیت سوپرالاستیسیته را از خود به نمایش می­ گذارند: تشکیل مارتنزیتِ برگشت­ پذیرِ ناشی از تنش به محض بارگذاری آلیاژ در فاز آستنیتی آن و دیگری استحاله به فاز آستنیت به محض باربرداری.
حتی پس از اینکه آلیاژهای حافظه دار در دمای اتاق تحت کرنش ­های پلاستیک قرار می ­گیرند، با گرمایش تا دمای انتقال قادر به برگشت به شکل اولیه خود هستند، از این رو لفظ حافظه دار به آن­ ها اطلاق می ­گردد. شکل زیر فرایند­های کریستالوگرافی درگیر در تغییرات فازی مربوط به اثر حافظه داری را نشان می­ دهد. آلیاژهای حافظه دار در دمای بالا وارد فاز آستنیت و در دماهای پایین وارد فاز مارتنزیت می ­شوند. به دلیل این ­که استحاله مارتنزیتی یک دگرگونی بدون نفوذ و برشی بوده و به موجب آن یک ساختار دوقلویی در دماهای پایین شکل می ­گیرد، به آن مارتنزیت دوقلویی می­ گویند. لازم به ذکر است که تغییرات شکلی به صورت ماکروسکوپی قابل مشاهده نیست، چرا که حجم اشغالی توسط مارتنزیت دوقلویی و فاز آستنیت برابر با یکدیگر می ­باشد. در نتیجه تشکیل مارتنزیت، تحت عنوان مارتنزیت خودسازگار معرفی می ­شود. با اعمال تنش به مارتنزیت دوقلویی، مارتنزیت تغییرشکل یافته حاصل می ­شود. با گرمایش این آلیاژ تا دماهای بالاتر، مجدداً فاز آستنیت تشکیل می شود. در حین فرایند گرمایشِ آلیاژ حافظه دار، کرنش باقیمانده در مارتنزیت تغییر شکل یافته، به طور کامل بازیابی شده و آلیاژ مجدداً شکل اولیه خود را به دست می آورد. این فرایند “اثر حافظه شکلی” نامیده شده و معرف رفتار آلیاژهای حافظه دار می ­باشد. آلیاژها مستقیماً و یا توسط گرمای ژول (یا گرمایش مقاومتی؛ گرمایش توسط القاء/جریان الکتریسیته از داخل یک رسانا) تا دمای انتقال، به منظور انجام استحاله آستنیت-مارتنزیت حرارت می­ بینند. انجام استحاله آستنیت به مارتنزیت ممکن است در غیاب تنش­ های داخلی و خارجی، موجب پیدایش مارتنزیت دوقلویی شده و در هنگام وجود این تنش­ ها تا سطح معین، مارتنزیت­ های غیردوقلویی حاصل شود. مشابه با آلیاژهای حافظه دار پاسخگو به حرارت، به آلیاژهای حافظه داری که در پاسخ به میادین مغناطیسی اعمالی خارجی، دچار تغییر­ شکل و ایجاد تنش می­ شوند، آلیاژهای حافظه دار مغناطیسی می­ گویند. این مواد، مغناطوکشسان (magneto strictive) بوده و عموماً آلیاژهایی از نیکل، منیزیم و گالیوم می ­باشند. در مواد فرو مغناطیس، بازآرایی مجدد مغناطیسی در نتیجه هم ­راستا شدن ممان ­های مغناطیسی میکروسکوپی، در جهت میدان اعمالی می ­باشد. آلیاژهای حافظه دار مغناطیسی، هنگامی ­که حرکات دقیق و سریع نیاز ­باشد، مانند ربات ­ها، ابزارهای بیومدیکال، سوپاپ ­های حساس، دمپ ­کننده ­ها و … کاربرد دارند.
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.
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.
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.
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.
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. گری بااستفاده از کوره‌های القایی و کوره‌های مقاومتی صورت می‌گیرد.
درشت‌شدن دانه‌ها و به‌وجود آمدن رسوبات، مهم‌ترین مشکلات تولید به‌روش ریخته‌گری است که می‌توانند باعث کاهش خواص حافظه‌داری و خواص مکانیکی گردند.
ریخته‌گری
نایتینول
کریستال
مارتنزیت
استنیت
نیکل
تیتانیم
هوافضا
مهندسی مکانیک
علم مواد