توضیحات
عنوان: آلیاژهای حافظه دار
- چکیده
- مقدمه
- تعریف آلیاژ حافظهدار
- تاریخچه آلیاژهای حافظهدار
- بررسی ساختار آلیاژهای حافظهدار
- بررسی رفتارهای آلیاژهای حافظهدار
- رفتار مکانیکی آلیاژهای حافظهدار
- اثر حافظه شکلی
- اثر سوپرالاستیک
- ساخت آلیاژهای حافظهدار
- کاربردهای آلیاژهای حافظهدار
- نتیجه گیری
- منابع
چکیده
آلیاژهای حافظهدار به عنوان یکی از مواد هوشمند و با ویژگی فعالسازی نقش مهمی را در نسل فعلی مواد در حال پیشرفت ایفا میکند. آلیاژهای حافظهدار به توانایی برگشت به شکل یا اندازه اولیه از پیش تعریف شده طی یک چرخه حرارتی اطلاق میشود. این آلیاژها گروه جدیدی از مواد هستند که قابلیت تبدیل انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی دارند و قادرند که با به خاطر سپردن شکل اولیه بعد از تغییر شکل به شکل اولیه خود بازگردند. اساس این پدیده در آلیاژهای حافظهدار مبتنی بر تغییر حالت مارتنزیتی است. پدیده حافظهداری را بدین صورت میتوان تعریف کرد که اگر نمونه در حالت کاملاً مارتنزیتی به مقدار معینی تغییر فرم داده شود با گرم کردن آن، برگشت به حالت آستنیتی، شکل نمونه به حالت اول باز میگردد. امروزه با گذشت بیش از شصت سال از نخستین پژوهش‌های علمی انجام‌شده دربارة آلیاژهای حافظهدار، شاهد کاربردهای بسیار وسیع این دسته از مواد در حوزه‌های گوناگون هستیم. اگرچه در ابتدا این کاربردها تنها به ساخت اتصالات و کوپلینگ‌ها، آن‌هم فقط در حوزه‌های نظامی منحصر می‌شد، اما امروزه در بسیاری از کاربردهای روزمره از جمله ساخت انواع قاب عینک، آنتن موبایل، شیر جلوگیری از سوختگی و دیگر کاربردهای صنعتی همچون شیرهای ایمنی اطفاء حریق و محافظ باتری لیتیومی از این آلیاژها استفاده میشود. در این تحقیق، به معرفی آلیاژهای حافظهدار و کاربرد آن پرداخته میشود.
کلید واژه: آلیاژ حافظهدار، حافظه شکلی، مارتنزیت[1]، آستنیت[2]، سوپرالاستیک[3]
مقدمه
آلیاژ حافظهدار[4]، اصطلاحاً نام دستهای از مواد محرک است. این مواد در مقایسه با سایر آلیاژها از خواص متمایزی برخوردارند. عکسالعمل شدید این دسته از مواد نسبت به برخی از پارامترهای ترمودینامیکی و مکانیکی و قابلیت بازگشت به شکل اولیه در اثر اعمال پارامترهای مذکور به گونهای است که میتواند رفتار سیستم را بهبود بخشد. هنگامیکه یک آلیاژ معمولی تحت بار خارجی بیش از حد الاستیک قرار میگیرد، تغییر شکل میدهد. این نوع تغییر شکل، پس از حذف بار باقی میماند. اما آلیاژهای حافظهدار، رفتار متفاوتی از خود نشان میدهد. این دسته از مواد در دماهای پایین، میتوانند تغییر شکل پلاستیک چند درصدی را تحمل کنند و سپس در دماهای بالا به صورت کامل به شکل اولیهی خود بازگردند. این در حالی است که در فرایند برگشت به شکل اولیه میتوانند نیروی زیادی تولید کنند؛ نیرویی که میتواند برای تحریک مفید واقع شود. به بیان دیگر، وقتی این مواد در معرض حرارت قرار میگیرند، لذا میتوان این مواد را در دماهای پایین تغییر شکل پلاستیک داد و با قرار دادن آنها در دماهای بالا، از قابلیت برگشت به حالت قبل از تغییر فرم آنها بهره برد.
آلیاژهای حافظهدار دارای دو فاز ثابت هستند. فاز در دمای بالا كه آستنیت نامیده میشود و ساختمان آن مكعبی بوده و به علت دارا بودن تقارن بالا محكمتر است. فاز با دمای پایین كه مارتنزیت نامیده میشود؛ شكل آن منوكلینیك بوده و نسبت به آستنیت تقارن كمتری دارد. فاز مارتنزیت از نوع فاز ترموالاستیك بوده و دارای دو خصوصیت لغزنده بودن و انرژی كم فصل مشترك است. رفتارآلياژهاي حافظهدار، براساس يك دگرگوني فازي و تغيير ساختار بلوري رخ مي‌دهد كه در آن، آلياژ از يك ساختار مستحكم و پايدار در دماي بالاتر (آستنيت)، به يك ساختار تغيير فرم پذير پايدار در دماي پايين‌تر (مارتنزيت)، تبديل مي‌گردد. ساختار مارتنزیتی در دمای پایین با افزایش دما به ساختار آستنیتی تبدیل می شود و در هنگام سرد کردن، فرآیند عکس رخ خواهد داد. هدف از این تحقیق، معرفی آلیاژهای حافظهدار و کاربردهای آن است.
2-تعریف آلیاژ حافظهدار
آلیاژ حافظهدار، گروهی از آلیاژهای فلزی هستند که این توانایی را دارند که اگر آنها را تا بالای دمای ویژهای گرم کنیم، قادر به بازیابی شکل اولیه خود خواهند بود. که میتوان از آن برای انجام آزمایشات سرگرم‌کننده استفاده کرد. به عنوان مثال، اگر شما یک فنر فلزی معمولی را از دو طرف بکشید تا صاف شود، راهی برای بازگشت فنر به شکل اولیه وجود ندارد. در حالی که یک فنر ساخته شده از فلز حافظهدار میتواند به راحتی به فرم مارپیچ خود با حرارت دادن تا دمای ۵۰ درجه سانتیگراد (توسط آب داغ یا هوای داغ تولید شده توسط سشوار) تبدیل شود( شکل 1). فلز حافظهدار را میتوان با یک نوار لاستیکی مقایسه کرد که میتواند به طور قابل توجهی کشیده شود بدون اینکه از شکل خارج شود. وقتی فنری از فلز حافظهدار ساخته میشود، قابلیت کشش و انبساط دارد و شبکه‌ی کریستالی قابل تغییر است بدون اینکه خراب شود. وقتی فنر تا دمای خاصی حرارت داده میشود، اتم‌های شبکه‌ی کریستالی مجدداً نظم و ترتیب اولیهی خود را به‌دست می‌آورند و فنر مارپیچ میشود. به عبارت دیگر فنر شکل اولیهی خود را به یاد می‌آورد.
شکل1-قابلیت بازگشت به فرم اولیه یک فنر دارای آلیاژ حافظهدار
3-تاریخچهی آلیاژهای حافظه دار
با گذشت زمان، علم و فناوری، تأثیر زیادی از مواد پیشرفته و جدید پذیرفته و در آینده نیز، بیش از پیش، تأثیر خواهد پذیرفت. در این میان، آلیاژهای حافظهدار، جایگاه ویژهای را به خود اختصاص دادهاند. این دسته از مواد، با قابلیتهای بینظیری که تاکنون از خود بروز دادهاند، فصل جدیدی را در فناوری پیشرفته و روز دنیا گشودهاند.
اولین مشاهدات ثبت شده در مورد پدیدهی حافظهداری به سال 1932 میلادی و در مورد آلیاژ Cu-Au برمیگردد. در سال 1938، پیدایش در آلیاژ Zn-Cu و پس از آن، از بین رفتن یک فاز معین در اثر کاهش و افزایش دما، گزارش شد. در نهایت، پایه و اساس رفتار حافظهداری و ترموالاستیک(کشسانی حرارتی) بین سالهای 1949 تا 1951 تشریح و تفسیر گردید. آلیاژهای نیکل و تیتانیوم برای اولین بار در سالهای ۱۹۶۲-۱۹۶۳ توسط بوهلر و همکارانش در آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی ایالات‌متحده توسعه یافته و نام تجاری نیتینول (مخفف نیکل تیتانیوم آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی) به خود گرفت. خواص قابل توجه این آلیاژ به طور 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 ببیند 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 توسعه یافته‌اند و از اواخر دهه ۱۹۹۰ به صورت تجاری در دسترس هستند. از آن زمان به بعد، این آلیاژها، به مرور، کاربردهای فراوانی یافتند، تا اینکه امروزه، ردپای این آلیاژها را در صنایع هوافضا تا صنایع پزشکی، خودروسازی و روباتیک، به وضوح می توان مشاهده نمود. در شکل 2 و 3، می توانید نظارهگر دو نمونه از کاربردهای آلیاژهای حافظهدار باشید.
شکل (2) شکل( 3)
شکل 2- استنت، نمونه ای از کاربرد آلیاژهای حافظه دار در علم پزشکی؛ شکل 3- ربات 60 میلی گرمی پرنده، نمونه ای از کاربرد آلیاژهای حافظه دار در علم روباتیک
4-بررسی ساختار آلیاژهای حافظهدار
نخستین تحقیقات در مورد آلیاژهای حافظهدار به سال 1950.م باز میگردد که طی آن محققان نیروی دریایی ایالات متحده امریکا، به پدیده حافظهداری در برخی از فلزات پایهی مسی پی بردند. مهمترین آلیاژ دارای چنین خاصیتی آلیاژ نیکل-تیتانیوم بود. اگرچه قبل از آن آلیاژ نقره-کادمیوم نیز دارای این اثر بود، اما تحقیقات به صورت بسیار جدی روی آلیاژ نیکل-تیتانیوم صورت گرفته که اصطلاحاً نایتینول[5] نام داشت. این نام، برگرفته از نام آلیاژ و نام خاستگاه انجام نخستین تحقیقات روی آن بوده است. برخی دیگر از آلیاژهای دارای این خاصیت عبارتاند از: مس آلومینیوم روی و مس آلومینیوم نیکل؛ این دو آلیاژ مصرف تجاری بیشتری دارند و در عین حال دارای خاصیت حافظهداری کمتری هستند. همچنین آلیاژهای نیکل تیتانیوم سرب و نیکل تیتانیوم زیرکونیم که این دو برخلاف دستهی قبلی مصرف تجاری کمتری دارند. چون نیکل و تیتانیوم، عناصر اصلی سازندهی نایتینول هستند، آشنایی با برخی از خواص آنها حائز اهمیت است. نیکل، رنگ سفید نقرهای براق دارد، فلزی است سمی و کشنده و از قابلیت پولیش خوبی برخوردار است. این فلز جزء فلزات غیرآهنی سنگین با جرم مخصوص 8900 کیلوگرم بر مترمکعب و نقطهی ذوب 1445 درجه سانتیگراد؛ در برابر خوردگی مقاوم است و جذب آهنربا میشود. موارد استفاده آن، شامل پوشش محافظ در آبکاری فلزات، تولید فولادهای آلیاژی و جزء اینهاست.
تیتانیوم نیز فلزی است نقرهفام مایل به خاکستری، جزء فلزات غیرآهنی محسوب میشود. جرم مخصوص آن 4500 کیلوگرم بر مترمکعب و نقطهی ذوب آن 1670 درجه سانتیگراد است. مقاومت در برابر خوردگی و سایش، همچنین استحکام زیاد آن موجب کاربرد در ساخت قطعات هواپیما، سفینههای فضایی و لوازم نظامی و جراحی شده است. آلیاژهای تیتانیومدار، فلز اصلی ساختمان هواپیمای فراصوت را تشکیل میدهند. تیتانیوم برخلاف نیکل در پزشکی بسیار مؤثر عمل میکند. همچنین با توجه به خواص بسیار خوب مکانیکی، برای اصلاح دندانهای کج و همچنین استخوانهای آسیب دیده کاربردهای فراوانی دارد. اخیراً نیز، آلیاژهای حافظهدار پایهی Si-Mn-Fe ، برای کاربردهای صنعتی به کار گرفته شدهاند. بدون شک، آلیاژهای پایهی Ni-Ti ، با وجود اثر حافظهداری مطلوبی که از خود نشان میدهند ، هزینهی بالای آنها، از به کارگیری بسیار زیاد آن برای استفادههای عملی، جلوگیری میکند. در این میان، آلیاژهای حافظهدار پایهی آهن، عموماً ارزانتر هستند و در دههی گذشته، به عنوان یک گزینه برای جانشین شدن به جای آلیاژهای حافظهدار، پایهی Ni-Ti ، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. به طور کلی، آلیاژهای پایهی آهن، دارای 4 خصوصیت مهم ذیل هستند:
1-قیمت پایین
2-کار پذیری خوب
3- ماشینکاری خوب
4- جوش پذیری خوب
توجه:
برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.
لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.
به منظور سفارش تحقیق مرتبط با رشته تخصصی خود بر روی کلید زیر کلیک نمایید.
سفارش تحقیق
دیدگاهها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.