آلیاژ حافظهدار
از ویکیپدیا، دانشنامهٔ آزاد.
در سال ۱۹۳۲ مشاهدات ثبت شده درباره پدیده حافظه داری شکلی توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذیری حافظه شکلی را در AuCd از طریق مطالعات فلز شناسی و تغییرات مقاومت آلیاژ ، بررسی کردند در سال ۱۹۵۶ مشاهدات و نتایج تحقیقات مربوط به تز دکترای Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلیاژCu-Zn منتشر شد. . در سال ۱۹۶۲ Buhler و همکارانش ،به بررسی پدیده حافظه داری شکلی در آلیاژ تیتانیم و نیکل که دارای اتمهای برابر میباشند پرداختند. در این هنگام تحقیق درباره متالورژی و کاربردهای عملی اولیه آن به طور جدی آغاز شد. در سال ۱۹۶۷ در کنفرانس Nol ،Buhler و همکارانش تحقیقات گسترده خود را بر روی Nitionol و کاربردهای تجاری فراوان در صنایع ارائه دادند . از جمله کاربردهای مطرح شده ساخت کوپلینگ توسط شرکت Raychem برای اتصال لولههای هیدرولیکی میباشد. که در صنایع هوایی و نیروی دریایی ایالات متحده و همچنین در حوزههای نفتی دریای شمال مورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۹۸۰ میلادی Micheal و Hawt با انتشار مقالهای از نتایج تحقیقات خودشان بر روی برنج آنرا به عنوان ماده جدید حافظه دار معرفی کردند.
[ویرایش] مقدمه
در پدیده حافظه داری، نمونه در حالت کاملاً مارتنزیتی به مقدار معینی تغییر فرم داده میشود سپس با گرم کردن نمونه و برگشت آن به حالت آستینی، شکل نمونه نیز به حالت اول خود بر گردد .
شکل (۱) سیکل حرارتی مکانیکی توصیف کننده پدیده حافظه داری شکلی
شکل(۱) چگونگی پدیده حافظه داری شکل را با تبدیل دو فاز آستنیت و مارتنزیت به یکدیگر نشان میدهد. بررسی بر روی تغییر حالت متالورژیکی نمونه جامد ، تغییر آرایش اتمها بدون هیچگونه تغییری در ترکیب شیمیایی فاز زمینه را نشان میدهد. این 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 تنها عامل پیشرفت این تغییر نشان داد.
۱- تغییر حالتهای مارتنزیتی و پدیده حافظه دار شدن: تغییر حالت متالورژیکی جامدات از دو طریقه زیر امکان پذیر است . ۱) حرکت و جابجایی اتمها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغییر در ترکیب شیمیایی فاز جدید نسبت به زمینه قبلی. ۲) تغییر آرایش اتمی به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگی به زمان و هیچگونه تغییری در ترکیب شیمیایی فاز جدید نسبت به زمینه قبلی . تغییر حالتهای مارتنزیتی به طریقه دوم مرتبط است و دارای مشخصات زیر است: ۱) تغییر مکان به صورت شبه برشی میباشد و در آن اتمها به صورت هماهنگ و گروهی جابجا میشود. ۲) دیفوزیون اتمی در آن اتفاق نمیافتد. رفتار حافظه دار شدن کاملاً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتمهای آلیاژ نباید به هم بخورد.
۲- کریستالوگرافی مارتنزیتی: تغییر حالت تبدیل آستنیت به مارتنزیت از لحاظ کریستالوگرافی در سه مرحله قابل بررسی است . ۱- تغییر فرم شبکهای ۲- برش ناهمگن ۳- دوران شبکهای فرآیند تبدیل آستنیت به مارتنزیت در مرحله تغییر فرم شبکهای در شکل ۲ نشان داده شدهاست . در این مرحله اتمها با جابه جایی جزئی و هماهنگ، پیشروی فصل مشترک از هر لایه اتمی را موجب میشوند.
باید توجه داشت پدیده حافظه داری بدون تغییر حجم و تغییر شکل امکان پذیر بوده و برش ناهمگن توجیه کننده این مطالب میباشد. برش ناهمگن در مارتنزیت به دو طریق امکان پذیر است : ۱) مکانیزیم لغزش یافتن صفحات اتمی ۲) مکانیزیم تشکیل دوقلوییها
تصاویر نشان داده شده چگونگی انطباق فاز مارتنزیت بر فاز آستنیت را در هنگام جابجایی جزیی و گروهی اتمها با حفظ شبکه کریستالی نشان میدهد. باید توجه داشت که لغزش صفحات اتمی به علت شکسته شدن باندهای اتمی بعنوان مکانیزیم تغییر فرم پلاستیک دائم محسوب میشود، در صورتی که در مکانیزیم دو قلویی به علت انرژی پایین مرز دوقلویی و برخورداری از تحرک و لغزندگی نسبی تغییر فرم غیر دائم است. در آلیاژهای حافظه دار ، کرنشهای ناشی از تغییر حالت در اثر تشکیل یک جفت از دوقلوییهای دو طرف مرز ذخیره سازی میشوند و برای برگشت پذیری از آن استفاده میشود.
شکل ۴) مرز دوقلویی را نمایش میدهد و هر یک از دوقلوییهای دو طرف مرز دوقلویی یک وا ریانت را شامل میشود. در صورت وارد کردن تنش برشی به مرز دو قلویی باعث حرکت یکی از واریانتها شده و واریانت دیگری حذف میشود.(شکل ۴ ،B) این روند میتواند تا تبدیل تمامی واریانت به یک واریانت واحد ادامه یابد(شکل ۴، C) . بررسی پدیده حافظه داری در تک کریستال آستنیت در شکل ۵ نمایش داده شدهاست.
مرحله اول همانطور که از شکل پیداست بعد از سرد کردن کریستال در زیر دمای Mf واریانتهای A و B و C و D تشکیل میشوند مرحله دوم با وارد کردن تنش به کریستال ، واریانتها شروع به حرکت و حذف شدن میکنند تا واریانت واحد A تشکیل گردد. حین تشکیل واریانت واحد A کرنشهایی در جهت واریانتA ذخیره میشود. مرحله سوم مربوط به حرارت دادن کریستال نمونه برای تبدیل مارتنزیت به آستینت میباشد از آنجاییکه کرنشها تنها در جهت واریانت A ذخیره شدهاند، پس تنها مسیر برای برگشت پذیری، واریانت A میباشد و نمونه به شکل اولیه خود باز میگردد.
۳- رفتار ترمومکانیکی: آلیاژهای حافظه دار در درجه حرارتهای مختلف دارای خصوصیات مکانیکی بسیاری میباشند در شکل ۶ منحنیهای ساده تنش - کرنش برای آلیاژ تیتانیم- نیکل مشاهده میشود. آلیاژ در دماهای پایین ، متوسط و بالای دمای استحاله مورد آزمایش قرار گرفتهاست. تغییر شکل در مارتنزیت با چند در صد کرنش و تنش فشاری نسبتاً کم دیده میشود . در حالیکه آستنیت در درجه حرارت بالا نیاز به تنش نسبتا زیادی برای تغییر شکل دارد. خط چین روی منحنی مارتنزیت نمایانگر برگشت پذیری آلیاژ بعد از برداشتن تنش وارد شده بعد از گرم کردن نمونه و تبدیل به فاز آستنیت میباشد ولی چنانچه که مشاهده میشود در منحنی مربوط به آستینت با برداشتن تنش و گرم کردن نمونه امکان برگشت پذیری وجود ندارد.
۴- خاصیت ارتجاعی کاذب: خصوصیت جالب توجه درباره منحنی تنش - کرنش درقسمت منحنی C دیده میشود.به طوری که پس از حرارت دادن نمونه کمی بالاتر از درجه حرارت انتقال ، در درجه حرارت بالای Af به نمونه در فاز مارتنزیت تنش وارد میشود. با افزایش مقدار تنش ، تغییر شکل نیز به صورت یکنواخت افزایش مییابد (منحنی AB). در این هنگام رفتار تغییر شکل و تنش پایداری مشاهده میشود با کاهش تنش( منحنی (CD مارتنزیت به آستینت تبدیل میشود باید توجه داشت که برگشت پذیری انجام شده به خاطر تغییر حرارت نمونه نمیباشد و دلیل آن کاهش فشار است. این پدیده را که موجب میشود آلیاژ خاصیت کشسانی نامحدود پیدا کند به عنوان خاصیت ارتجاعی کاذب نامیده میشود.
[ویرایش] اثر حافظه دار یک طرفه و دو طرفه
[ویرایش] اثر حافظه دار یک طرفه :
در صورتیکه اثر حافظه داری فقط بعد از تغییر شکل در حالت مارتنزیتی و سپس در سیکل گرم کردن مشاهده شود به آن اثر حافظه یک طرفه گفته میشود. این بدان معنی است که در این حالت تغییر شکل ایجاد شده ، فقط با گرم کردن به حالت اولیه قبل از تغییر شکل باز میگردد و چنانچه جسم را دوباره سرد کنیم تغییری در شکل آن حاصل نمیشود این خصوصیت در شکل شماره ۷ نمایش داده شدهاست.
همانطور که در تصویر مشاهده میشود ابتدا فنر در دمای Mf به مقدار معینی تغییر فرم داده میشود به صورتیکه تغییر فرم دائمی در آن باقی بماند حال اگر فنر تغییر فرم داده شده را تا دمای Af حرارت دهیم مجدداً به شکل اولیه خود بر میگردد و در سیکل سرد شدن تا دمای Mf هیچگونه تغییر شکلی در فنـــر مشاهده نمیشود. .
ب)اثر حافظه دار دو طرفه : برگشت پذیری به حالت اولیه خود در اثر سرد و گرم کردن آلیاژهای حافظه دار دو طرفه در بازه معینی از دما امکان پذیر است . در شکل ۸ یک فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به صورت باز شده در حالت آستینی و شکل جمع شده در حالت مارتنزیتی نشان داده شدهاست.
همانطور که مشاهده میشود اگر فنر گرم شود باز شده و در سیکل سرد شدن مجدداً به شکل جمع شده در میآید. باید توجه داشت که آلیاژهای حافظه دار برای اینکه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان دهند نیاز به انجام عملیات ترمومکانیکی خاصی بر روی آنها میباشد. ۶- ساخت آلیاژهای حافظه دار : روشهای اصلی ساخت آلیاژهای حافظه دار در دو گروه عمده قابل بررسی است: الف) ساخت آلیاژ به طریقه ذوب و ریخته گری با استفاده از کورههای القایی و کورههای مقاومتی ب) ساخت آلیاژ به طریقه متالورژی پودر برای تولید آلیاژهای حافظه دار درتناژهای بالا و تجارتی ، از روش ذوب و ریخته گری استفاده میشود.
۷-کاربرد آلیاژهای حافظه دار درمهندسی پزشکی: کاربرد پزشکی آلیاژهای حافظه دار به عنوان یک عملگر با اثر باقیمانده در داخل بدن قابل بررسی است آلیاژی که در بدن افراد برای بهبود رفتار بالینی اعضای آنها بکار گرفته شدهاست نباید مولد هیچ گونه حساسیتی باشد علاوه بر آن آلیاژ بکارگرفته شده نباید به صورت ذراتی از یون آن ماده وارد خون شخص گیرنده این گونه آلیاژها شود. جنبههای متعددی شامل شاخصهای مزاجی افراد همچون سن ، قوای بدن و سلامتی و خصوصیات شیمیایی مواد همانند خوردگی ، تخلخل پذیری سطح ، تأثیرات سمی و عناصر موجود در مواد به منظور پذیرش مواد مذکور در بدن افراد باید مورد بررسی قرار گیرند. تحقیقات متعددی در مورد تولید و بکارگیری آلیاژهای حافظه دار با کاربرد پزشکی با پایه عنصری Ni-Ti انجام پذیرفتهاست . این تحقیقات نشان میدهد که آلیاژNi-Ti در کاربرد و استفاده، نسبت به بقیه آلیاژها از موقعیت خوبی برخوردار است. تحلیل خواص آلیاژ Ni-Ti با بررسی خواص جداگانه نیکل و تیتانیم امکان پذیر است . نیکل رنگ سفید نقرهای براق دارد و فلزی است سمی ، شکننده که از قابلیت پولیش خوبی برخوردار است این فلز جز ء فلزات غیر آهنی سنگین با جرم مخصوKg/dm۳ ۹/۸ و نقطه ذوب ۱۴۵۵ میباشد و در مقابل خوردگی بسیار مقاوم بوده و به وسیله آهن ربا جذب میشود. همچنین در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبی نشان میدهد موارد استفاده آن شامل پوشش محافظ در آبکاری فلزات ، تولید فولادهای آلیاژی و غیره میباشد. تیتانیم فلزی است نقره فام مایل به خاکستری و جزء فلزات غیر آهنی سبک است و جرم مخصوص آنKg/dm۳ ۵/۴ و نقطه ذوب آن ۱۶۷۰ میباشد. مقاومت در مقابل خوردگی و سایش و استحکام زیاد آن موجب کاربرد در ساخت قطعات هواپیما ، سفینه فضایی ، لوازم نظامی و جراحی شدهاست. آلیاژهای تیتانیم دار فلز اصلی ساختمان هواپیمای مافوق صوت را تشکیل میدهد . تیتانیوم بر خلاف نیکل در پزشکی بسیار مؤثر عمل میکند ، علاوه بر این با توجه به خواص بسیار خوب مکانیکی برای اصلاح دندانهای کج و همچنین ترمیم استخوانهای آسیب دیده کاربرد فراوان دارد. بررسی تحقیقات خواص بالینی آلیاژ Ni-Ti چگونگی کنترل مقاومت در مقابل خوردگی و عوامل خارجی مؤثر بر این آلیاژ را نشان میدهد.
۸-موارد استفاده پزشکی از آلیاژ Ni-Ti: الف) کاربردهای مربوط به قلب و عروق فیلتر سیمون نسل جدیدی از وسایل استفاده شده برای جلوگیری از انسداد جریان خون میباشد افرادی که قادر به استفاده از داروهای ضد انعقاد خون نمیباشند، استفاده کنندههای اصلی این فیلتر میباشند. هدف استفاده از این وسیله تصفیه خون داخل رگ میباشد و فیلتر سیمون کمک میکند لختههای بوجود آمده در خون حل شود. اما نصب فیلتر در داخل بدن اشخاص با به کار گیری از تأثیرات آلیاژهای حافظه دار امکان پذیر است برای این منظور فیلتر رابا تغییر شکل برروی سوند قرار میدهند.جریان محلول نمکی در داخل سوند موجب تثبیت دمای فیلتر با درجه حرارت معمولی میشود و زمانی که فیلتر در محل تعیین شده قرار گرفت با توقف جریان محلول نمکی در داخل سوند درجه حرارت بالا میرود و فیلتر تغییر شکل داده شده به شکل اصلی (اولیه) خود بر میگردد در این زمان فیلتر از نوک سوند نیز جدا شدهاست.
مسدودکننده سوراخ دیواره دهلیزی: از این وسیله برای مسدود کردن سوراخ دیواره دهلیزی که بین دو دهلیز چپ و راست ایجاد میشود استفاده میگردد.
باید توجه داشت وجود این سوراخ غیر عادی است و امید ادامه زندگی را برای افراد کاهش میدهد در روش جراحی معمول ، رفع این عیب مستلزم شکافتن سینه بیماروسپس عمل بخیه کردن سوراخ صورت میگیرد ، که به طور طبیعی خطرات ناشی از عمل جراحی و همچنین امکان بروز حوادث غیر منتظره در حین جراحی اجتناب ناپذیر بوده و راه حل آن استفاده از اثر آلیاژهای حافظه دار میباشد. این وسیله از سیمهایی با خاصیت حافظه داری و فیلم ضد آب که روی آن نصب شدهاست، تشکیل میشود. برای نصب این وسیله در داخل قلب ابتدا نیمه اول آن وارد بطن چپ شده وبه شکل اولیه خود بر میگردد و در ادامه نیمه دوم که در بطن راست قرار میگیرد تغییر شکل یافته ، به شکل اولیه خود بر میگردد. در انتها هر دو نیمه به دیواره بطنی متصل شدهاند . به طوری که از ورود جریان خون از دو بطن به یکدیگر جلوگیری میشود.
استنتهای باز شونده خودکار نیز از جمله وسایل مهمی است که در حفظ قطر داخلی رگهای تنگ شده و کاهش قطر و بسته شدن آنها کاربرد دارد . استنتها به شکل استوانههای توری ساخته میشوند و متناسب بانوع و محل کاربرد دارای اقطار متفاوتی میباشند(شکل ۱۲) .
از جمله محلهای مورد استفاده از استنتها سرخرگ ، سیاهرگ، رگهای خونی ،مجاری ، صفراوی و مری میباشد. برای نصب در داخل عروق ابتدا فاز مارتنزیتی از شکل اصلی به حالت متراکم شده تبدیل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شکل خود بر میگردد. ب) کاربردهای ارتوپدی از آلیاژهای حافظه دار (SMA) به عنوان فضا گیر یا spacer بین مهرههای ستون فقرات در حین عمل جراحی استفاده میشود که موجب استحکام ما بین دو مهره در حین بهبودی بعد از تغییر شکل ایجاد شده در جراحی اسکولیدز میشود .در شکل ۱۳B- سمت چپ مهره تغییر شکل یافته در فاز مارتنزیتی است که پس از جایگزینی در محل مورد نظر به حالت سمت راستی (شکل اولیه ) بر میگردد.
ترمیم و بهبود شکستگی استخوان از دیگر کاربردهای ارتوپدی آلیاژهای حافظه دار میباشد. انواع مختلفی از بستهای با خاصیت حافظه داری در ترمیم شکستگی یا ترک استخوان ساخته شدهاست. بستها به صورت باز شده در محل شکستگی یا ترک معمولاً پیچ شوند. با کمک گرما بستها به گونهای تغییر شکل مییابند که دو طرف شکستگی یا ترک را با هم یکی کرده و میفشرند. گرمای ایجاد شده را میتوان به کمک یک وسیله خارجی به آلیاژ منتقل کرد. نیروی ایجاد شده در اثر تغییر شکل آلیاژ به بهبود سریعتر شکستگی یا ترک میانجامد (شکل ۱۴ و ۱۵) .
عموماً از این بستها در مواقعی استفاده میشود که محل شکستگی یا ترک را نتوان گچ گرفت، مانند نواحی صورت شامل، بینی ، فک و حفره چشم از جمله محلهای مورد کاربرد میباشند. از دیگر کاربردهای ارتوپدی اثرات آلیاژهای حافظه دار در فیزیوتراپی عضلات ضعیف میباشد . تصویر ۱۶ دستکشی را نشان میدهد که سیمهایی باخاصیت حافظه داری بر روی ناحیه انگشتان دستکش واقع شدهاست. که موجب تقویت حرکت عضلات و برقراری دامنه مناسب حرکات مفصلی با استفاده از خاصیت حافظه داری سیمهای دستکش استفاده میشود به طوریکه با گرم کردن سیم طول سیمها کوتاه شده و انگشتان به داخل خم میشوند و با سردکردن طول سیمها زیاد شده و انگشتان کاملاً کشیده میشوند . این پدیده برای به کار انداختن مفاصل نیمه ثابت استفاده میشود.
ج) کاربرد آلیاژهای حافظه دار در وسایل جراحی در راستای تولید وسیع ابزارهای جراحی در سالهای اخیر ابزارهای جراحی حافظه دار قابل توجهی تولید شدهاست که به شرح تعدادی از آنها پرداخته میشود. ۱- سبد حافظه دار برای خارج کردن سنگهای مثانه و صفراوی مورد استفاده قرار میگیرد. مراحل نصب آن شبیه فیلتر سایمون مـی باشد که در شکل ۱۷ آورده شدهاست.
کاربرد پمپ بالونی داخل آئورت شکل ۱۸ برای جلوگیری از مسدود شدن رگهای خونی در هنگام آنژیوپلاستی میشود این وسیله داری تیوب با اثر حافظه داری است وعملکرد آن با مواد پلی مری که خاصیت ارتجاعی دارند قابل مقایسهاست. شکل ۱۹ انواع انبرکهای شامل انبرکهای قیچی دار و پنس مورد استفاده در لاپاراسکوپی را نشان میدهد. دقت و نرمی در حرکت از جمله خصوصیات این ابزار میباشد.
۹-نتیجه گیری: ۱-تغییر حالت مارتنزیتی به طریقه دوم تغییر حالت متالورژیکی جامدات مربوط بوده و در آن تغییر آرایش اتمی بدون هیچ وابستگی به زمان و تغییری در ترکیب شیمیایی فاز جدید، به صورت هماهنگ و وابسته به دما انجام میگیرد. ۲-رفتار حافظه دار شدن با تغییر مکان به صورت شبه برشی امکان پذیر میباشد که در آن اتمها به صورت هماهنگ و گروهی جابجا میشوند. ۳-مکانیزم دوقلویی در برش ناهمگن توجیه کننده چگونگی حافظه دار شدن آلیاژنمونه بدون تغییر درحجم نمونه اولیهاست. ۴-در رفتار ارتجاعی کاذب، آلیاژ خاصیت کشسانی نامحدودی پیدا میکند. ۵-اثر حافظه داری به دو صورت یک طرفه و دو طرفه در آلیاژهای حافظه دار قابل بررسی است. ۶- آلیاژهای حافظه دار به دو روش ۱-روش ذوب و ریخته گری ۲- متالورژی پودر ساخته میشوند. ۷-آلیاژهای NiTi به دلیل داشتن ویژگیهایی همچون مقاومت در مقابل خوردگی ،سازگاری زیستی بالا، قابلیت تولید در اندازههای خیلی کوچک ، خاصیت ارتجاعی بالا و تولید نیرو در تجهیزات مهندسی پزشکی کاربرد فراوان دارند.