وبسایت رسمی شرکت میهن فولاد
۱۴۰۳ ۱۱ ۰۸
۰ دیدگاه
12 دقیقه
نویسنده: کیمیا حسینی
آلیاژ حافظه دار چیست؟
مواد تشکیل‌دهنده آلیاژ حافظه دار
تاریخچه ساخت آلیاژ حافظه دار
دو ساختار کریستالوگرافی مواد حافظه دار
روش ساخت آلیاژ حافظه دار
انواع آلیاژ حافظه دار بر اساس نوع محرک
خواص آلیاژ حافظه دار چیست؟
معایب آلیاژ حافظه دار
کاربرد آلیاژ حافظه دار در صنایع مختلف
کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار SMA در ساختمان‌سازی
مزایای استفاده از SMA در ساختمان‌سازی
سوالات متداول
مطلب مفیدی بود
چاپ مطلب
اشتراک گذاری مطلب
در دنیای مواد، متریال‌هایی وجود دارند که می‌توان آن‌ها را تغییر شکل داد و با حرارت آن را به حالت اولیه خود برگرداند. این آلیاژهای فلزی، با خاصیت خارق‌العاده‌ی تغییر شکل و بازگشت به فرم از پیش تعیین‌شده در اثر تغییرات دما، تحول بزرگی در صنایع مختلف پزشکی، هوافضا، رباتیک و خودروسازی ایجاد کرده‌اند. این رفتار، ناشی از ساختار کریستالی و قابلیت تغییر فاز این مواد است. در ادامه، بیشتر در مورد سوال آلیاژ حافظه دار چیست، صحبت خواهیم کرد. با میهن فولاد همراه باشید.
آلیاژ حافظه دار چیست؟ دسته‌ای از متریالی هستند که قابلیت فوق‌العاده‌ی به‌یادآوری شکل اولیه‌ی خود را دارند. این آلیاژها می‌توانند پس از تغییر شکل در اثر اعمال تنش یا حرارت، با برگشت به شرایط اولیه، شکل از پیش تعیین شده‌ی خود درآیند. این پدیده، به اثر حافظه‌ی شکلی معروف است.
این مواد یا به اصطلاح آلیاژ هوشمند، می‌تواند بین دو ساختار کریستالی مختلف به نام‌های مارتنزیت و آستنیت تغییر فاز دهد. در دمای پایین، فاز مارتنزیت غالب است و آلیاژ می‌تواند به راحتی تغییر شکل دهد. با افزایش دما و رسیدن به دمای تبدیل، فاز آستنیت شروع به تشکیل می‌کند و آلیاژ به شکل اولیه‌ی خود بازمی‌گردد. این تغییر فاز برگشت‌پذیر است و می‌تواند با کاهش دما مجدداً به فاز مارتنزیت و شکل تغییر یافته برگردد.
آلیاژ حافظه دار معمولاً از دو یا چند فلز مانند نیکل و تیتانیوم (نیتینول)، مس و آلومینیوم یا مس و روی تشکیل می‌شود. نسبت این عناصر و افزودن عناصر آلیاژی دیگر، می‌تواند خواص حافظه‌ی شکلی، دمای تبدیل و خواص مکانیکی آلیاژ را تغییر دهد.
مواد تشکیل‌دهنده آلیاژ حافظه دار چیست؟ دو دسته‌ی اصلی از این آلیاژها، بر پایه‌ی نیکل-تیتانیوم (نیتینول) و مس هستند. نیتینول، شناخته‌شده‌ترین مواد حافظه دار، از ترکیب تقریباً برابر نیکل و تیتانیوم تشکیل می‌شود. این آلیاژ به دلیل خواصی که دارد، مانند حافظه‌ی شکلی قوی، مقاومت در برابر خوردگی و زیست‌سازگاری مناسب، در کاربردهای پزشکی، هوافضا و رباتیک بسیار مورد توجه قرار گرفته است. دسته‌ی دیگر، آلیاژهای پایه‌ی مس، معمولاً شامل مس، آلومینیوم و نیکل یا مس، روی و آلومینیوم هستند. این آلیاژها نسبت به نیتینول ارزان‌تر هستند، اما خواص حافظه‌ی شکلی ضعیف‌تری دارند.
علاوه‌بر این دو دسته‌ی اصلی، آلیاژ حافظه دار پایه‌ی آهن (Fe-SMA) نیز وجود دارد که در صنعت ساختمان کاربرد دارد. این آلیاژها بیشتر شامل آهن، منگنز و سیلیسیوم هستند و به دلیل هزینه‌ی پایین و مقاومت مکانیکی خوب، در کاربردهای ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تاریخچه‌ی آلیاژ حافظه دار به دهه‌های پیش بازمی‌گردد و با کشف رفتار غیرمعمول برخی آلیاژها آغاز شد. این مواد با قابلیت خود در تغییر شکل و بازگشت به حالت اولیه، توجه دانشمندان را به خود جلب کردند. اولین مشاهده‌ی اثر حافظه‌داری در سال 1932 در آلیاژ طلا-کادمیم گزارش شد. این آلیاژ می‌توانست در دمای پایین خم شود و با گرم شدن به شکل اولیه‌ی خود بازگردد. با این حال، این کشف در آن زمان توجه زیادی را به خود جلب نکرد.
سال‌ها بعد، در 1962، ویلیام بولر و فردریک وانگ در آزمایشگاه نیروی دریایی ایالات متحده، آلیاژ نیکل-تیتانیوم (نیتینول) را کشف کردند. این آلیاژ قابلیت بازگشت به شکل اولیه پس از تغییر شکل را داشت و به سرعت به عنوان یک متریال خاص شناخته شد. نیتینول به عنوان اولین آلیاژ حافظه دار تجاری موفقیت بسیاری کسب کرد و راه را برای تحقیقات بیشتر در این زمینه هموار ساخت.
پس از معرفی نیتینول، انواع دیگری از آلیاژ حافظه دار مانند آلیاژهای مس و آلومینیوم نیز توسعه یافت. برخی از این آلیاژها حتی می‌توانند دو شکل مختلف را به خاطر بسپارند و با اعمال محرک مناسب بین این دو شکل سوئیچ کنند. این آلیاژها به آلیاژهای حافظه‌دار دوطرفه معروف هستند.
مارتنزیت و آستنیت با تغییر دما، ساختار آلیاژ را تغییر می‌دهد و باعث پدیده‌ی حافظه‌ی شکلی می‌شوند. فاز مارتنزیت، ساختار کریستالی در دمای پایین است. در این فاز، آلیاژ نرم و انعطاف‌پذیر بوده و می‌توان آن را به راحتی تغییر شکل داد. این تغییر شکل در فاز مارتنزیت حتی پس از برداشتن نیروی خارجی، قابل حفظ است.
با افزایش دما و رسیدن به دمای تبدیل، فاز مارتنزیت به فاز آستنیت تغییر می‌کند.
همچنین، آستنیت، ساختار کریستالی پایدار در دمای بالا است. در این فاز، آلیاژ به شکل اولیه‌ی به‌یاد مانده‌ی خود بازمی‌گردد. این شکل، شکلی است که آلیاژ در فاز آستنیت به خود می‌گیرد. در واقع، تغییر فاز برگشت‌پذیر است و با کاهش دما، آلیاژ مجدداً به فاز مارتنزیت و شکل تغییر یافته بازمی‌گردد. این چرخه‌ی تغییر فاز بین مارتنزیت و آستنیت، اساس عملکرد آلیاژهای حافظه‌دار است.
حال که با پاسخ سوال آلیاژ حافظه دار چیست، آشنا شدید، به روش ساخت آن می‌پردازیم. تولید آلیاژهای حافظه‌دار، معمولاً با ذوب فلزات تشکیل‌دهنده‌ی آلیاژ در کوره‌های مخصوص، مانند کوره قوس خلا یا کوره القایی، آغاز می‌شود. پس از ذوب و حصول ترکیب مطلوب، مذاب به داخل قالب ریخته می‌شود تا شمش آلیاژ تشکیل شود. شمش حاصل سپس تحت عملیات مکانیکی مانند نورد گرم و کشش قرار می‌گیرد تا به شکل مورد نظر، مانند سیم، ورق یا میله، تبدیل شود. این عملیات مکانیکی نه تنها شکل آلیاژ را تغییر می‌دهند، بلکه بر ساختار داخلی و خواص آن نیز تأثیر می‌گذارند.
مرحله‌ی بعدی و بسیار مهم در ساخت آلیاژهای حافظه‌دار، آموزش آلیاژ است. در این مرحله، آلیاژ در دمای مشخصی حرارت داده می‌شود تا ساختار کریستالی آن به حالت مطلوب برسد و شکل حافظه در آن ثبت شود. این دما باید به دقت کنترل شود زیرا دمای بسیار بالا می‌تواند به تبلور مجدد و از بین رفتن خواص حافظه‌ی شکلی منجر شود. پس از حرارت دهی، آلیاژ به سرعت سرد می‌شود (کوئنچ) تا ساختار حاصل ثابت شود. این فرایند آموزش، آلیاژ را قادر می‌سازد تا در دمای مناسب، به شکل از پیش تعیین شده بازگردد.
از سوال‌های پرتکرار بعدی این است که انواع آلیاژ حافظه دار چیست؟ درواقع، انواع مختلفی از آلیاژهای حافظه‌دار بر اساس نوع محرک وجود دارند که عبارتند از:
این نوع آلیاژ، با تغییر دما فعال می‌شود. در دمای پایین، آلیاژ در فاز مارتنزیت قرار دارد و می‌توان آن را به راحتی تغییر شکل داد. با افزایش دما و رسیدن به دمای تبدیل، فاز آستنیت شروع به تشکیل می‌کند و آلیاژ به شکل اولیه‌ی خود بازمی‌گردد. این رفتار به حافظه‌ی شکلی یک‌طرفه معروف است. برخی از آلیاژهای SMA می‌توانند در هر دو فاز مارتنزیت و آستنیت شکل خاصی را به خاطر بسپارند که به آن حافظه‌ی شکلی دوطرفه می‌گویند.
در این نوع آلیاژ، محرک اصلی تنش مکانیکی است. آلیاژهای SEA می‌توانند تحت تأثیر تنش، کرنش‌های بزرگی را تحمل کنند و پس از برداشتن تنش، به شکل اولیه‌ی خود بازگردند. این رفتار به دلیل تغییر فاز بین مارتنزیت و آستنیت ناشی از تنش است. به عبارت دیگر، این آلیاژها در دمای ثابت، با اعمال و برداشتن تنش، بین دو فاز کریستالی سوئیچ می‌کنند و شکل خود را بازیابی می‌کنند.
این نوع آلیاژ با اعمال میدان مغناطیسی فعال می‌شود. MSMA ها می‌توانند تحت تأثیر میدان مغناطیسی تغییر شکل دهند و با برداشتن میدان، به شکل اولیه بازگردند. این آلیاژها معمولاً از ترکیباتی مانند نیکل، منیزیم و گالیوم ساخته می‌شوند. تغییر شکل در این آلیاژها به دلیل پدیده‌ی مگنتواستریکشن است که در آن، ابعاد متریال در پاسخ به میدان مغناطیسی تغییر می‌کند.
پیش‌تر اشاره شد که یکی از مهم‌ترین خواص آلیاژهای حافظه‌دار، اثر حافظه‌ی شکلی است. این خاصیت در مواردی مانند عملگرها، حسگرها و ابزارهای پزشکی بسیار کاربردی است. دیگر ویژگی مهم این آلیاژها، سوپرالاستیسیته است. آلیاژهای سوپر الاستیک می‌توانند کرنش‌های بسیار بزرگی را بدون تغییر شکل دائمی تحمل کنند. این خاصیت در ساخت فریم عینک، سیم ارتودنسی و سایر کاربردهایی که نیاز به انعطاف‌پذیری بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در مقایسه با فولاد، آلیاژهای حافظه‌دار استحکام تسلیم کمتری دارند. با این حال، برخی از این آلیاژها استحکام تسلیم بالاتری نسبت به پلاستیک و آلومینیوم دارند. برای مثال، استحکام تسلیم آلیاژ نیکل-تیتانیوم می‌تواند به ۵۰۰ مگاپاسکال برسد.
یکی دیگر از مزایای آلیاژهای حافظه‌دار، قابلیت بازیابی کرنش پلاستیک بالای آن‌هاست. برخی از این آلیاژها می‌توانند کرنش پلاستیک بیش از ۸ درصد را بدون آسیب دائمی بازیابی کنند. اگرچه این مقدار برای فولاد حدود ۰.۵ درصد است. این موضوع، باعث می‌شود آلیاژ حافظه دار در کاربردهایی که نیاز به تغییر شکل‌های بزرگ و برگشت‌پذیر دارند، مناسب باشد. با این حال، هزینه‌ی بالای این آلیاژها و فرایند ساخت آن‌ها، استفاده از آن‌ها را به کاربردهای خاص محدود می‌کند.
معایب آلیاژ حافظه دار چیست؟
احتمالا برای شما هم سوال شود که کاربرد آلیاژ حافظه دار چیست؟ برخی از کاربردهای صنعتی این آلیاژها شامل:
در صنعت هوافضا، از آلیاژهای حافظه‌دار برای ساخت قطعات متحرک و کنترل سطح هواپیماها و ماهواره‌ها استفاده می‌شود. این آلیاژها می‌توانند با تغییر دما، شکل خود را تغییر دهند و باعث تنظیم سطح کنترل و بهبود عملکرد آیرودینامیکی شوند.
در سیستم‌های سوپاپ، تزریق سوخت و کنترل ارتعاش استفاده می‌شود. این آلیاژها می‌توانند با تغییر دما یا تنش، شکل و ابعاد خود را تغییر دهند و باعث بهتر شدن عملکرد سیستم‌های خودرو شوند.
در رباتیک، از آلیاژهای حافظه‌دار برای ساخت ماهیچه‌های مصنوعی و مفاصل ربات‌ها استفاده می‌شود. این آلیاژها می‌توانند با اعمال جریان الکتریکی یا تغییر دما، منقبض و منبسط شوند و حرکت مورد نظر را ایجاد کنند.
در صنعت عمران، از آلیاژهای حافظه‌دار برای تقویت بتن و ساخت اتصالات در پل‌ها و ساختمان‌ها استفاده می‌شود. این آلیاژها می‌توانند در صورت اعمال بار اضافی، شکل خود را تغییر دهند و باعث جذب انرژی و کاهش آسیب به سازه شوند.
در خطوط لوله، از آلیاژهای حافظه‌دار برای ساخت اتصالات هرمتیک استفاده می‌شود. این اتصالات می‌توانند با تغییر دما، منبسط یا منقبض شوند و باعث آب‌بندی کامل اتصال شوند.
آلیاژهای حافظه‌دار می‌توانند به عنوان جایگزینی برای عملگرهای سنتی مانند سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک استفاده شوند. این آلیاژها کوچک‌تر، سبک‌تر و کم‌صدا هستند و می‌توانند در کاربردهایی که فضای محدود یا دقت بالا نیاز است، مورد استفاده قرار گیرند.
در پایان، به صورت کامل به سوال آلیاژ حافظه دار چیست پاسخ دادیم. انواع آن براساس نوع محرک را شرح دادیم. همچنین، کاربردهای مختلف آن را نیز ذکر کردیم. شما می‌توانید برای دریافت مشاوره تخصصی و یا حتی استعلام قیمت انواع فولاد آلیاژی با کارشناسان ما تماس بگیرید.
بخش های مرتبط:
۰نظر ارسال شده است
نظر خود را در مورد مطلب آلیاژ حافظه دار چیست؟ انواع + کاربردهای آن بنویسید
