آلیاژ حافظه‌دار چیست؟ کاربرد، انواع و فرآیند تولید

آلیاژ حافظه‌دار چیست؟ درواقع به آلیاژهایی که در طول یک فرآیند چرخه حرارتی، دوباره شکل اولیه خود را بازیابی کنند، آلیاژ حافظه‌دار یا SMA نامیده می‌شوند. SMA در زبان انگلیسی، مخفف عبارت Shape memory alloys محسوب می‌شود.

آلیاژهای این دسته، آلیاژهایی هستند که بنا به روش تولید خود، تحت تاثیر حرارت یا تنش، ساختار کریستالوگرافی‌شان تغییر کرده و به همین دلیل به شکل اولیه خود باز خواهند گشت.

این گونه مواد، نام‌های دیگری هم دارند. درواقع اگر خواستید بدانید که آلیاژ حافظه‌دار چیست؟ باید گوش‌تان حتما با نام‌هایی همچون آلیاژ هوشمند، مواد هوشمند و یا مواد حافظه‌دار هم آشنا باشد.

اما اگر نفهمیدید که دقیقا آلیاژ حافظه‌دار چیست؟ بیایید تا مثالی ساده‌تر بزنیم که موضوع برایتان کاملا واضح شود. فرض کنید که یک ماده فلزی داریم. ماده فلزی که در دما و سطح تنشی معینی، طبعا شکل ثابتی هم خواهد داشت. اما اگر به ماده فلزی حرارت بدهیم، یا فشار وارد کنیم، شکل آن به هم خواهد ریخت؛ مگر نه؟ حالا بعد از بازگشت دما چه اتفاقی خواهد افتاد؟ در اغلب مواد اتفاق خاصی نخواهد افتاد.

اما جذابیت آلیاژ حافظه‌دار از همین‌جا شروع می‌شود. جایی که پس از بازگشت سطح تنش یا دما به حالت اولیه، شکل این نوع آلیاژها نیز به حالت اولیه خودشان بازخواهد گشت! حالا اگر به مبحث ما علاقه‌مند شدید، با ما تا انتهای مطلب حاضر همراه باشید. قرار است هم بیشتر درمورد اینکه آلیاژ حافظه‌دار چیست؟ صحبت کنیم. هم درمورد کاربرد آلیاژ حافظه‌دار جستجو کنیم، هم انواع آلیاژ حافظه‌دار را مرور کنیم و هم فرآیند تولید آلیاژ حافظه‌دار را بکاویم.

مواد تشکیل‌دهنده آلیاژ حافظه‌دار

آلیاژ حافظه‌دار معمولا از دو دسته آلیاژ مشهور دنیا درست می‌شود. جنس عناصر آلیاژ حافظه‌دار یا ترکیبی از مس و آلومینیوم و نیکل است و یا از نیکل و تیتانیوم تشکیل شده است. البته این تنها روال معمول کار است. وگرنه از ترکیب کردن فلزهای دیگری همچون آهن، روی، طلا و مس نیز می‌توان آلیاژ حافظه‌دار درست کرد.

اتفاقا آلیاژهای حافظه‌داری که با پایه آهن ساخته می‌شوند، ارزان‌تر نیز به شمار می‌آیند. اما مساله این‌جاست که ترکیبات تیتانیوم و نیکل در مبحث حافظه‌داری آلیاژ و در اکثر کاربردهای آن برتری دارند.

دلیل این برتری بیشتر به دلیل کاربرد تیتانیوم و نیکل در عملکرد ترمودینامیکی است. البته این برتری به معنای بی‌کاربرد بودن آلیاژهای حافظه‌دار آهنی نیست. اتفاقا این دسته از آلیاژها نیز در صنعت ساختمان‌سازی کاربرد خودشان را دارند و با نام Fe-SMA شناخته می‌شوند.

ساختار کریستالوگرافی آلیاژ حافظه‌دار

آلیاژهای حافظه‌دار معمولا با دو ساختار کریستالوگرافی موجود هستند. این مواد در دمای پایین به صورت فاز مارتنزیتی و در دماهای بالاتر به صورت فاز آستینتی مشاهده می‌شوند. به این شکل که آلیاژ هوشمند در دمای پایین، به شکل مارتنزیت است و قابلیت این را دارد که به هرشکل دلخواهی تبدیل یابد.

اما در دماهای بالاتر، ماده حافظه‌دار ما در فاز آستینت قرار دارد. بنابراین شکلی که قبلا داشته را به خاطر سپرده است. پس خلاصه این است که در مبحث کریستالوگرافی، در دما یا فشار پایین با مارتنزیت و در دما یا فشار بالا با آستینت مواجه خواهیم شد. ضمنا هرگونه تغییر شکل آلیاژ حافظه‌دار به این دو پارامتر وابسته خواهد بود.

فرآیند تولید آلیاژ حافظه‌دار

آلیاژ حافظه‌دار معمولا به روش ریخته‌گری تولید می‌شود. روش‌های ریخته‌گری قوس خلأ و همچنین ذوب القایی، دو روش اصلی تولید آلیاژ حافظه‌دار هستند. این روش‌ها از دو منظر خیلی مفید هستند. یک اینکه باعث می‌شوند ناخالصی‌های آلیاژ در کمترین مقدار ممکن باشد. و دو اینکه باعث مخلوط شدن مناسب مذاب آلیاژ می‌شوند.

معمولا بعد از ریخته‌گری کردن آلیاژ به شکل شمش، آن را در جهت مقطع بزرگ، نوردِ گرم خواهند کرد. مرحله بعدی کشیده شدن برای درآمدن به شکل سیم خواهد بود. ضمنا آلیاژ برای حافظه‌دار شدن بایستی آموزش ببیند. از این مرحله در زبان انگلیسی با نام trained نام برده شده است. مرحله‌ای که با حرارت دادن انجام می‌گیرد.

البته به یاد داشته باشید که حرارت خیلی خیلی زیاد باعث خرابکاری و تبلور مجدد خواهد شد. معمولا دمای بین 400 الی 500 درجه سانتی گراد و 30 دقیقه حرارت دیدن، کاری است که روی آلیاژ حافظه‌دار انجام می‌پذیرد. سرد کردن این آلیاژ نیز با آب یا هوای عادی انجام می‌پذیرد. در ادامه با انواع آلیاژ حافظه‌دار آشنا خواهیم شد.

انواع آلیاژ حافظه‌دار

سه نوع از آلیاژ حافظه‌دار به طور کل تولید شده و می‌شود. در ادامه به هر سه نوع آلیاژ حافظه دار که امروزه وجود دارد و براساس محرکی که دارند طبقه‌بندی شده‌اند.

آلیاژ حافظه‌دار شکلی

آلیاژ حافظه‌دار شکلی، رفتار معینی از خود به جای می‌گذارد. به این شکل که وقتی تحت دمای مشخصی آن را تربیت کنیم، هر بار تغییر دمایی حاصل شود، با بازگشت دما به دمای اول، حالت این آلیاژ نیز به حالت اول بازخواهد گشت.

این رفتار شکلی به دو دسته تقسیم شده است. بعضی از آلیاژهای این دسته تنها در فاز آستینت حافظه‌دار هستند که به آن‌ها آلیاژ حافظه‌دار یک‌طرفه گفته می‌شود. برخی نیز غیر از فاز آستینت در فاز مارتنزیت هم حافظه دارند که آلیاژ حافظه‌دار دوطرفه نامیده شده‌اند.

آلیاژ حافظه‌ای سوپرالاستیک

همان چیزی که در بالا گفتیم را به تنش تغییر دهید؛ یعنی به جای اینکه محرک، دما باشد، تنش خواهد بود. پس آلیاژ حافظه‌ای سوپرالاستیک، آلیاژ حافظه‌داری است که بعد از تمام شدن ایجاد تنش، شکل خود را به حالت اولیه بازیابی خواهد کرد.

آلیاژ حافظه‌ای مغناطیسی

اما غیر از دو مورد بالا که بیشتر در متن راجع به آن‌ها صحبت کرده بودیم، مغناطیس نیز می‌تواند عامل تغییر شکل و بازیابی حافظه باشد. آلیاژ حافظه‌ای مغناطیسی بیشتر از ترکیب موادی همچون نیکل، منیزیم و گالیم به وجود می‌آید.

خواص آلیاژ حافظه‌دار

معمولا در منظر استحکام، همه آلیاژهای حافظه‌دار از فولادهای موجود دارای استحکامی پایین‌تر هستند. اما برخی از این آلیاژها نسبت به پلاستیک و آلومینیوم استحکام تسلیم بالاتری را دارند. زیرا در آزمایش‌های انجام شده، تنش تسلیم برخی از آلیاژهای نیکل و تیتانیوم به 500 مگاپاسکال هم رسیده است.

محدودیت کاربرد آلیاژ حافظه‌دار

شاید فکر کرده باشید حالا که این‌قدر درمورد آلیاژ حافظه‌دار صحبت می‌کنیم، لابد این‌ها موادی بسیار پرکاربرد به شمار می‌آیند. اما نه! با وجود اینکه آلیاژ حافظه‌دار در جای خودش موثر است. اما به طور کلی خیلی پرکاربرد نیست و اتفاقا محدودیت کاربرد دارد!

غیر از استحکام پایین نسبت به فولاد که در بخش بالا گفتیم، مسائل دیگری نیز وجود دارد. برای مثال ساخت و ماشین‌کاری این مواد نسبت به فولاد و آلومینیوم بسیار گران‌تر است. همچنین بیشتر آلیاژهای حافظه‌دار از کمبود خواص خستگی رنج می‌برند. به این معنا که در شرایط دوره‌ای بارگذاری شدن، یک قطعه فولادی خیلی بیشتر از یک قطعه که با آلیاژ حافظه‌دار تولید شده است عمر خواهد کرد.

کاربرد آلیاژ حافظه‌دار

با وجود تمام مسائلی که در بخش قبلی برشمردیم، آلیاژ حافظه‌دار دو کاربرد دارد که اجازه نمی‌دهند به راحتی از تولید آلیاژ حافظه‌دار بگذریم. کاربرد اول این مواد هوشمند در صنعت و کاربرد دوم آن‌ها در ساختمان‌سازی است.

• کاربرد در صنعت: از این نوع آلیاژها در تولید و ساخت فضاپیماها، صنعت رباتیک و صنعت خودرو بهره برده شده است. همچنین قطعات ساخته شده از نوع آلیاژ حافظه‌دار، می‌توانند جایگزین حالت جامد در انواع سیستم هیدرولیک، پنوماتیک و مبتنی به موتور به حساب بیاید. اتصالات هرمنوتیک لوله‌های فلزی نیز یکی دیگر از کاربردهای آلیاژ حافظه‌دار محسوب می‌شود. ضمنا فکر نکنید که این مواد هوشمند تنها در صنایع یادشده استفاده می‌شوند. برای مثال در صنعت پزشکی و برای ساخت آندوسکوپی کپسولی و یا ساخت فریم عینک‌های چشم‌پزشکی، جراحی‌های ارتوپدی و... نیز از آلیاژ حافظه‌دار استفاده می‌شود.

•  کاربرد در ساختمان‌سازی: یکی از مهم‌ترین کاربردهای آلیاژ حافظه‌دار در ساختمان‌سازی، استفاده به عنوان مقاوم‌کننده سیمان است. به این شکل که سیم‌های حافظه‌دار درون سیمان جایگذاری می‌شوند تا آن را تقویت کنند. البته کاربرد آن‌ها اصلا به این شکل ابتدایی منحصر نشده است. آلیاژهای حافظه‌دار با توجه به ویژگی اصلی برگشت‌پذیری، یکی از مهم‌ترین ابزار دانشمندان برای ساخت سازه‌هایی ضد زمین‌لرزه بوده‌اند. البته با توجه به هزینه بالای نیکل و تیتانیوم، نمی‌شود از آن‌ها برای اندازه‌های وسیع استفاده کرد. به همین دلیل آلیاژهای حافظه‌دار آهنی یا همان Fe sma به وجود آمده‌اند.

کلام آخر

امیدواریم توانسته باشیم به ساده‌ترین زبان توضیح دهیم که آلیاژ حافظه‌دار چیست؟ به هر حال همان‌طور که در بخش بالا هم گفتیم، نمی‌شود به سادگی از کاربردهای آلیاژ حافظه‌دار گذشت. زیرا برخی از امکاناتی که این آلیاژ برای آدمی فراهم کرده آن‌قدر مهم هستند که با وجود جزئی بودن، حیات بسیاری از پیشرفت‌های صنعتی و مدرن به آن‌ها وابسته شده است. بنابراین بایستی حتما به خوبی با علم آلیاژ حافظه‌دار آشنا باشیم تا بتوانیم از نظر صنعتی به مرحله کشورهای پیشرفته برسیم.

سوالات متداول:

1-چند مورد ملموس از کاربرد آلیاژ حافظه‌دار چیست؟

موارد کاربرد آلیاژ حافظه‌دار خیلی زیاد است. اما به طور مثال می‌شود از فنرهای رگ (برای عمل قلب)، فریم عینک فلزی و حتی سردوش‌های حمام خانه‌تان نام ببریم.

2-مواد اولیه آلیاژ حافظه‌دار باید چه ویژگی داشته باشند؟

متداول‌ترین ویژگی، به خصوص برای حالت بازیابی دمایی این است که ماده دارای دمای انتقالی بین 50 تا 110 درجه سانتی گراد باشد.

3-پرکاربردترین ماده از آلیاژهای حافظه‌دار چیست؟

ماده‌ای به نام تیتینیول که ترکیب نیکل و تیتانیوم به شمار می‌آید.