میراگر آلیاژی SMA
زلزله از جمله مخرب ترین نیروهای طبیعی است که همه ساله جان میلیون ها نفر از مردم جهان را تهدید می کند. کشور ایران نیز با توجه به اینکه بر روی کمربند زلزله آلپ هیمالیا قرار دارد، طی سالیان گذشته همواره در معرض زلزله های مختلفی قرار داشته است، هنوز امکان پیش بینی زمان و مکان دقیق آن وجود ندارد. بنابراین به نظر می رسد تنها روش مقابله با زلزله مقاوم سازی ساختمان ها در برابر آن است. با توجه به حجم خسارت و هزینه های هنگفت ناشی از زلزله، مطالعات متعدد و گوناگونی جهت کاهش این خسارات همواره انجام می گیرد که موجب ارائه روش ها و راهکارهای نوینی می گردد و بدین ترتیب لزوم بررسی و مطالعه کارائی و نحوه بکارگیری این روش ها نیز به وجود می آید.
آلیاژهای حافظه دار شکلی Shape Memory Alloys)SMA) مصالح جدیدی هستند که در چند دهه اخیر کاربردهای مختلفی در زمینه‌های علوم و مهندسی پیدا کرده‌اند. این مواد از آلیاژهای فلزی هستند که توانایی بازیابی شکل اولیه خود را دارند. به عبارت دیگر می‌توان این فلز را به نوار لاستیکی تشبیه کرد که توانایی کشیده شدن زیاد را دارد، بدون اینکه از فرم اصلی خود خارج شود. این مصالح با توجه به دو خاصیت منحصر به فرد یعنی رفتار فوق ارتجاعی (Superelasticity) و اثر حافظه دار شکلی مورد توجه طراحان و مهندسین سازه و زلزله قرار گرفته است. در سال‌های اخیر کاربرد آلیاژهای حافظه‌‌دار شکلی برای کنترل سازه‌ها در قاب‌های مهاربندی شده در سه حوزه غیرفعال، نیمه‌فعال و فعال مورد توجه قرار گرفته است.
اولین گزارشات درباره اثر حافظه داری مواد در سال ۱۹۳۰ مطرح شد. در سال ۱۹۳۲ مشاهدات ثبت شده درباره پدیده حافظه داری شکلی توسط دو دانشمند انجام گرفت که وارون پذیری حافظه شکلی را در آلیاژ طلا – کادمیوم از طریق مطالعات فلزشناسی و تغییرات مقاومت آلیاژ بررسی کردند.
در سال۱۹۵۶ مطلبی درباره اثر حافظه داری آلیاژ مس- روی منتشر شد. در سال ۱۹۶۲ پدیده اثر حافظه داری شکلی در آلیاژی از تیتانیوم- نیکل که که دارای اتم های برابر بودند مورد بررسی قرار گرفت و در این هنگام تحقیق درباره متالورژی و کاربردهای عملی اولیه آن به طور جدی آغاز شد. از جمله کاربردهای مطرح شده ساخت کوپلینگ برای اتصال لوله های هیدرولیکی است که در صنایع هوایی و نیروی دریایی ایالت متحده و همچنین در حوزه های نفتی دریای شمال مورد استفاده قرار گرفت. آلیاژهای حافظه دار جزء جدیدترین مواد مهندسی به شمار می روند که استفاده از تمام ظرفیت آن ها نیازمند مطالعات بیشتر است.
آلیاژهای حافظه دار شکلی که به عنوان موادی هوشمند شناخته شده اند، نسبت به سیستم های متداول مستهلک کننده انرژی دارای مزایا و ویژگی های منحصر به فردی هستند که از آن جمله می توان به عدم نیاز به تعویض پس از زلزله، مقاومت بالا در برابر خوردگی و خستگی، قابلیت بازگشت به حالت اولیه بوسیله اعمال دما، قابلیت استهلاک انرژی زیاد و تحمل کرنش تا حدود 10 درصد بدون باقی گذاشتن کرنش پسماند اشاره کرد.
معروفترین وپرکاربردترین آلیاژ حافظه دار شکلی، نایتینول است که ترکیبی از نیکل و تیتانیوم می باشد. خصوصیت اصلی این مواد، رفتار سوپرالاستیک آنها می باشد؛ بدین معنی که قادر به تحمل کرنش های بزرگ تا حدود 10 درصد، بدون ایجاد کرنش پسماند هستند. آلیاژهای حافظه دار شکلی به دو صورت کریستالی استنیت و مارتنزیت وجود دارند که رفتارهای متفاوتی از خود نشان می دهند. این مواد در دماهای بالا به صورت استنیت و در دماهای پایین به صورت مارتنزیت می باشند. حالت استنیت دارای سختی و تقارن بیشتری نسبت به حالت مارتنزیت می باشد. رفتار منحصر به فرد این ماده به دلیل تبدیل از یک حالت به حالت دیگر در اثر تغییر دما و یا تنش می باشد که موجب رفتار غیرخطی برگشت پذیر می شود.
خواص ترمومکانیکی میراگر آلیاژی SMA
تغییرشکل الاستیک خطی (بازگشت‌پذیر) در یک فلز معمولی در حدود 0.1 درصد و تغییر شکل پلاستیک (غیر بازگشتی) می‌تواند به ده ها درصد برسد. با حرارت دادن فلز تغییرشکل یافته (تا دمای بازیابی و یا آنیل) حالت داخلی آن به حالت تعادل نزدیک می‌شود، (حذف عیوب ساختاری) ولی شکل ظاهری بدست آمده پس از تغییر شکل پلاستیک تغییر نمی‌کند. تغییر درجه حرارت موجب تغییر شکل حرارتی بازگشتی در حدود 0.001 درصد به ازای هر درجه خواهد شد.
حافظه یک جهتی: عبارت است از ظرفیت یک آلیاژ حافظه دار جهت پیدا کردن شکل اولیه خود با گرم کردن، بعد از اعمال چند درصد تغییر شکل که در سرما صورت می‌گیرد.
حافظه دو جهتی: عبارت است از ظرفیت آلیاژ حافظه دار جهت آموزش به طریق بازگشتی از یک شکل در درجه حرارت پایین به شکل درجه حرارت بالا با گرم کردن و یا سرد کردن، تغییر شکل توصیف کننده تعویض شکل بین حالت دما بالا و دمای پایین است.
اثر کائوچویی: در رابطه با حرکت بازگشتی واریانت های مارتنزیت است که تردی کمتر آلیاژ حافظه دار نسبت به مواد با مدول الاستیک معمولی را می‌رساند. استحاله مارتنزیتی دارای مکانیزم های مختلف اتلاف انرژی است که توانایی مهم آلیاژ در میرایی مکانیکی را توصیف می‌کند.
رفتار در کشش و فشار
در زیر نمودار تنش-کرنش SMA ها بصورت نمونه در فاز استنیت (یا مارتنزیت) تحت نیروی کششی یا فشاری ارائه شده است. نمودار زیر از چهار ناحیۀ تقریبا خطی تشکیل یافته است که در ناحیۀ اتصال به همدیگر توسط یک منحنی بصورت پیوسته می باشند. برای سادگی فرض می گردد که نمودار از چهار خط شکسته تشکیل شده است. نسبت طول به قطر میله های مورد آزمایش طوری انتخاب می شوند تا در آزمایش فشار، کمانش اتفاق نیفتد. در شروع آزمایش رفتار ماده بصورت الاستیک و خطی با مدول الاستیسیتۀ E می باشد تا زمانیکه مقدار تنش به fy می رسد. با افزایش مقدار تنش، کاهش قابل توجهی در مقدار سختی روی می دهد بطوری که مدول الاستیسیته در این ناحیه (EP1) به مقدار (EY (%15-%10 می رسد. تا رسیدن به تنش ثابت باقی می ماند. به محض اینکه مقدار تنش بیشتر می شود نمونۀ مورد آزمایش سخت تر می شود و مدول الاستیسیته به (EP2) می رسد که در حدود (%60-%50) می باشد. با ادامۀ بارگذاری تنش به دست می آید. از این نقطه به بعد مدول الاستیسیته Eu حاکم می شود. با ادامۀ بارگذاری در تنش و کرنش گسیختگی ماده اتفاق می افتد.
خاصیت حافظه دار شکلی
اگر SMA در فاز مارتنزیت و دمای آن کمتر از AS باشد و بارگذاری و باربرداری بر آن اعمال گردد، بعد از باربرداری ماده به طور کامل به حالت اولیۀ خود بر نمی گردد و کرنش پسماند در آن برجای می ماند. کرنش پسماند ایجاد شده با اعمال دمای بالاتر از AF از بین می رود و ماده به حالت اولیۀ خود باز میگردد. این پدیده، رفتار حافظۀ شکلی ( رفتار حافظۀ شکلی یک طرفه یا شبه پلاستیسیته نامیده می شود ). علت این پدیده تبدیل مارتزیت به مارتزینت می باشد و چون شرایط دمایی اجازۀ تشکیل فاز استنیت را نمی دهد، در نتیجه تبدیل کامل انجام نمی گیرد و کرنش پسماند بر جای می ماند. با اعمال دما تبدیل فاز انجام شده و ماده حالت اولیۀ خود را پیدا می کند.
SMA ها خاصیت دیگری تحت عنوان رفتار حافظۀ شکلی دوطرفه دارند. منظور از این خاصیت قابلیت داشتن دو شکل معین می باشد. یعنی با اعمال دما تا یک حد معین SMA شکل خاصی به خود می گیرد و با کاهش دما تا یک حد معین شکل دیگری پیدا می کند بدون اینکه در این فرآیند تنش مکانیکی اعمال شده باشد. این خاصیت در تعداد کمی SMA ها دیده می شود.
