آلیاژ نایتینول از دو عنصر نیکل و تیتانیم با درصد اتمی مساوی یا نزدیک به هم درست شده است .
این آلیاژ به سبب داشتن خواص منحصر به فردی همچون حافظه داری ، زیست سازگاری ، نرمی و سفتی انتخابی مورد توجه مهندسین صنایع جدید و متخصصین رشته های پزشکی و بیومواد قرار گرفته است .
این مقاله به تأثیر رفتار سوپر الاستیک آلیاژ نایتینول پرداخته ؛ سوپر الاستیسیته توسط حفرهها ویژه شبیه شکل ، اندازه وتوزیع تخلخل کنترل می شود .
که سبب بهبود چقرمگی خواص الاستیک و استحکام فشاری و خواص مکانیکی دیگر می شود .
کلمات کلیدی : نایتینول – سوپر الاستیک – حافظه داری – تخلخل ––چقرمگی
Abestract:
Nitinol a Shape memory alloy Containing nickle and titanium With equal or Close to eachother atomic percentages .
Because of desirable properties Such as a Shape memory effect , Biocompatibility , Selective Stifenss or Softness and mechanical Strength , it's use in Such advanced Systems as intelligent technologies , biomaterial an automatic equipments is now Seriously of the Cansidered.
This paper reports superelastic behaviour of the SMA which is controlled by pore Characteristics Such as Pore Shape, pore Size and pore distribution is important for improving the taughness, elastic properties , Compression Strength and other mechanical properties.
.
Keyword:Nitinol-Superelastic-Shapememory- Toughness
1- مقدمه :
اخیراً آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول نظر بسیاری از محققین و مهندسین مواد را جلب کرده است .
زیرا خواص عالی و کاربردی بهینه آن ها به ویژه در پزشکی است .
ساختار حفرهای در آلیاژ های حافظه دار نایتینول دانسیته آلیاژها را کاهش می دهد و بیش از آن ، مدول یانگ آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول می تواند بواسطه کنترل کردن خصوصیت حفره ها تنظیم شود .
روش متالورژی پودر فرایند اطمینان بخشتر برای بقیه آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول است.
توسط زینتر کردن عناصر پودری نیکل و تیتانیم ، روش متالورژی پودر شامل تکنیک های مختلفی است شبیه زینتر کردن معمولی ( CS ) واکنش حرارت زیاد خود پیشرو (SHS ) و فشردن ایزواستاتیک گرم ( HIP )تاکنون تهیه خواص مکانیکی آلیاژهای حافظه دار متخلخل توسط این روش ها با رضایتمندی انجام نشده است .
شکل حفره های آلیاژ متخلخل نایتینول توسط زینتر کردن معمولی زمانی که اندازه حفره ها کوچک باشد معمولاً بی قاعده است .
و در تکنیک فشردن ایزواستاتیک گرم آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول توزیع حفره ها آنیزوتروپیک و حفره های پیوسته بزرگی دارد بنابراین ساخت مواد نایتینول نوعاً ترد و سوپر الاستیسیته کمی را نشان میدهند بنابراین توسعه روشی برای تولید آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول با توزیع مختلخل هموژن و ایزوتروپیک شکل حفره ها با قاعده و میزان اندازه حفره ها به علاوه خواص مکانیکی رضایتمند ضرورت دارد .
تلاش زیاد جهت بهبود خواص مکانیکی و سوپر الاستیسیته آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول پیش از آن که بتوان آن ها را در کاربردهای پزشکی و مهندسی استفاده کرد انجام شده است .نهایتاً گزارش شد که مواد سرامیکی متخلخل که توسط کپسول آزاد فشردن ایزواستاتیک گرم تهیه می شوند .
دارای توزیع حفره های هموژن و شکل حفره ها با قاعده وتخلخل باز قابل کنترل دارد مواد تهیه شده توسط این روش خواص مکانیکی بهتر را نسبت به موادی که توسط روش های زینتر معمولی تهیه شده بودند نشان می دهند .
در این مطالعات ریز ساختار رفتار استحاله مارتنزیت وخواص مکانیکی آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول که توسط کپسول آزاد فشردن ایزو استاتیک گرم تهیه شده بودند بررسی و با آلیاژهای اصلی که توسط روش زینتر تهیه شده بودند مقایسه شدند .آلیاژها تحت شرایط مختلف گذشت زمان بر طبق بالا بردن سوپر الاستیسیته در دمای اتاق توسط دمای استحاله مارتنزیت کنترل شدند.
2- پروسه آزمایشگاهی :
پودر عنصر تیتانیوم ( اندازه 70-50) با خلوط %99 و پودر نیکل ( اندازه
4-7) با خلوص 99% در این کار استفاده شدند و مخلوط پودرها با ترکیب اسمی تیتانیوم با 50 درصد نیکل توسط انرژی زیاد دورانی آسیابی گلوله ای برای 4 ساعت مخلوط شدند در این زمان مخلوط پودرها به صورت پرس سرد نمونه تر تحت فشار 100 در سیلندری با استفاده از پرس هیدرولیک انجام شد نمونه ها با استفاده از گاز آرگون محافظ در کوره HIP زینتر شدند و فرآیند زینتر معمولی به نمونه اصلی برای مقایسه و تطبیق بکار گرفته شد پارامترها و شرایط فرآیند در جدول(1)نشان داده شده است .
(جدول 1)شرایط آزمایشگاهی و پارامتر های قابل استفاده در آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول
متعاقباً نمونه ها در لوله کوره به عنوان عملیات پیر Ageing)) بودند و به دنبال آن محیط کوئینچ آب یخ بود میکروسکوپ الکترونی ( SEM) و طیف نمایی پراش پرتو ایکس ( EDX) و یک پراش سنج می توان خصوصیات ریز ساختاری و ساختار کریستالی و ترکیبی را بدست آورد .
دانسیته نمونه ها توسط اصل ارشمیدس اندازه گیری شد .
همچنین آنالیز حرارتی روبشی کالری سنج انتخابی برای دما استحاله فازی انتخاب شد .
میکروسیستم محلول آنالیز تصویری LEICA برای ارزیابی توزیع اندازه حفره ها قابل استفاده بود .
ارزیابی خواص مکانیکی حفره های اصلی آلیاژ حافظه دار نایتینول نمونه به شکل استوانه به طولmm 12وقطرmm 6بود که آزمایش فشار هوا از اینسترون 420در یک نرخ کرنشی ثابت انجام شد .
3- بحث و نتایج 3-1- مرفولوژی و توزیع حفره ها : همانطور که می دانیم ساختار درشت آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول بواسطه کپسول آزاد HIP توزیع حفره های ایزوترپیک و هموژن را میتوان نشان داد .
(شکل6 )میکروگراف نوری (الف) نمونه 1 HIP (ب)نمونه 2 HIP (ج) نمونه3 CS میکروگراف نوری نمونهتولید شده توسط کپسول آزاد HIP تحت پارامترهای مختلف و نمونه اصلی توسط فرآیند زینتر به ترتیب آمده و به وضوح نشان داده شده است که در نمونه HIP بیشترین تخلخل به صورت موضعی وبه شکل کروی بسته که ندرتاً حفره های کنارها پیوسته است .
بنابراین تفاوت های بین این دو نمونه ( نمونه 1 ونمونه2) است .
ظاهراً تعداد زیادی حفره های کوچک در نمونه (1) شکل(6- الف )می بینیم و تعدادی از حفره های پیوسته را در حالی که حفره های کوچک در نمونه (2) شکل (6- ب ) مشاهده می کنیم .این حفره ها کاملاً موضعی است .
این نظریه ممکن است بدین معنی باشد که فرآیند کپسول آزاد HIP مرفولوژی آلیاژها حافظه دار متخلخل می تواند تحت تغییرات پارامترهای این فرآیند کنترل شود در حالی که نمونه زینتر شده ، میکروگراف نوری نمونه 3 ، که ترکیب اسمی مشابه نمونه HIP دارد به وضوح می توان تفاوت مرفولوژی نمونهHIP که شکل حفره ها بی قاعده و کوچکترین حفره پیوسته ( 50 (شکل-7)توزیع اندازه حفره ها ی آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول توسط آنالیز تصویری نتایج مشخصی با استفاده از مقدار متوسط بدست آمد ه از پنج تصویر میکروگراف نوری به صورت تصادفی از مقطع هر نمونه گرفته شد.
درصد نواحی ( یا کسر ) نسبت حضور حفره ها در آن مناطق به مناطق کل در دامنه اندازه حفره های مختلف اندازه گیری شد .
مشاهده شد که اندازه حفره های متوسط و معمولی در کپسول آزاد HIP تحت شرایط متفاوت هر دو فرآیند حدود 50 تا 200 است .
بنابراین تفاوت های درتوزیع اندازهحفره ها بین این دو نمونه وجود داشت .تعداد زیادی حفره های بزرگ در نمونه(1)که (200>) بود وجود داشت .
بنابراین واضح است که توزیع اندازه حفره ها میتواند اغلب با استفاده از پارامترهای متفاوت فرایند تنظیم شود .
به علاوه مشاهده شد که بیشترین حفره ها در نمونه زینترینگ کوچکتر از 100 است که این نتایج بسیار مشابه بود به گزارش توسط دیگران که انجام شده بود .
(شکل8)نمونه XRD مخلوط پودر NiTi در آلیاژ متخلخل حافظه دار نایتینول که تحت شرایط مختلف تهیه شده است در حالتکلی حفره ها در مواد متخلخل می توانند به دو نوع کلاس طبقه بندی شوند: کلاس اول : حفره های باز یا پیوسته با سطح خارجی نمونه هستند .
خلل و فرج و () به عنوان کسر حجمی خلل و فرج به حجم کلی به صورت زیر تعریف می شود: چگالی حجمی مواد و چگالی حجمی تئوری مواد( که اینجا 54/6 برای تیتانیوم با 8/5 درصد آلیاژ درصد نیکل و gcm-3 19/6 برای مخلوط تیتانیوم در درصد پودرنیکل ) کسر تخلخل باز به عنوان نسبت تخلخل باز ()به تخلخل () تعریف می شود که توسط روش وزن مایع تعیین می شود .
وتخلخل نمونه های (1) و (2) به ترتیب 9/41% و 2/39% بر طبق اندازه گیری های انجام شده تخلخل نمونه فشرده شده تر 1/36% است و نسبت تخلخل باز 6/42% و 6/60% به ترتیب می باشد .
که این افزایش تخلخل روی HIP به هیچ وجه نمی ارزد .
زیرا ممکن است از حبس شدن گاز در فشردگی تر در آخرین مرحله منبسط شدن زینترینگ ناشی شود .
البته به وجود آمدن بیشتر حفره ها از حفره های انقباظی ناشی می شود .
زمانی که انجامد فاز مایع دمای زینترینگ فرآیند HIP بالای دمای اتوکتوئید باشد .
حفره های کروی و مجزا آثار حبس شدن گاز در نمونه های HIP است همانطور که در شکل( 6-ب) مشاهده می شود جای که حفره ها ناپیوسته نیستند در فشاری بالاتر از Mpa 150، به خوبی بالای این مقدار تحت حمایت می باشند .
3-2- ارزیابی ریز ساختار : نمونه XRD مخلوط پودر نایتینول و سه نمونه دیگر در شکل (8 ) نشان داده شده است .
همانطور که مشاهده می شود فاز TiH2 در مخلوط پودر نایتینول به اضافه فاز نیکل و تیتانیم وجود دارد .
یکی از دلایل موجود ناخالصی در پودر تیتانیم تولید آن از هیدروژن گیری TiH2 است .
در نمونه (1) و نمونه(2) خصوصیات آن دو نشان می دهد که فازهای اصلی نایتینول (B`19,B1) است.( توضیح در ساختار های کریستالو گرافی) پس Ti2Ni فاز دوم آشکار شده است .
بنابراین تفاوت کمی در فاز ریز ساختار بین این دو نمونه وجود دارد ؛ پس مستلزم این است که فشار گرم و زمان زینترینگ تأثیر روی فاز تشکیل شده ندارد .
پس ارزشی ندارد که مقدار اضافی فازنیکل غنی شده ( Ni3Ti) جزء باقیمانده Ti در نمونه 3 آشکار شود .درنمونه 3 دمای زینتر کردن پایین تر از° (k1223) و نمونه(1) و (2) °(k1323) است .
و واکنش زینترینگ در نمونه 3 فعالیتش کمتر می شود در نمونه(1) و (2) دمای زینتر °(k1323) که به وضوح بالاتر از دمای دما اتوکتیک در سیستم آلیاژ دو تایی نایتینول است .
فازهای مایع زیادی در طول فرآیند زینتر می تواند کامل انجام شود ، اگر چه فاز مایع در نتیجه تعدادی فاز شبیه Ti2Ni , Ni3Ti در فاز ثانویه و مقدار جزئی از تیتانیم باقی می ماند .
(شکل 9) تصویر SEM از نمونه های: ( الف) آماده شده توسط CS (ب) نمونه 2 HIP (ج ) نمونه 2 در دمای K773 بمدت یک ساعت (د) نمونه 2 در دمای k773 برای 5 ساعت شکل 9 تصویر SEM از نمونه زینتر شده و HIP تحت شرایط متفاوت پیری را نشان می دهد در نمونه زینتر شده در شکل( 9- الف) نواحی مجزای در تصویر خاکستری روشن و خاکستری و خاکستری تیره در این مناطق دیده می شود .
آنالیز کمی EDX تأیید می کند که این سه مناطق به ترتیب فازهای با دلالت دارد و این سه فاز به ترتیب فازهای ترکیب بین فلزی هستند برای مثال در نمونه دوم HIP که در شکل ( 9- ب ) می بینیم فقط فاز Ti2Ni در زمینه NiTi وجوددارد ، که این نتیجه با نتایج XRD مطابقت دارد .
در نتیجه دمای زینتر بالاتر به تسریع نفوذ اتم های نیکل و تیتانیم کمک می کند این باعث می شود که فازهای ثانویه شبیه به Ti2Ni,Ni3Ti کاهش می یابند .
بنابراین فاز Ni3Ti را نمی توان در تصویر مشاهده کرد شکل( 9- ج)تصویر نمونه دوم پس از گذشت زمان 1 ساعت در °k 773 وکونچ کردن آن در آب یخ بعد از زینتر کردن HIP است با مقایسه شکل (9- ب) و (9- ج ) می توان فازهای روشن Ti با 57% نیکل که می توان آن را به عنوان فاز توسط آمیختن نتایج EDX,XPD تعریف شود .
به علاوه صفحات B`19 و فاز R در بعضی مناطق شکل (9-ج ) را می توان مشاهده کرد همین نتایج مشابه از نمونه های عملیاتی در اثر زمان پیری بدست آمد.
شکل (9) تصویر واقعی SEM از نمونه پیرشده برای پنج ساعت در ° K 773 بعد از HIP است هر دو فاز مارتنزیت R, B`19 به طورهمزمان دردمای اتاق در نمونه های پیر شده تصدیق می شود .(توضیحات دوفازمارتنزیت R, B`19 درفصل سوم می باشد.) نتایج بالا زمان پیر شدن جهت رشد بیشتر رسوب در طول مرزدانه ها همانطور که در شکل( 9-ج) می بینیم را به دنبال رشد دانه ها دور از مرز که درشکل(9-ب) می بینیم را آشکار می کند .
3-3- آنالیزC DS: شکل منحنی ( 10 -الف ) حرارت دادن و سرد شدن بواسطه آنالیز DSC در نمونه دوم بعد از HIP و زمان پیری به صورت 5/0 ساعت را نشان می دهد مشخص است که پیک گرمازا برای نمونه HIP به آسانی قابل روئیت نیست ، به این علت است که دمای MS به عنوان نمونه HIP برای تشکیل مارتنزیت در شرایط آزمایشگاهی خیلی پایین است(کونچ در آب یخ ) برای نمونه سرد شده در یک پیک گرما زا که با نماد ph است و در حرارت بالا ظاهر می شود در این حین فاصله دو پیک گرمازا در طول سرد شدن آشکار میشود .پیکی که دمای بالا دارد و دیگری دمای پایین دارد به ترتیب, Pr P می باشد در این حالت مارتنزیت سوزنی شکل B`19 و فاز R در نمونه بعد از گذشت زمان دردمای اتاق و توسط SEM نمایان خواهند شد.
( در شکل 4 مشاهده می شود ) بنابراین پیک Pr در منحنی سرد شدن مشابه تشکیل فاز R است در این صورت Pm مشابه فاز مارتنزیت B`19 است .
بررسی دقیق این دو پیوستگی بین دمای استحاله فازی در زمان پیری در دمای گرمازایی پیک برای نمونه پیر شده و زمان های مختلف سنجش می شود شکل (10-ب) ارتباط بین دمای پیک و زمان پیری نشان داده شده است همانطورکه مشاهده می شود در همه پیک ها افزایش سریع دما مطابق با دمای پیری است که بتدریج یک مقدار ثابتی بدست می آورد این حاکی از آن است که هر دو فاز ، R و فاز مارتنزیت انتقال استحاله فاز آن ها به جهت دمای بیشتر مطابق با دمای پیری پیش می رود .
(شکل10) نتایج آنالیز حرارتی( الف) منحنی DSC نمونه 2 HIP در دمای k723 (ب) ارتباط بین پیک حرارتی وگذشت زمان بااین بررسی میتوان محتوی Ni در زمینه فاز B2 را پایین آورد که منجر به رسوب فاز و نتیجتاًدمای استحاله فازی را بالا می آورد .
این مکانیزم استحاله فازی نیکل غنی شده متخلخل در آلیاژهای حافظه دار نایتینول به جهت شباهت حجم متراکمتر در آلیاژ حافظه دار نیکل غنی شده راه مییابد .
از این رو تنش های داخلی اضافی توسط رسوب دهی سبب استحاله مستقیم از فاز است که بعد از پیری سخت تر می شود کاهش فاز R متوسط انرژی فعالسازی کلی استحاله است بنابراین انرژی به طور قابل مطلوبی با دو مرحله استحاله دنبال می شود .
فاصله دوپیک گرمازا با پیری به تدریج کاهش می یابد .
می دانیم هر دو دمای مطابق با زمان پیری در نیکل غنی شده متراکم آلیاژهای حافظه دار نایتینول افزایش می یابد .
MS به طور قابل توجهی در شروع زمان پیری تغییر می یابد و به تدریج به یک مقدار ثابتی دست می یابد، لذا RS به آرامی با افزایش زمان پیری تغییر می کند بنابراین Tpm زمانی که حوزهکوچکتری از Tpr وجود دارد تغییرعمده ای می دهد.
3-4- تکامل خواص مکانیکی – آزمون فشار: شکل(11 -الف ) و (11 -ب) منحنی تنش کرنش آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول از زمان پیری برای 5 ساعت درk° 723 به ترتیب بعد از زینتر کردن فرآیند HIP است .
آزمایش در همان پیش تنش پایه (4%)و در دمای اتاق انجام شد که شکل (11 - الف ) می توان مشاهده کرد که کرنش بدون بازیابی حدود( 2%) برای نمونه زینتر شده بعد از یک چرخه اولیه است .
(شکل 11) منحنی تنش کرنش آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول (الف) نمونه CS (ب) HIP (هردو در دمای k773 برای 5/0 ساعت و محیط کوینچ آب یخ) در این زمان نمونه در طول چرخه ثانویه با استحکام فشاری حدود Mpa 68دچار پارگی می شود کرنش قابل بازیابی بدون برجستگی مشاهده شد که آن را فوق الاستیسیته موجود می نامند .
که این نتیجه مشابه گزارش دیگران برای آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول توسط زینتر کردن تهیه شده است .
دلیل که تخلخل ها در اطراف محل تنش می باشند اشکال بی قاعده حفرهاست در طول بارگذاری رفتار این حفره ها شبیه ریزترک ها یا ریزفاق هاست که کرنش تسلیم و تنش های ناشی از تنش متمرکز تحت تنش ناخالصی اسمی برای آلیاژ متراکم نایتینول خیلی پایین است .منحنی تنش کرنش در شکل( 11 –ب) مقداری جزئی سوپر الاستیسیته آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول که درچرخه اول HIP و سوپر الاستیسته نهایی در چرخه ثانویه و چرخه پس از آن را نشان می دهد کرنش غیر قابل بازیابی فقط حدود% 3/0 است که حتی بدون بارگذاری تحت کرنش بالای تغییر شکل (کرنش %4 ) است ، که این ناشی از لغزش در طول تغییر شکل قبلی است .
تشکیل تنش های داخلی به واسطه متوقف کردن استحاله مارتنزیتی است .
بنابراین سوپرالاستیسیته نهایی با نمونه متخلخل حاضر در دمای اتاق بعد از چرخه اول حاصل می شود که در آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول می بایست کپسول آزاد HIP با چقرمگی بالا و استحکام فشاری بالا ( بیش از Mpa250) تأیید شود .
علاوه بر این یک ورق مسطح که تنش حدودMpa) 150) دارد خصوصیت سوپرالاستیک آلیاژ حافظه دار نایتینول را دارد این نتایج شامل آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول که توسط زینتر تهیه شدهاند نیز میباشد همچنین این نتیجه برای اشکال با قاعده (تقریباً دایره ) و حفره های با اندازه توزیع هموژن که موضع تمرکز تنش در مجاورت حفره هاست به علت بالا بودن استحکام فشاری متوسط در آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول است .به علاوه عملیات حرارتی ویژه ای را می توان اختیار کرد ضمن آن که سوپرالاستیسیته، چقرمگی را بهبود می بخشد فراهم شود .
بنابراین واضح است که سوپرالاستیسیته در بهبود چقرمگی و استحکام فشاری آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول مهم است .
اختیار کردن فرآیند زینترینگ HIP اغلب برای کنترل خصوصیت حفره ها مانند شکل، اندازه و توزیع حفره ها به حالت بوته ایست .
نتیجه گیری : تخلخل %Ni با8/50 Ti- در آلیاژهای حافظه دار حفره های کروی شکل و ریز ساختاری هموژن توسط فرآیند کپسول آزاد HIP با موفقیت تهیه شد.
آلیاژ حافظه دار متخلخل دارای ساختاری با 40-30% حجمی تخلخل و دامنهاندازه حفره ها از 50 تا 200 است .دررفتارارتجاعی کاذب آلیاژخاصیت کشسانی نامحدودی پیدامی کند.
رفتار استحاله فازی در آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول به تراکم نیکل غنی شده در آلیاژ حافظه دار نایتینول بسیار مرتبط است .
آلیاژ حافظه دار متخلخل نایتینول توسط فرآیند HIP فشرده می شود که سوپر الاستیسیته کامل و تراکم آلیاژ حافظه دار نایتینول را نشان می دهد .سوپرالاستیسته بیشتر تحت استحاله فازی بررسی می شود وتوزیع همسان گردی و هموژن حفره های کروی مانند ، در پایین آوردن تمرکز تنش نزدیک حفره هاست .
خواص مکانیکی آلیاژهای حافظه دار متخلخل نایتینول توسط کنترل ویژگی حفره ها بهبود می یابد .
به علاوه عملیات حرارتی به عنوان مثال پیری تأثیر زیادی روی استحاله فازی و سوپر الاستیسیته آلیاژهای حافظه دار نایتینول دارد .نرخ کرنش تأثیر مهمی بر سوپرالاستیسیته و رفتار سیستم آلیاژهای حافظه دار نایتینول در رنج حرارتی سوپر الاستیک برای جذب انرژی دارد .روشهای رایج ساخت:1)ذوب وریخته گری2)متالورژی پودراست.
استفاده بهینه آلیاژهای حافظه دار نایتینول در مکان های تکنولوژیکی مهندسی پزشکی و کنترل میکروسیستم های صنعتی است .
منابع ومآخذ : 1- Smart Mateials & Structures .By B Yuan, CY Chung , XP Zhang , MQ Zeng and M Zhu 14 (2005) S 201 –S206