بخش غیرآهنی هدف: ارتقاي خواص ابرکشسانی آلياژ Ni Ti مقدمه رفتار شبه کشسان )Pseudoelasticity( که به طور معمول ابرکشسان )superelasticity( ناميده می شود رفتار برگشت پذیر کشسان ماده در برابر تنش اعمالی است که به دليل استحاله فازي بين فازهاي آستنيت و مارتنزیت رخ می دهد. مواد ابرکشسان بدون اعمال دما می توانند تغيير شکل اعمال شده را به حالت اوليه بازگردانند. آلياژ NiTi با نام Nitinol مخفف نيکل تيتانيم آزمایشگاه مهمات دریایی ( Naval Nickel Titanium )Ordance Laboratory از آلياژهاي داراي قابليت ابرکشسانی و همچنين حافظه دار به شمار می آید. این آلياژ داراي کاربردهایی در سروموتورها سلنویيدها سيم ها و براکت هاي اردتودنسی استنت ها فنرهاي ساعت و بسياري از کاربردهاي دیگر مورد استفاده قرار می گيرد. این آلياژ قادر است با اعمال بار تا حد زیادي تحت کرنش االستيک قرار گرفته و سپس با حذف بار اعمالی تمام و یا درصد زیادي از کرنش االستيک ذخيره شده در خود را به صورت برگشت پذیر آزاد نماید. هدف از این مسابقه ارتقاي خواص ابرکشسان آلياژ NiTi نظير کرنش ابرکشسان تنش ابرکشسان و در نهایت هيسترزیس تنش با استفاده از روش عمليات حرارتی می باشد. عملیات حرارتی آلیاژ NiTi خواص ابرکشسانی آلياژ NiTi را می توان به روش هاي عمليات حرارتی عمليات ترمومکانيکی و یا عمليات مکانيکی ارتقا داد. عمليات حرارتی می تواند با ایجاد رسوبات مختلف غنی از نيکل نظير Ti3Ni4
Ni14Ti11 و... بر استحاله آستنيت به مارتنزیت و همچنين بر خواص مکانيکی این آلياژ تاثير گذار باشد. در صورتی که بتوان این رسوبات را به صورت ریز و پراکنده و همچنين کوهيرنت در زمينه NiTi ایجاد نمود می توان از لغزش نابجایی ها جلوگيري به عمل آورد. این امر در دستيابی به خواص بهينه ابرکشسانی از اهميت بسزایی برخوردار است. عالوه براین رسوبات نقش عمده اي در اصالح دماي استحاله نيز دارند که به نوبه خود رفتار ابرکشسانی را ارتقا می بخشد. دستيابی به سيکل بهينه عمليات حرارتی به منظور دستيابی به حجم مناسب توزیع مناسب به همراه ابعاد مورد نظر از رسوبات مورد نظر هدف اصلی از این مسابقه می باشد. روش ارزیابی مسابقه نظر به این که رفتار ابرکشسانی توسط ميزان انرژي ذخيره شده در آلياژ در فرایند ابرکشسانی می تواند بيان گردد بنابراین روش ارزیابی آلياژ توسط این ميزان انرژي خواهد بود. انرژي مورد نظر از سطح بين دو نمودار بارگزاري و باربرداري قابل محاسبه است. سطح مورد نظر که سطح هيسترزیس نيز نام دارد در این مسابقه مطابق شکل الف )سطح رنگی( محاسبه می گردد. شکل الف- نمودار هيسترزیس یک نمونه فرضی NiTi و سطح مورد نظر براي تعيين برنده مسایقه
بنابراین سيم آلياژ NiTi که در اختيار شرکت کنندگان قرار گرفته و عمليات حرارتی بر روي آن انجام گرفته است در آزمون کشش قرار گرفته و بارگزاري روي آن صورت می گيرد. پس از عبور از منطقه خطی )Plateau( باربرداري انجام گرفته و در نهایت آزمون به اتمام می رسد. نمودار حاصل از نظر سطح بين دو نمودار بارگزاري و باربرداري )هيسترزیس( مورد مقایسه قرار می گيرد. الزم به ذکر است منطقه مربوط به slipping در قسمت انتهاي plateau و همچنين منطقه باربرداري از آستنيت در محاسبات مدنظر قرار نمی گيرد. عالوه بر این ميزان کرنش برگشت ناپذیر در نمونه نيز از اهميت باالیی در نمونه ابرکشسان دارد. به عبارت دیگر هدف این است که پس از انجام آزمون طول نهایی نمونه برابر با طول اوليه باشد و در نتيجه نمونه هيچ گونه کرنش برگشت ناپذیري در خود نداشته باشد )تمام کرنش تجربه شده توسط نمونه از نوع االستيک باشد و کرنش پالستيک در ماده رخ ندهد(. بدین منظور باقی ماندن کرنش پالستيک در نمونه از نکات منفی محسوب خواهد شد. لذا در انجام ازمون پس از اتمام آزمون کرنش پالستيک با ضریبی )100( از مقدار انرژي هيسترزیس کاسته خواهد شد. بنابراین پس از انجام آزمون و بدست آمدن نمودار سطح زیر نمودار )مطابق شکل( با استفاده از نرم افزار آناليز تصویر Image J اندازه گيري شده و اعداد حاصل با واحد ژول بدست می آید. عالوه براین مقدار کرنش برگشت ناپذیر نيز بر اساس نمودار بدست خواهد آمد. براي ارزیابی تيم برنده رابطه زیر مورد استفاده قرار خواهد گرفت که در این رابطه ɛr کرنش برگشت ناپذیر می باشد. SUM = Hysteresis Area 100 ɛr - نمونه هاي سيم ارسالی 45% Ni -55% Ti و با ابعاد زیر خواهد بود.
پیوست: رفتار ابرکشسان آلیاژ NiTi در صورتی که آلياژ NiTi با ترکيب در محدوده مشخص تحت بارگزاري و تغييرشکل قرار گيرد توانایی این را دارد که پس از برداشتن بار به ابعاد اوليه خود بازگردد. این قابليت بازگشت به ابعاد اوليه به دليل استحاله ناشی از تنش مارتنزیت می باشد. در شکل زیر مشاهده می شود که در یک نمونه فوالد زنگ نزن اعمال بار بر نمونه باعث ایجاد لغزش و در نتيجه باقی ماندن کرنش در آن می گردد. این در حالی است که در آلياژ NiTi اعمال تغييرشکل باعث ایجاد دوقلویی در ساختار شده و عالوه براین با برداشته شدن بار از نمونه قابليت بازگشت به حالت قبل )آستنيت( نيز وجود خواهد داشت. شکل 1 تفاوت مکانيزم اعمال بار به فوالد زنگ نزن و آلياژ NiTi در صورتی که مراحل بارگزاري و باربرداري نمونه اي از آلياژ NiTi را بررسی نمایيم می توان مراحل زیر را بر اساس شکل 2 براي آن بيان کرد:
نقطه مرحله اول: در ابتدا نمونه به صورت کامال آستنيتی است. بنابراین در آزمون کشش نمونه آستنيتی تحت بارگزاري االستيک قرار می گيرد. در پایان منطقه االستيک در نقطه اي که نمونه کامال دچار twinning شده است یعنی در نقطه σa-m استحاله ناشی از تنش آستنيت به ماتنزیت آغاز می گردد. این منطقه که در حالت ایده آل کامال خطی است تا تبدیل تمام آستنيت موجود در ریزساختار به مارتنزیت ادامه می یابد. در این منطقه فرایند جهت گيري مجدد دوقلویی هاي مارتنزیتی )detwinning( رخ می دهد )شکل 3(. با پایان این منطقه در صورتی که بارگزاري ادامه یابد منجر به اعمال تنش به ساختار مارتنزیتی و فرایند لعزش )slip( خواهد شد. لذا با رسيدن به انتهاي منطقه خطی و به محض افزایش تنش به مقدار بيش از حد تنش منطقه خطی در این مرحله بارگزاري متوقف می گردد. بنابراین باربرداري از ساختار مارتنزیتی آغاز می گردد. با رسيدن به σm-a مجددا ناحيه خطی )Plateau( مشاهده می گردد که مربوط به استحاله معکوس مارتنزیت به آستنيت می باشد. پس از آن که تمامی ماتنزیت به آستنيت تبدیل شد ناحيه خطی نيز به اتمام می رسد. بنابراین در این نقطه ساختار به صورت کامال آستنيتی می باشد. لذا در این نقطه باربرداري االستيک از آستنيت به وقوع می پيوندد. در صورتی که تمامی موارد فوق به صورت کامال ایده آل و بدون تغيير شکل پالستيک رخ داده باشد انتظار می رود که نمودار به نقطه کرنش صفر باز گردد. این به معناي ماده ایده آل ابرکشسان است.
شکل 2 نمودار تنش کرنش مربوط به بارگزاري و باربرداري از آلياژ NiTi شکل 3- فرایند جهت گيري مجدد دوقلویی هاي مارتنزیتی )detwinning(
نمودار تعادلی فازي Ni-Ti در شکل 4 ارایه شده است. در این شکل منطقه پایداري NiTi و محدوده دمایی استحاله فازي مشخص شده است. در NiTi ابرکشسان فرایند ابرکشسانی از تبدیل شبکه مکعبی B2 به ساختار مارتنزیتی `B19 و عکس آن به وقوع می پيوندد )شکل 5(. دانشجویان می توانند براي ارزیابی عمليات اعمالیشان بر روي نمونهها از تغيير طول ایجاد شده در سيم قبل و بعد از تست کشش استفاده کنند) حالت ایدهآل عدم ایجاد کرنش پالستيک بر روي نمونه بعد از انجام کشش است(. شکل 4- نمودار فازي تعادلی Ti-Ni نشان دهنده منطقه NiTi شکل 5- استحاله آستنيت به مارتنزیت در NiTi