مواد و ساخت پیشرفته

اکثر مطالعات در مورد کاربردهای آلیاژهای حافظه‌­دار (SMA) با استفاده از آلیاژهای (Ni–Ti SMA (Nitinol انجام شده است که معروف­ترین و آسان­ترین نوع SMA­ها هستند. آلیاژهای نیتینول به دلیل باربرداری (شبه الاستیسیته (PE)) یا حرارت­دهی (اثر حافظه‌­دار شکلی) دارای کرنش قابل برگشت قابل توجهی هستند و برای بسیاری از کاربردها در مهندسی پزشکی و هوافضا استفاده می‌­شوند. با این حال، کاربرد نیتینول در سازه‌های عمرانی بزرگ به دلیل هزینه بالای مواد اولیه و فرایندهای تولید، شکل‌پذیری سخت، پسماند حرارتی باریک و ظرفیت میرایی کم (انرژی جذب شده یا اتلاف‌شده) محدود شده است. علاوه بر این، تحقیقات روی آلیاژهای میرایی لرزه ای نشان می­دهد که انرژی جذب شده در طول تغییر شکل و خاصیت شبیه الاستیک آلیاژهای حافظه­‌دار، برای بهبود رفتار ساختاری در زلزله حیاتی است. علاوه بر ظرفیت بالای جذب انرژی زلزله، حداقل تغییر شکل باقیمانده پس از تخلیه نیز باید در نظر گرفته شود.­SMAهای پایه آهنی، مانند SMAهای پایه Fe-Mn-Si، جایگزینی برای نیتینول هستند و مزایای بیشتری برای کاربردهای در مقیاس بزرگ در بخش ساخت و ساز دارند. این ویژگی­‌ها شامل هزینه مواد کم، سختی و استحکام الاستیک بالا، پسماند تبدیل حرارتی گسترده، کارایی استثنایی، جوش پذیری و ماشین­کاری خوب، و بازیابی تنش و کرنش مفید است.

اخیراً، SMAهای پایه Fe-Mn-Si برای کاربردهای مختلف سازه­ای، مانند دستگاه‌­های کوپلینگ، سفت کردن مکانیکی، اجزای سازه­ای، کنترل فعال، پیش­تنیدگی یا پس تنش سازه‌­ها و دستگاه­‌های میرایی در مهندسی عمران مورد توجه قرار گرفته‌­اند. علیرغم ویژگی­‌های ذکر شده، آلیاژهای Fe-Mn-Si دارای خاصیت شبه الاستیک کم هستند که کاربرد لرزه‌­ای آنها را محدود می‌­کند. خاصیت شبه الاستیک به پارامترهای پردازش، مانند دمای تغییر شکل و کرنش کل، و پارامترهای مواد، مانند انرژی نقص چیدمان (SFE)، اندازه دانه، بافت، و رسوبات (کسر حجمی، اندازه، شکل و توزیع) بستگی دارد. استحاله مارتنزیتی ناشی از کرنش زمانی اتفاق می‌افتد که SFE معمولاً کمتر از مقدار آستانه باشد. هنگامی که SFE بیشتر از  mJ/m²40 باشد، لغزش نابجایی‌­ها پس از تغییر شکل الاستیک فاز آستنیت اصلی رخ می‌دهد که باعث تغییر شکل پلاستیک می‌شود. اگر SFE به ترتیب در محدوده mJ/m² 20-40 و کمتر از mJ/m² 20 باشد، دوقلوزایی مکانیکی و تبدیل مارتنزیتی ناشی از تنش اتفاق می‌افتد. علاوه بر این، کاهش متوسط اندازه دانه زمینه آستنیتی باعث افزایش PE می‌شود، که با تأثیر افزایش مقدار مرزهای دانه بر افزایش اعمال تنش‌های برگشتی روی راس باندهای HCP توضیح داده می‌شود. علاوه بر این، استحکام فاز مادر با کاهش متوسط اندازه دانه افزایش می‌یابد. بنابراین، تغییر شکل پلاستیک با دوقلوسازی یا لغزش به حداقل می‌رسد و تبدیل آستنیت به مارتنزیت و در نتیجه بهبود خاصیت شبه الاستیک را ممکن می‌سازد. خاصیت شبه الاستیک همچنین با القای پراکندگی ریز رسوبات با اندازه نانو، مانند NbC، VC، و VN، در فاز آستنیت افزایش می‌­یابد. رسوبات NbC فاز γ را تقویت می کند و به حرکت برگشت پذیر فصل مشترک آستنیت/مارتنزیت (γ/ε) از طریق یک مسیر کریستالوگرافی خاص کمک می­‌کند.

اخیرا یک طرح جدید برای Fe-SMA با ذرات ریز پراکنده (VC، Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V-C (درصد وزنی)، اخیرا در آزمایشگاه فدرال علوم و فناوری مواد سوئیس توسعه یافته است (Empa). این آلیاژ را می‌توان با استفاده از فرآیند ریخته‌گری ارزان قیمت در شرایط اتمسفری تولید کرد و می‌تواند تنش بازیابی بالا تقریباً 448 مگاپاسکال را پس از پیش­کرنش کردن تا 8% و حرارت دادن تا دمای 455 درجه سانتی‌گراد بدون هیچ گونه فرایند پرهزینه دیگری ایجاد کند.  این آلیاژ پتانسیل بالایی برای تعمیر و تقویت در مقیاس بزرگ در بخش ساخت و ساز و میرایی ارتعاش غیرفعال از خود نشان داده است. مطالعات زیادی در مورد رفتار بازیابی تنش، خستگی چرخه پایین، خستگی چرخه بالا، رفتار در دمای بالا، توانایی پیوند دادن و ساخت افزودنی SMAهای پایه Fe-Mn-Si انجام شده است. این ماده برای تیرهای پل، اتصالات و صفحات در مقیاس بزرگ استفاده شده است. اگرچه این آلیاژ اثر حافظه‌دار شکلی بسیار خوبی از خود نشان می دهد، اما کم بودن خاصیت شبه الاستیک در این آلیاژها، یکی از معایب عمده است. هر گونه بهبود در پلی اتیلن آلیاژ منجر به افزایش بیشتر پتانسیل آن برای کاربردهای جدید و اتلاف انرژی در بخش ساخت و ساز می­شود. بنابراین، هدف این کار بررسی اثر عملیات‌­های مختلف ترمومکانیکی بر پاسخ " شبه الاستیک" آلیاژ است. هدف از این کار ارائه درک جدیدی از مکانیسم‌های شبه الاستیسیته در یک آلیاژ حافظه شکل پایه FeMnSi و استفاده از پارامترهای شناسایی‌شده برای کنترل و بهبود رفتار مکانیکی آلیاژ است.

در این تحقیقات، آلیاژ با استفاده از نورد کالیبر به کرنش معادل 0.25 در دمای اتاق پردازش شده است. عملیات حرارتی مختلف از 530 تا 1000 درجه سانتیگراد برای مطالعه تکامل ریزساختاری و رفتار شبه الاستیسیته در طول بازپخت کوتاه‌مدت پس از تغییر شکل (PDA[1]) و پیرسازی استفاده شده است. حداقل کرنش باقیمانده 2.85% پس از 4% بارگذاری در کشش با بازپخت نمونه سرد کار شده در دمای 925 درجه سانتیگراد به مدت 50 دقیقه و سپس پیرسازی در دمای 750 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت به دست آمده است. این مقدار، کمترین کرنش باقیمانده گزارش شده برای این آلیاژ است. علاوه بر این، انرژی جذب شده از 17 به 22 ژول بر سانتی متر مکعب افزایش یافته است که نشان­دهنده افزایش 30 درصدی در مقایسه با نمونه پیرسازی شده است. این پیشرفت‌ها در شبه الاستیسیته و انرژی جذب‌شده، این آلیاژ را برای کاربرد میرایی لرزه‌ای مناسب‌تر می‌سازد. این پیشرفت‌ها عمدتاً به ریز دانه شدن نسبت داده می‌شود، که باعث توزیع یکنواخت رسوبات را در داخل دانه‌های آستنیت پس از PDA و پیرسازی می شود. علاوه بر این، ریز دانه شدن مورفولوژی و اندازه رسوبات را تغییر می‌دهد و منجر به افزایش تعداد نقص چیدمان و کسر حجمی بالایی از مارتنزیتε می‌شود و احتمال تقاطع لایه های ε-مارتنزیتی با یکدیگر و متعاقب آن تشکیل مارتنزیت α’ را کاهش می‌دهد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785422016313