بسم الله الرحمن الرحيم

1. بسم الله الرحمن الرحيم

2. پروژه شناخت فلزات صنعتي

3. مقدمه : موادي که باعث سازگاري سازه با محيط خود مي شوند، مواد محرک ناميده مي شوند. اين مواد مي توانند شکل، سفتي، مکان، فرکانس طبيعي و ساير مشخصات مکانيکي را در پاسخ به دما و يا ميدان هاي الکترومغناطيسي تغيير دهند. امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده مي شود که شامل آلياژهاي حافظه دار، سراميکهاي پيزوالکتريک2، مواد مغناطيسي سخت3 و مايعات الکترورئولوژکال4 و مگنتورئولوژيکال5 مي باشند.

4. اين مواد از زمره مواد هوشمند محرک مي باشند. مواد هوشمند آن دسته از موادي هستند که مي توانند به تغييرات محيط به بهترين شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغييرات تنظيم نمايند. به طور کلی مواد حافظه دار موادی هستند که دارای چند عملکرد یا به عبارتی دیگر هوش ذاتی هستند که در ساختار آنها بوجود آمده است .که مواد حافظه دار می توانند از فلزات ،سرامیکها،پلیمرهاو...باشند. .واژه آلیاژحافظه دار (SMA) برای گروهی از مواد فلزی بکار می رود که قدرت و توانائی مربوط به برخی اندازه ها یا شکلهای  قبلا تعریف شده را موقعی که تحت عملیات حرارتی مناسب قرارمیگیرند تشخیص میدهند .

5. حرارت دادن در بالای دمای انتقال به این آلیاژها باعث تغییر فاز در ساختار کریستالی آنها می گردد . بعضی از این آلیاژها با حرارت دادن حافظه داری خود را نشان می دهند و بعضی از آنها با سرد کردن و گرم کردن. در پديده حافظه داري، نمونه در حالت كاملاً مارتنزيتي به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود سپس با گرم كردن نمونه و برگشت آن به حالت آستيني، شكل نمونه نيز به حالت اول خود بر گردد .

6. شكل (1) سيكل حرارتي مكانيكي توصيف كننده پديده حافظه داري شكلي شكل(1) چگونگي پديده حافظه داري شكل را با تبديل دو فاز آستنيت و مارتنزيت به يكديگر نشان مي دهد.

7. بررسي بر روي تغيير حالت متالورژيكي نمونه جامد ، تغيير آرايش اتم ها بدون هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز زمينه را نشان مي دهد. اين تغيير آرايش منجر به ايجاد ساختار كريستالي فاز جديد و پايدار مي شود. پيشرفت تغيير حالت بدون نياز به حركت و جابجايي اتمها به صورت مجزا ، را مي توان مستقل از زمان دانست و به همين دليل مي توان وابستگي دما را به عنوان تنها عامل پيشرفت اين تغيير نشان داد.

8. تاریخچه: در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پديده حافظه داري شكلي توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذيري حافظه شكلي را در AuCd از طريق مطالعات فلز شناسي و تغييرات مقاومت آلياژ ، بررسي كردنددر سال 1956 مشاهدات و نتايج تحقيقات مربوط به تز دكتراي Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلياژCu-Zn منتشر شد. . در سال 1962 Buhler و همكارانش ،به بررسي پديده حافظه داري شكلي در آلياژ تيتانيم و نيكل كه داراي اتمهاي برابر مي باشند پرداختند. در اين هنگام تحقيق درباره متالورژي و كاربردهاي عملي اوليه آن به طور جدي آغاز شد.

9. در سال 1967 در كنفرانس Nol ،Buhler و همكارانش تحقيقات گسترده خود را بر روي Nitionol و كاربردهاي تجاري فراوان در صنايع ارائه دادند . از جمله كاربردهاي مطرح شده ساخت كوپلينگ توسط شركت Raychem براي اتصال لوله هاي هيدروليكي مي باشد. كه در صنايع هوايي و نيروي دريايي ايالات متحده و همچنين در حوزه هاي نفتي درياي شمال مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1980 ميلادي Micheal و Hawt با انتشار مقاله اي از نتايج تحقيقات خودشان بر روي برنج آنرا به عنوان ماده جديد حافظه دار معرفي كردند.

10. چگونگی پی بردن به حافظه داربودن این آلیاژها:History”SMAs” در سال 1961در لابراتوار اسلحه و مهمات نیروی دریایی White Oak بود ،که به خاصیت بی همتاو شگفت انگیز این گونه آلیاژها پی برده شد. Dr.Wiliam.j.Buehler اولین نفری بود که به حافظه دار بودن این آلیاژها پی برد. اکتشاف حقیقی خاصیت حافظه دار بودن آلیاژ به طور تصادفی به دست آمد.در نشست هیئت مدیره لابراتوار یک نوار از این آلیاز که مدتها از خم شدن آن می گذشت مهیا بود.یکی از حاضران به نام « دکتر دیوید» نوار را با فندک مخصوص پیپش گرم کرد وبه طور شگفت آوری نوار کشیده شد و به حالت اولیه خود برگشت.

11. آزمایش جهت بررسی حافظه دار بودن یک آلیاژ حافظه دار به منظور بررسی اثر حافظه دار بودن یک آلیاژ حافظه دار پایه مس،چندین ترکیب مختلف از سیستم سه تایی مس-روی-آلومینیوم انتخاب شد ند.نمونه های آزمایشی با استفاده از مواد اولیه با خلوص تجارتی توسط فرایند ذوب در کوره القايی و نورد گرم و سرد تهیه شدند و بر روی یکی از ترکیبات ساخته شده درمحدوده حرارتی 290-200 درجه سانتیگراد رفتار پیری ایزو ترمال مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از آزمایشات خمش، سختی، کشش مکانیکی، اندازه گیری ضریب مقاومت الکتریکی وبررسی(اثرحافظه دار ورفتار پیری مورد مطالعه قرار گرفت. SEMمتالوگرافی با میکروسکوپ نوری و الکترونی ) نتایج بدست آمده بیانگر آن است که اثر حافظه دار در این آلیاژها در اثر تحول مارتنزیتی بوده ودر محدوده حرارتی تغییر حالت خواص آلیاژ بطور قابل توجهی تغییر پیدا می کند.

12. رفتار پیری با استفاده از روابط سینتیکی مورد بررسی قرار گرفت.نتایج حاصله نشان می دهند که از بین رفتن اثر حافظه دار در این آلیاژها با تغییرات خواص آلیاژ(افزایش سختی، استحکام کششی، تسلیم،ضریب مقاومت الکتریکی ومدول الاستیسیته)همراه می باشند. چنین تغییراتی ناشی از تحولهای اکتیواسیون حرارتی بوده و انرزی محرکه تغییر حالت پیری ایزوترمال در حدود 110 kj/mol می باشد.

13. اساس حافظه داری آلیاژ : NiTinol آلیاژهای حافظه دار از عناصر نیکل و تیتانیوم تشکیل شده اند، که تحت نام نایتینول شناخته می شوند. اصل حافظه داری درآلیاژ نایتینول تغییر فاز می باشد. در واقع پس از کشف این خاصیت درآلیاژهای حافظه دار سؤال این بود که تا چه مقدار این فلزات می توانند شکل اولیه خود را به خاطر آورند.

14. « دکتر فردریک» که یک پژوهشگر در ساختمان کریستالی است با دقت تغییرات ساختمانی که در تراز اتمی خاصیت بی همتای این فلزات تاثیر داشتند بررسی کرد.او فهمید که نیتینول یک فاز متغییر دارد (البته در حالت جامد) و این فاز متغییر مارتنزیت و آستنیت می باشد.نیتینول می تواند در دمای نسبتا پایین تغییر فرم پلاستیک یافته و سپس در درجه حرارت بالا به شکل قبل از تغییر فرم پلاستیک برگردد. اساس خاصیت برگشت پذیری این آلیاژها«تغییر حالت مارتنزیتی فاز آستنیت می باشد». درفاز مارتنزیت نیتینول می تواند خم شود و به اشکال مختلف تغییر شکل بدهد.

15. روشي نو جهت کنترل ترکيب لايه‌هاي نازک حافظه دار آلياژ پايه: لايه‌هاي نازک NiTi با درصد مساوي از نيکل و تيتانيم به عنوان يک ماده عملگر خودکار در سيستم‌هاي ميکروالکترومکانيکال به خاطر دانسيته انرژي مکانيکي بالا که از تحول مارتنزيتي ناشي مي‌شود مورد توجه زيادي قرار گرفته است. در اين ميان لايه‌هاي نازک (Ni(Ti+Hf) نيز به خاطر وجود تحولات فازي پايدار در دماهاي بالاتر از آلياژ NiTi به عنوان مناسب‌ترين لايه‌هاي نازک هوشمند دما بالا از اهميت ويژه‌اي برخوردارند.

16. در اين قسمت يک روشي نو جهت کنترل ترکيب لايه‌هاي نازک حافظه دار آلياژ پايه NiTi اعم از (X<0.3)Ni0.5Ti0.5-X , HFX , Ni1-XTiX توسط لايه نشاني همزمان از طريق تارگت‌هاي مجزا در سيستم‌ پراکنش با خلاء UHV (<10-8torr) بررسی می شود. تأثير پارامترهاي مهم دستگاه پراکنش از جمله اثر توان اعمالي به تارگت‌ها در ترکيب لايه، اثر فشار گاز آرگون (Ar) بر ريز ساختار و خواص حافظه داري، و اثر هندسه لايه نشاني بر انحراف ترکيب در واحد طول و ضخامت لايه مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج نشان داد که در فشار گاز آرگون بالاتر از Pa2/1، لايه به شدت ترد و خواص حافظه‌داري آن بسيار ضعيف مي‌شود در حاليکه با کاهش فشار گاز آرگون به مقدار Pa6/0 لايه‌هاي نازک حافظه‌دار با ترکيبات مختلف و قابل مقايسه با خواص کپه‌اي آلياژ NiTi قابل دستيابي است.

17. مشخصه‌‌يابي لايه‌هاي بهينه شده توسط روش‌هاي مختلف آناليز نظير XRD,DSC,AFM و اندازه‌گيري مقاومت الکتريکي بر حسب دما، TEM, RBS, SEM(EDS) و نانوسختي سنجي انجام پذيرفت. نتايج آزمايشهاي XRD نشان داد که لايه نشانده شده به ضخامت m 2 در دماي اتاق آمورف بوده و نياز به عمليات حرارتي مناسبي دارد. عمليات حرارتي و يا به عبارت ديگر فرآيند آنيلينگ بر اساس دماي کريستاليزاسيون لايه‌ها که از آناليز حرارتي DSC به دست آمد انجام پذيرفت.

18. نتايج نشان داد که دماي کريستاليزاسيون، وابسته به ترکيب لايه‌ها مي‌باشد (به عنوان مثال، دماي کريستاليزاسيون لايه نازک NiTi با درصد مساوي از نيکل و تيتانيم Cْ 472 و در لايه NiTiHf با ترکيب %at7/28=HF برابر Cْ519 اندازه‌گيري شد). بنابراين آنيلينگ لايه‌هاي نازک NiTi در دماي Cْ500 و لايه‌هاي NiTiHF به دليل دماي کريستاليزاسيون بالاتر، در دماي Cْ550 به مدت يک ساعت انجام پذيرفت. مشخصه‌يابي لايه‌هاي نشانده شده توسط روش‌هاي XRD بر اساس تابعي از دما، DSC و اندازه‌گيري مقاومت الکتريکي نشان داد که دماهاي تغيير فاز تابعي از ترکيب لايه مي‌باشند.

19. در لايه‌هاي نازک NiTi اين دماها وابسته به نسبت Ni/Ti بوده به طوريکه در لايه‌هاي غني از نيکل دماهاي تغيير فاز در زير دماي اتاق رخ داده در حاليکه در لايه‌هاي غني از تيتانيم و ترکيب مساوي از نيکل و تيتانيم بالاتر از دماي اتاق و پايين‌تر از Cْ100 گزارش مي‌شود. نتايج مشخصه يابي لايه‌هاي هوشمند NiTiHf نيز نشان داد که با جايگزين کردن Hf به جاي Ti در سيستم دوتايي NiTi به ميزان at%10 دماي تغيير فاز به بالاتر از Cْ100 رسيده و در at%4/24 دماي Ap (دماي پيک آستنيتي) به Cْ 414 افزايش مي‌يابد. همچين فاز R در ترکيبات مختلف از 15 at%=Hf مشاهده گرديد.

20. تأثير ترکيب شيميايي لايه‌هاي نازک بر ساختار، مورفولوژي سطح، دماهاي تغيير فاز و رفتار مکانيکي لايه‌ها نيز مورد بررسي قرار گرفـت. نتايج نشان داد که اين خواص وابستگي شديدي به انحراف ترکيب به ميزان کم را دارند. اثر انحراف ترکيب از مقدار نسبت مساوي نيکل و تيتانيم باعث ايجاد رسوباتي از نوع Ni4Ti3 در لايه‌هاي غني از نيکل و Ti2Ni در لايه‌هاي غني از تيتانيم شده از وجود آنها، دماهاي تغيير فاز را جابجا مي‌کند.

21. نتايج حاصل از مشاهدات AFM نشان از نانو ساختار سطحي لايه‌ها را داشت. لايه‌هاي نازک آلياژ NiTi و NiTiHf به ترتيب با اندازه دانه کمتر از nm50 و nm100 داراي خواص حافظه داري و سوپر الاستيسيته مطلوب و قابل مقايسه با حالت کپه‌اي همان آلياژها مي‌باشند. اندازه دانه‌ها و مطالعه فازهاي مختلف با TEM نيز مورد بررسي قرار گرفت که نشان از نانوساختار بودن لايه‌ها را داشت. خواص مکانيکي لايه‌هاي نازک که توسط روش نانوسختي سنجي در دماي اتاق انجام پذيرفت در عمق‌هاي فرورونده کمتر از nm200 در لايه‌هاي غني از نيکل خاصيت سوپرالاستيسيته و در لايه‌هاي غني از تيتانيم و درصد مساوي از نيکل و تيتانيم تغيير فرم مارتنزيتي را نشان داد.

22. مدل‌هاي تغيير فرم در زير ماده فرورونده در دو حالت ذکر شده بررسي شده است. همچنين مدل يانگ و سختي لايه‌ها بر حسب تابعي از عمق فرورونده مورد مطالعه قرار گرفتند. در پايان، با توجه به نتايج به دست آمده، روش لايه نشاني پيشنهادي از تارگت‌هاي مجــزا مي‌تواند روشي مناسب در کنترل ترکيب لايه بوده و نيازي به توليد آلياژهاي مختلف NiTi براي ساخت تارگت‌هاي آلياژي نيست. اين روش براي ساخت لايه‌هاي نازک حافظه دار دوتايي و سه تايي در ساخـت سيستم‌هاي MEMS و BioMEMS پيشنهاد مي‌شود.

23. روش تهیه: کوره مقاومتی، برای تهیه آلیاژ حافظه دار تیتانیوم - نیکل؛چهار روش :ذوب در کوره مقاومتی خلاء، کوره کوانتومتری و توسط روش سنتز احتراقی بررسی شده اند. محصولدو روش اول همگن نبوده وقابلیت نورد گرم ندارند ولی قطعهً ذوب شده در کوره کوانتومتری ازنظر ترکیب شیمیایی یکنواخت است وقابلیت کارگرم دارد. درفرآیند سنتز احتراقی علاوه بر اینکه صرفه جوئی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی وزمان صورت می گیرد ؛محصول فرآیند نیزمی تواند به راحتی نورد گرم وسرد شوند وبر خلاف سه روش قبلی نیازی به عملیات حافظه دار کردن ندارند.

24. روش هاي اصلي ساخت آلياژ هاي حافظه داردر دو گروه عمده قابل بررسي است: الف) ساخت آلياژ به طريقه ذوب وريخته گري با استفاده از كوره هاي القاييو كوره هاي مقاومتي ب) ساخت آلياژ به طريقه متالورژي پودر براي توليد آلياژهاي حافظه دار درتناژهاي بالا و تجارتي ، از روش ذوب و ريخته گري استفاده مي شود.

25. معرفي آلياژهاي حافظه دار: آلياژهاي حافظه دار عنوان گروهي از مواد محرک مي باشند که خواص متمايز و برتري نسبت به ساير آلياژها دارند. عکس العمل شديد اين مواد نسبت به برخي از پارامترهاي ترموديناميکي ومکانيکي و قابليت بازگشت به شکل اوليه دراثراعمال پارامترهاي مذکوربه گونه اي است که مي تواند رفتارسيستم را بهبود بخشد. وقتي يک آلياژمعمولي تحت بار خارجي بيش از حد الاستيک قرارمي گيرد؛ تغيير شکل مي دهد. اين نوع تغييرشکل بعد از حذف بارباقي مي ماند.اما آلياژهاي حافظه دار، از جمله آلياژهايNi-Ti/Cu-Zn/ Cu-Zn-Al/Cu-Zn-Ga Cu-Zn-Sn، Cu- Zn-Si، Cu-Al-Ni، Cu-Au-Zn، Cu-Sn، Au-Cd، Ni-Al، Fe-Pt و... رفتارمتفاوتي از خودارائه مي نمايند. دردماي پايين، يک نمونه حافظه دارمي تواند

26. تغييرشکل پلاستيک چنددرصدي راتحمل کندوسپس به صورت کامل به شکل اوليه خود در دماي بالا برگردد. در فرآيند برگشت به شکل اوليه، آلياژ مي تواند نيروي زيادي توليد کند که اين نيروبراي تحريک مفيد مي باشد.اين فرآينداولين باردر سال 1938 مشاهده شد و براي مدت زمان طولاني در حد کنجکاوي آزمايشگاهي باقي ماند. درسال 1961 اثر حافظه داري شکل در آلياژنيکل - تيتانيوم با درصداتمي مساوي (50-50%) توسط بوهلر و در آزمايشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordanance Lab) کشف وتحت نام نايتينول (Nitinol) مشهور شد. دوحرف اول نايتينول درارتباط با نيکل، دوحرف بعدي مربوط به عنصر تيتانيوم وسه حرف آخر دررابطه باآزمايشگاه ناول اوردانس ميباشد.ازاوايل سال 1980استفاده از آلياژهاي حافظه دار در بين محققان ومهندسان مورد توجه قرارگرفت و اين آلياژ هوشمند در

27. زمينه هاي وسيعي از جمله تعديل رفتار آئرو الاستيسيته آنتن ماهواره ها ، کنترل ارتعاش سازه هاي فضايي، کنترل ارتعاش سطوح کنترلي هواپيماها و حتي در شبيه سازي هاي پزشکي مورد استفاده قرار گرفته است و کشف مزاياي اصلي و علمي آن هر روز افزايش يافته است. مکانيزم اصلي که خواص آلياژهاي حافظه دار را کنترل مي کند در رابطه با تغيير کريستالي آلياژ است . به اين معني که ساختار مارتنزيتي در دماي پايين با افزايش دما به ساختارآستنيتي تبديل مي شود ودرهنگام سرد کردن؛ فرآيندعکس رخ خواهد داد. بسياري از مواد، استحاله مارتنزيتي دارند اما برتري که آلياژهاي حافظه دار را نسبت به آلياژهاي ديگر متمايز مي نمايد قابليت دو قلو شدن اين آلياژ در فاز مارتنزيت مي باشد. در حاليکه مواد ديگر به وسيله لغزش و حرکت نابجائيها تغيير

28. شکل مي يابند، آلياژهاي حافظه دار به وسيله تغيير جهت ساده ساختار کريستالهاي خود و از طريق مرزهاي دو قلوئي به تنشهاي اعمال شده، عکس العــمل نشان مي دهند. اگردراين آلياژها دردماي پائين،هنگاميکه فازمارتنزيت حاکم است، تغيير‌ فرم پلاستيکي روي ‌دهد، ساختار کريستالي دو قلو شده اي براي آلياژ ايجاد مي شود كه ناشي از تغيير فرم پلاستيک مي باشد . با گرم‌کردن آلياژ تغيير فرم يافته تا دماي شروع فازآستنيت مي‌تواند شکل اوليه را بازگرداند. اين توانائي بعنوان اثر حافظه- شکل خوانده مي‌شود و حاصل از تغيير فاز مارتنزيت دردماي پائين به فاز آستنيت دردماي بالا مي‌باشد .

29. همانگونه کهدر شکل ملاحظه مي گردد، دراثرخم کردن ميله حافظه دار در دماي پايين و جايي که فاز مارتنزيت حاکم است، تغيير فرم پلاستيک در ميله رخ داده و طول آن زياد مي شود. حال اگر ميله خم شده، گرم شود و فاز آستنيت حاکم گردد، ميله به بهينه ترين حالت به شکل اوليه خود بر مي گردد. وقتي هم که ميله سرد شود و به فاز مارتنزيت برگردد، نيز کرنشهاي پلاستيک کاملا حذف شده اند و به حالت اوليه در خواهد آمد . در حقيقت در اثر فرآيند برگشت به شکل اوليه، تنشهايي در آلياژ توليد ميشود که اين تنش باعث تحريک ميشود.اين تنشهاي حاصل شده، تنش بازيافتي خوانده مي شود و بهبود توزيع تنش و کرنش، بهبود خواصي چون مدول يانگ و تنش تسليم و توانائي کنترل رفتار سيستم، از جمله آثار مفيد تنشهاي بازيافتي مي‌باشد. بعنوان مثال اگر در نوعي از اين آلياژ کرنش 8 درصدي رخ دهد، با گرم کردن مي توان اين کرنش را کاملا از بين برد.

30. تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن: تغيير حالت متالورژيكي جامدات از دو طريقه زير امكان پذير است . 1)حركت و جابجايي اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغيير در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي. 2)تغيير آرايش اتمي به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگي به زمان و هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي . تغيير حالتهاي مارتنزيتي به طريقه دوم مرتبط است و داراي مشخصات زير است 1)تغيير مكان به صورت شبه برشي مي باشد و در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شود. 2) ديفوزيون اتمي در آن اتفاق نمي افتد.

31. كريستالوگرافي مارتنزيتي: تغيير حالت تبديل آستنيت به مارتنزيت از لحاظ كريستالوگرافي در سه مرحله قابل بررسي است . 1- تغيير فرم شبكه اي 2- برش ناهمگن 3- دوران شبكه اي فرآيند تبديل آستنيت به مارتنزيت در مرحله تغيير فرم شبكه اي در شكل 2 نشان داده شده است . در اين مرحله اتم ها با جابه جايي جزئي و هماهنگ، پيشروي فصل مشترك از هر لايه اتمي را موجب مي شوند.

33. بايد توجه داشت پديده حافظه داري بدون تغيير حجم و تغيير شكل امكان پذير بوده و برش ناهمگن توجيه كننده اين مطالب مي باشد. برش ناهمگن در مارتنزيت به دو طريق امكان پذير است : 1) مكانيزيم لغزش يافتن صفحات اتمي 2) مكانيزيم تشكيل دوقلويي ها

35. تصاوير نشان داده شده چگونگي انطباق فاز مارتنزيت بر فاز آستنيت را در هنگام جابجايي جزيي و گروهي اتمها با حفظ شبكه كريستالي نشان مي دهد. بايد توجه داشت كه لغزش صفحات اتمي به علت شكسته شدن باند هاي اتمي بعنوان مكانيزيم تغيير فرم پلاستيك دائم محسوب مي شود، در صورتي كه درمکانیزم دو لغزندگي نسبي قلويي به علت انرژي پايين مرز دوقلويي و برخورداري از تحرك و ناشي از تغيير حالت تغيير فرم غير دائم است. درآلياژهاي حافظه دار، كرنش هاي سازي مي شوند و در اثر تشكيل يك جفت از دوقلويي هاي دو طرف مرز ذخيره براي برگشت پذيري از آن استفاده مي شود.

37. شكل 4) مرز دوقلويي را نمايش مي دهد و هر يك از دوقلويي هاي دو طرف مرز دوقلويي يك وا ريانت را شامل مي شود. در صورت وارد كردن تنش برشي به مرز دو قلويي باعث حركت يكي از واريانت ها شده و واريانت ديگري حذف مي شود.(شكل 4 ،B) اين روند مي تواند تا تبديل تمامي واريانت به يك واريانت واحد ادامه يابد(شكل 4، C) . بررسي پديده حافظه داري در تك كريستال آستنيت در شكل 5 نمايش داده شده است

39. مرحله اول همانطور كه از شكل پيداست بعد از سرد كردن كريستال در زير دماي Mf واريانت هاي A و B و C و D تشكيل مي شوند مرحله دوم با وارد كردن تنش به كريستال ، واريانتها شروع به حركت و حذف شدن مي كنند تا واريانت واحد A تشكيل گردد. حين تشكيل واريانت واحد A كرنش هايي در جهت واریانت َAذخيره مي شود. مرحله سوم مربوط به حرارت دادن كريستال نمونه براي تبديل مارتنزيت به آستينت مي باشد از آنجاييكه كرنش ها تنها در جهت واريانت A ذخيره شده اند، پس تنها مسير براي برگشت پذيري، واريانت A مي باشد و نمونه به شكل اوليه خود باز مي گردد.

40. رفتار ترمومكانيكي: آلياژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصيات مكانيكي بسياري مي باشند در شكل زیر منحني هاي ساده تنش - كرنش براي آلياژ تيتانيم- نيكل مشاهده مي شود. آلياژ دردماهاي پايين ، متوسط و بالاي دماي استحاله مورد آزمايش قرار گرفته است . تغيير شكل در مارتنزيت با چند در صد كرنش و تنش فشاري نسبتاً كم ديده مي شود. درحاليكه آستنيت دردرجه حرارت بالا نياز به تنش نسبتا زيادي براي تغيير شكل دارد . خط چين روي منحني مارتنزيت نمايانگر برگشت پذيري آلياژ بعد ازبرداشتن تنش وارد شده بعد از گرم كردن نمونه و تبديل به فازآستنيت مي باشد ولي چنانچه كه مشاهده مي شود درمنحني مربوط به آستينت با برداشتن تنش و گرم كردن نمونه امكان برگشت پذيري وجود ندارد.

42. خاصيت ارتجاعي كاذب: خصوصيت جالب توجه درباره منحني تنش-كرنش درقسمت منحني C ديده مي شود.به طوري كه پس از حرارت دادن نمونه كمي بالاتر ازدرجه حرارت انتقال، دردرجه حرارت بالاي Af به نمونه درفازمارتنزيت تنش وارد مي شود.با افزايش مقدار تنش ،تغيير شكل نيز به صورت يكنواخت افزايش مي يابد (منحني AB). دراين هنگام رفتارتغيير شكل و تنش پايداري مشاهده مي شود با كاهش تنش (منحني (CD مارتنزيت به آستينت تبديل مي شود بايد توجه داشت كه برگشت پذيري انجام شده به خاطرتغييرحرارت نمونه نمي باشد ودليل آن كاهش فشاراين است. پديده را كه موجب مي شود آلياژخاصيت كشساني نامحدود پيدا كند به عنوان خاصيت ارتجاعي كاذب ناميده مي شود.

43. اثر حافظه- شکل آلياژهاي حافظه دار: رفتار ترموديناميکي آلياژهاي حافظه دار به دما، تنش و ترکيب شيميايي و ساختار آلياژ بستگي دارد. در فرآيند گرم کردن آلياژ و در دماي پايين تر از دماي آغاز فاز آستنيت ماده 100% در فاز مارتنزيت مي باشد و در دماي پايان فاز آستنيت ماده 100% در فاز آستنيت مي باشد. و در فرآيند سرد کردن و در دماي بالاتر از دماي آغاز فاز مارتنزيت ماده 100% در فاز آستنيت مي باشد در حاليکه در دماي پايين تر از دماي پايان فاز مارتنزيت ماده کاملا در فاز مارتنزيت مي باشد. اما در دماي مابين و و همچنين مابين دماهاي و ماده بصورت دو فازي است و بخشي از آن در فاز مارتنزيت و بخشي از آن در فاز آستنيت مي باشد.

44. حالت ماده در دماهاي مختلف توسط درصد حجمي فاز مارتنزيت بيان مي شود که در دماي پايينتر از در فرآيند گرم کردن و دماي پايين تر از در فرآيند سرد کردن برابر مقدار 1 مي باشد و در دماي بالاتر از در فرآيند گرم کردن و بالاتر از در فرآيند سردکردن برابر مقدار صفر مي باشد. اما در دماي مابين دماهاي تغيير فاز بسته به نوع فرآيند سرد و گرم کردن به دما وابسته مي باشد در شکل 2-3 چگونگي اين ارتباط بر حسب دما نشان داده شده است. در دماي پايين و به ازاي مدول الاستيسيته آلياژ برابر با مدول فاز مارتنزيت و در دماي بالا و به ازاي مدول الاستيسيته آلياژ برابر به مدول فاز آستنيت مي باشد. اما در دماي مابين دماهاي تغيير فاز، تغييرات مدول الاستيسيته تابعي بر حسب دما و بصورت شکل 3-3 مي باشد.

45. همچنين تنشهاي بازيافتي توليد شده نيز به دما وابستگي دارد که اين ارتباط در شکل 4-3 آورده شده است. بايستي توجه شود که تنشهاي بازيافتي به مقدار کرنش اوليه بستگي داشته و در حالتي که آلياژ تحت هيچگونه کرنش اوليه اي نباشد، در اثر تغيير فاز، تنش بازيافتي توليد نمي شود. شکل 2-3) نمودار درصد حجمي فاز مارتنزيت بر حسب دما شکل 3-3) تغييرات مدول الاستيسيته بر حسب دما شکل 4-3) تنش بازيافت لايه‌هاي نازک NiTi با درصد مساوي از نيکل و تيتانيم به عنوان يک ماده عملگر خودکاردر سيستم‌هاي ميکروالکترومکانيکال به خاطر دانسيته انرژي مکانيکي بالا که از تحولمارتنزيتي ناشي مي‌شود مورد توجه زيادي قرار گرفته است.

46. دراين ميان لايه‌هاي نازک (Ni(Ti+Hf)نيز به خاطر وجود تحولات فازي پايدار در دماهاي بالاتر از آلياژ NiTi بهعنوان مناسب‌ترين لايه‌هاي نازک هوشمند دما بالا از اهميت ويژه‌اي برخوردارند. دراين رساله يک روشي نو جهت کنترل ترکيب لايه‌هاي نازک حافظه دار آلياژ پايه NiTi اعماز (X<0.3)Ni0.5Ti0.5-X , HFX , Ni1-XTiX توسط لايه نشاني همزمان از طريقتارگت‌هاي مجزا در سيستم‌ پراکنش با خلاء UHV (<10-8torr) مورد مطالعه قرارگرفت. تأثير پارامترهاي مهم دستگاه پراکنش از جمله اثر توان اعمالي به تارگت‌ها درترکيب لايه، اثر فشار گاز آرگون (Ar) بر ريز ساختار و خواص حافظه داري، و اثر هندسهلايه نشاني بر انحراف ترکيب در واحد طول و ضخامت لايه مورد مطالعه قرار گرفت.

47. نتايج نشان داد كه در فشار بالاتر از 2/1 پاسكال ، لايه به شدت ترد و خواص حافظه داري آن بسيار ضعيف مي شود در حالي كه با كاهش فشار گاز آرگون به مقدار6/0پاسكال لايه هاي نازك حافظه دار با تركيبات مختلف و قابل مقايسه با خواص كپه اي آلياژ NiTi قابل دستيابي است.مشخصه يابي لايه هاي بهينه شده توسط روشهاي مختلف آناليز نظير DSC,XRD,AFM و اندازه گيري مقاومت الكتريكي برحسب دما ، TEM,RBS,SEM(EDS) ونانو سختي سنجي انجام پذيرفت.

48. نتايج آزمايشهاي XRD نشان داد که لايه نشانده شده بهضخامت 2متردر دماي اتاق آمورف بوده و نياز به عمليات حرارتي مناسبي دارد. عملياتحرارتي و يا به عبارت ديگر فرآيند آنيلينگ بر اساس دماي کريستاليزاسيون لايه‌ها کهاز آناليز حرارتي DSC به دست آمد انجام پذيرفت. نتايج نشان داد که دمايکريستاليزاسيون، وابسته به ترکيب لايه‌ها مي‌باشد (به عنوان مثال، دمايکريستاليزاسيون لايه نازک NiTi با درصد مساوي از نيکل و تيتانيم Cْ 472و در لايه NiTiHf با ترکيب %at7/28=HF برابر Cْ519اندازه‌گيري شد). بنابراين آنيلينگلايه‌هاي نازک NiTi در دماي Cْ500و لايه‌هاي NiTiHF به دليل دماي کريستاليزاسيونبالاتر، در دماي Cْ550به مدت يک ساعت انجام پذيرفت. مشخصه‌يابي لايه‌هاي نشاندهشده توسط روش‌هاي XRD بر اساس تابعي از دما، DSC و اندازه‌گيري مقاومت الکتريکينشان داد که دماهاي تغيير فاز تابعي از ترکيب لايه مي‌باشند.

49. در لايه‌هاي نازک NiTi اين دماها وابسته به نسبت Ni/Ti بوده به طوريکه در لايه‌هاي غني از نيکل دماهايتغيير فاز در زير دماي اتاق رخ داده در حاليکه در لايه‌هاي غني از تيتانيم و ترکيبمساوي از نيکل و تيتانيم بالاتر از دماي اتاق و پايين‌تر از Cْ100گزارش مي‌شود. نتايج مشخصه يابي لايه‌هاي هوشمند NiTiHf نيز نشان داد که با جايگزين کردن Hf بهجاي Ti در سيستم دوتايي NiTi به ميزان at%10 دماي تغيير فاز به بالاتر از Cْ100رسيده و در at%4/24 دماي Ap (دماي پيک آستنيتي) به Cْ 414افزايش مي‌يابد. همچينفاز R در ترکيبات مختلف از 15 at%=Hf مشاهده گرديد. تأثير ترکيب شيميايي لايه‌هاينازک بر ساختار، مورفولوژي سطح، دماهاي تغيير فاز و رفتار مکانيکي لايه‌ها نيز موردبررسي قرار گرفت.

50. نتايج نشان داد که اين خواص وابستگي شديدي به انحراف ترکيب بهميزان کم را دارند. اثر انحراف ترکيب از مقدار نسبت مساوي نيکل و تيتانيم باعثايجاد رسوباتي از نوع Ni4Ti3 در لايه‌هاي غني از نيکل و Ti2Ni در لايه‌هاي غني ازتيتانيم شده از وجود آنها، دماهاي تغيير فاز را جابجا مي‌کند. نتايج حاصل ازمشاهدات AFM نشان از نانو ساختار سطحي لايه‌ها را داشت. لايه‌هاي نازک آلياژ NiTi و NiTiHf به ترتيب با اندازه دانه کمتر از nm50 و nm100 داراي خواص حافظه داري و سوپرالاستيسيته مطلوب و قابل مقايسه با حالت کپه‌اي همان آلياژها مي‌باشند. اندازهدانه‌ها و مطالعه فازهاي مختلف با TEM نيز مورد بررسي قرار گرفت که نشان ازنانوساختار بودن لايه‌ها را داشت.