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 ویران کننده قرار داشته است، هنوز امکان پیش ­بینی زمان و مکان دقیق آن وجود ندارد. بنابراین به نظر می­ رسد تنها روش مقابله با زلزله ایمن­ سازی سازه ­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 [1و2].

 

آلیاژهای حافظه‌ دار شکلی Shape Memory Alloys)SMAs) 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. بعبارت 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 حافظه‌دار 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 [2-4].

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

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 شکل (1) نمودار تنش-کرنش SMA ها بصورت نمونه در فاز استنیت (یا مارتنزیت) تحت نیروی کششی یا فشاری ارائه شده است [4]. 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 EY  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.

 

شکل 1: نمودار تنش کرنش آلیاژ های حافظه دار شکلی در کشش یا فشار

خاصیت حافظه دار شکلی [4]

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 ) شکل (2). 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.

 

شکل 2 : رفتار حافظه ی شکلی

SMA ها خاصیت دیگری تحت عنوان رفتار حافظۀ شکلی دوطرفه[4] 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.

 

خاصیت فوق ارتجاعی [4]

اگر SMA در فاز استنیت و دمای بالاتر از Af باشد، اعمال تنش به این ماده موجب تبدیل استنیت به مارتنزیت ایجاد شده توسط تنش می­ شود. با انجام باربرداری فاز مارتنزیت ناپایدار شده و تبدیل معکوس اتفاق می ­افتد که در نتیجۀ این تبدیل ماده به حالت اولیۀ خود باز می­ گردد و هیچ کرنش پسماندی بر جای نمی­ ماند. این رفتار خاصیت فوق ارتجاعی (سوپر الاستیسیته یا شبه الاستیسیته ) نامیده می شود، شکل (3).

شکل 3 : خاصیت فوق ارتجاعی

در نمودار تنش-کرنش مربوط به خاصیت فوق ارتجاعی شش بخش قابل تشخیص می­ باشد:

رفتار الاستیک فاز استنیت در کرنش های پایین (%1> ε)، بخش BC

تبدیل استنیت به مارتنزیت با اعمال تنش که در این بخش مقدار تنش تقریباً ثابت باقی مانده ولی کرنش به مقدار 6%-1% افزایش می ­یابد، بخش CD

رفتار الاستیک در فاز مارتنزیت در کرنش های بزرگ (8%< ε)، بخش DE

بازگشت الاستیک کرنش با حذف تنش، بخشEF

بازگشت کرنش در سطح تنش تقریباً ثابت به علت تبدیل معکوس مارتنزیت به استنیت، ناشی از ناپایداری فاز مارتنزیت در دمای بالاتر از Af ، بخش FG

بازگشت الاستیک کرنش در فاز استنیت، بخش GB

اگر دمای فاز استنیت تا مقدار T>>Md) Md) افزایش یابد در این حالت خاصیت فوق ارتجاعی کاملاً از بین رفته و SMA همانند مادۀ کاملاً الاستو – پلاستیک رفتار می­ کند. نمودار رفتارهای فوق به صورت سه بعدی در شکل (4) همراه با تغییرات دما ارائه شده است.

شکل 4 : نمودار سه بعدی تنش-کرنش-دما در آلیاژهای حافظه دار شکلی

رفتار SMA ها در بارگذاری های چرخه­ ای  و قابلیت استهلاک انرژی آن ها قابل توجه می­ باشد. از این خاصیت در کاربرد­های مختلف مهندسی بسیار استفاده می­ شود. محققین زیادی رفتار چرخه ­ای SMA ها را تحت بارگذاری های چرخه ­ای کششی، فشاری، برشی، و پیچشی مورد بررسی قرار داده ­اند.

 

اثر تعداد چرخه های بارگذاری [5]

یکی دیگر از عوامل تاثیرگذار در رفتار SMA ها تعداد چرخه ­های بارگذاری می­ باشد. در چرخه­ های ابتدایی بارگذاری رفتار مواد تغییر می­ کند تا اینکه پس از طی متعدد به یک حالت پایدار می­رسد. افزایش تعداد چرخه­ ها اولاً باعث کاهش تنش تبدیل می­ شود، ثانیاً مقداری کرنش پسماند ایجاد می ­شود. در شکل (5) اثر تعداد چرخه ­ها بر روی رفتار فوق ارتجاعی نشان داده شده است. برای دستیابی به یک رفتار پایدار و بدون کرنش پسماند بایستی SMA ها در زمان ساخت اصطلاحا تربیت شوند یعنی با انجام چرخه­ های ابتدایی بارگذاری، ماده را برای رسیدن به رفتار پایدار آماده کرد.

شکل 5 : اثر تعداد چرخه های بارگذاری بر روی رفتار فوق ارتجاعی

آلیاژ های حافظه دار شکلی نوعی مواد هوشمند فلزی هستند که رفتارهای منحصر بفردی از خود نشان می دهند و به دلیل همین رفتارها کاربردهای وسیعی در مهندسی عمران پیدا کرده اند. میراگرهای آلیاژی حافظه دار SMA یکی از روش های نوین کنترل سازه ها در برابر زمین لرزه بکار گیری مصالح هوشمند معروف به آلیاژ حافظه ‌دار شکلی (Shape Memory Alloy) است. میراگر آلیاژی SMA فلزی با توجه به شدت زلزله و درجه حرارت می تواند رفتار متغیری از خود نشان دهد. این مصالح هوشمند علاوه بر تامین میرایی بسیار بالا و اتلاف انرژی در هنگام زلزله، می توانند بعد از وقوع زلزله با اعمال حرارت سازه را به حالت اولیه خود برگردانند. نوع دیگری از این مصالح الیاژ سوپر الاستیسیته می باشد که آلیاژ به محض باربرداری بدون اعمال حرارت به حالت اولیه اش باز می گردد.

علت کاربردهای وسیع این ماده دو خصوصیت منحصر بفرد آن است: رفتار سوپرالاستیک ( ابرکشسان) و اثر حافظه دار شکلی که در اثر تبدیل فازهای متوالی بین دو فار آستنیت و مارتنزیت در دماهای متفاوت بوجود می آیند. کاربردهای آلیاژهای حافظه دار شکلی در مهندسی عمران و برای کنترل سازه ها در سه حوزه ی غیر فعال، نیمه فعال و فعال می باشد. کنترل غیرفعال سازه ها شامل سیستم های جداگر پی و سیستم های استهلاک انرژی است.

میراگرهای آلیاژی

SMA ها امروزه به صورت مفتول (سیم) ، میله و ورق در مهندسی سازه ارائه می شوند. این مصالح به صورت دستگاه های اتلاف انرژی در قالب میراگرها و یا دستگاه های جداسازی با آلیاژ حافظه دار شکلی ارائه شوند و می توانند در سازه های ساختمانی و پل و در مقیاس انبوه در اتصالات لوله‌های هیدرولیک بکار گرفته شوند. استفاده از این مصالح برای مقاوم سازی و بهسازی سازه های با اهمیت زیاد، گزینه بسیار مناسبی است. شرکت افزیر خدمات مقاوم سازی لرزه ای را در هر سطحی با داشتن کادری مجرب و متعهد ارائه می کند.

 میراگرهای آلیاژی حافظه دار SMA

 

1. Hsu SE, Yeh MT, Hsu IC, Chang SK, Dai YC, Wang JC. “Pseudoelasticity and shape memory effect on the TiNiCoV alloy”. Material Science Forum 2000; 327-28: 119-122.

2. Humbeek JV. “Non-medical applications of shape memory alloys”. Materials Science and Engineering 1999; A273-275: 134-148.

3. Liang C, Rogers CA. “Design of shape memory alloy actuators”. Mechanical Design 1992; 144:223-30.

4. Chandra R. “Active shape control of composite blades using shape memory actuation”. Smart Materials and Structures 2001; 10: 1018-24.

5. الیاسی, سیدرضا؛ وحید شمسی و محتشم محبی، ۱۳۹۵، ارزیابی اجزاء محدود اثرات استفاده از فولاد پرمقاومت بر عملکرد قاب های فولادی تحت بارگذاری چرخه ای، چهارمین کنگره بین المللی عمران ، معماری و توسعه شهری، تهران،  دبیرخانه دایمی کنفرانس، دانشگاه شهید بهشتی، https://www.civilica.com/Paper-ICSAU04-ICSAU04_0746.html