رفتار مکانیکی و سوپرالاستیسیته آلیاژهای حافظه دار niti با تخلخل بالا

آلیاژهای حافظه دار niti با توجه به خواص منحصربفرد خود شامل حافظه داری و سوپرالاستیسیته عالی، مقاومت بالا در برابر خوردگی و زیست سازگاری مناسب در بخش صنعت و پزشکی کاربردهای فراوانی پیدا نموده اند. علاوه بر محصولات چگال، استفاده از قطعات متخلخل این آلیاژ نیز در کاربردهای پزشکی بخصوص ارتوپدی و همچنین کاربردهای صنعتی بعنوان دمپر و قطعات جذب کننده پیشنهاد شده است. در بخش پزشکی، قطعات متخلخل niti با ساختار تخلخل باز می تواند بعنوان یک ایمپلنت، امکان رشد نسوج استخوانی را ایجاد کند. ضمن اینکه ایجاد تخلخل می تواند تا حد زیادی خواص مکانیکی این مواد را با مواد زیستی بدن تطبیق دهد. از آنجاییکه حضور حفرات در ساختار، رفتار مکانیکی و سوپرالاستیسیته ی قطعات را تغییر می دهد، لذا بررسی اثر تخلخل بر خواص مکانیکی قطعات متخلخل niti ضروری بنظر می رسد. با آنکه مشخصه یابی این قطعات بخصوص ریزساختار، دماهای استحاله و رفتار حافظه داری و سوپرالاستیسیته ی آن ها در تحقیقات مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است، با این وجود مطالعه ی مدون و متمرکز در زمینه رفتار مکانیکی قطعات متخلخل niti و اثر تخلخل بر خواص مکانیکی و سوپرالاستیسیته ی آن بخصوص در مورد قطعات با تخلخل بالا – بالای 50 درصد حجمی- صورت نگرفته است. در این تحقیق ابتدا تولید قطعات niti با حداقل مواد ناخواسته و ترکیبات بین فلزی مورد مطالعه قرار گرفته است. ریزساختار، رفتار استحاله ای و مورفولوژی تخلخل ها در این قطعات بطور کامل مشخصه یابی شده است. تلاش شده است قطعات با درصد حجمی تخلخل مختلف و مورفولوژی های متفاوت با استفاده از مواد فضاساز تولید گردد. همچنین اثر تغییر میزان غلظت نیکل و انجام عملیات پیرسازی بر دماهای استحاله ی قطعات مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت نمونه های آزمون مکانیکی فشار با تخلخل متفاوت با استفاده از مواد فضاساز تهیه و رفتار این قطعات در حالت بارگذاری استاتیک و سیکلی مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج، قطعات متالورژی پودر با ساختار همگن از فاز niti و عاری از ترکیبات ناخواسته با خواص حافظه داری مناسب تولید شده است. استفاده از پودرهای هیدریدی تیتانیم و همچنین حضور هیدروژن در ساختار، تاثیر مثبتی بر همگن بودن ساختار قطعات داشته است. با توجه به کاربردهای مدنظر، سعی شده است با افزودن مواد فضاساز اوره و نمک طعام مشخصات تخلخل قطعات اصلاح و بهینه سازی گردد. با افزودن مواد فضاساز تا 70 درصد حجمی، قطعات niti با تخلخل بالا در بازه ی تخلخل 42 تا 70 درصد تولید شده اند. همچنین با افزودن مواد فضاساز بمیزان 50 درصد، قطعات با مورفولوژی تخلخل مناسب و ساختار بهم پیوسته ی حفرات جهت کاربردهای پزشکی ایجاد شده است. علاوه بر این نشان داده شده است، با افزودن مواد فضاساز دماهای استحاله قطعات کاهش یافته است، بطوریکه فاز آستنیت در محدوده ی دمای بدن پایدار شده است. پایداری آستنیت در این دما، بروز رفتار سوپرالاستیسیته ی برای قطعات تولیدی را تضمین خواهد نمود. خواص مکانیکی قطعات با انجام آزمون های فشار استاتیک و سیکلی مورد بررسی قرار گرفته است. اندازه گیری مدول-الاستیسیته قطعات متخلخل niti با توجه به غیر یکنواخت بودن ساختار و وجود مکان های تمرکز تنش و همچنین تغییرشکل ناشی از دوقلویی بسیار مشکل است. در این تحقیق مدول الاستیسیته بصورت ظاهری و در حین باربرداری اندازه گیری شده است. نتایج نشان می دهد با افزایش تخلخل، مدول الاستیسیته و سایر خواص مکانیکی مانند استحکام و میزان بازیابی کرنش کاهش یافته است. با این وجود قطعات niti با تخلخل بالا، تلفیقی از استحکام بالا و سفتی یا مدول الاستیسیته ی پایین را نشان می دهند که استفاده از آن ها را در کاربردهای ارتوپدی برای ساخت ایمپلنت هایی با قابلیت تحمل بارهای سنگین امکا ن پذیر می سازد. همچنین مقادیر خواص مکانیکی با مقادیر بدست آمده برای بافت استخوانی بدن انسان تطابق بسیار مناسبی دارد، لذا جایگزینی آن ها را با بافت استخوانی توجیه می کند. قطعات متخلخل niti خاصیت سوپرالاستیسیته مناسبی نشان داده و تا 9 درصد بازیابی کرنش پس از بارگذاری مشاهده شده است. البته با افزایش میزان تخلخل، میزان بازیابی کرنش کاهش یافته است. در مورد نمونه های ساخته شده بدون فضاساز، بارگذاری های سیکلی در حالت تنش و کرنش ثایت، بازیابی کرنش را بمیزان صددرصد نشان می دهد. در نقطه ی مقابل برای قطعات ساخته شده با اوره و دارای بیش از 50 درصد تخلخل، پس از بارگذاری، کرنش باقیمانده در قطعات ایجاد شده است که ناشی از وجود دیواره های نازک و تغییرشکل دائمی این قطعات است. در این قطعات شکستگی دیواره های نازک حفرات از همان درصدهای پایین کرنش مشاهده می شود. بروز سوپرالاستیسیته و وجود حلقه ی هیسترزیس در منحنی تنش- کرنش قطعات niti امکان جذب انرژی بصورت برگشت پذیر را در این قطعات اثبات می کند. در این حالت قطعات متخلخل niti امکان جذب بالای انرژی در حالت استاتیک به علت ایجاد سطح هموار در منحنی های تنش- کرنش و همچنین قابلیت جذب بارهای لرزشی را به علت حضور هیسترزیس مکانیکی توامان دارا هستند که در نوع خود منحصربفرد است. همچنین اثر درصد حجمی تخلخل بر خواص مکانیکی niti در این تحقیق و تحقیقات مشابه با نتایج بدست آمده با مدل های پبشنهادی تجربی و تحلیلی برای مواد متخلخل مقایسه شده است. نشان داده شده مدل های تجربی spriggs و phani تا حد زیادی با نتایج تجربی همخوانی دارد. در این بین مدل phani برای طیف وسیعی از مواد با تخلخل مختلف قابل کاربرد است. همچنین برای مدل تحلیلی gibson و ashby اطلاعات در تخلخل های بالا – مدنظر این تحقیق- بر نتایج تجربی منطبق است. همچنین برای مدل mori-tanaka، با فرض در نظر گرفتن اثر حفرات بر یکدیگر و فرض بیضوی بودن آن ها نتایج بدست آمده با نتایج تجربی قابل تطبیق خواهد بود.