خلاصه متن

 

آلياژ‌هاي حافظه دار عنوان گروهي از آلياژها مي‌باشد كه خواص متمايز و برتري نسبت به ساير آلياژها دارند. عكس‌العمل شديد اين مواد نسبت به برخي پارامترهاي ترموديناميكي و مكانيكي و قابليت بازگشت به شكل اوليه در اثر اعمال پارامترهاي مذكور به گونه‌اي است كه رفتار موجودات زنده را تداعي مي‌نمايد. وقتي يك آلياژ معمولي تحت بار خارجي بيش از حد الاستيك قرار مي‌گيرد تغيير شكل مي‌دهد. اين نوع تغيير شكل بعد از حذف بار باقي مي‌ماند. آلياژهاي حافظه دار، منجمله نيكل – تيتانيم و مس – روي – آلومينيم، رفتار متفاوتي از خود ارائه مي‌نمايند. در دماي پائين يك نمونه حافظه دار مي‌تواند تغيير شكل پلاستيك چند درصدي را تحمل كند و سپس به صورت كامل به شكل اوليه در دماي بالا برگردد و اين تنها با افزايش دماي نمونه ممكن است. اين فرآيند اولين بار در سال 1938 مشاهده شد و براي مدت زماني طولاني در حد كنجكاوي آزمايشگاهي باقي ماند. در سال 1963 كشف حافظه داري شكل در آلياژ نيكل – تيتانيم با درصد اتمي مساوي (50-50%) نظر دانشمندان و محققين را جلب نمود. از آن پس آلياژهاي حافظه دار به صورت قابل ملاحظه اي توسعه يافتند و كشف مزاياي اساسي و علمي آنها هر روز افزايش يافت. خواص ترمومكانيكي استثنايي آلياژهاي حافظه دار عامل كاربردهاي بسيار مهمي در زمينه مهندسي پزشكي شده‌است. فوق‌الاستيسيته اجازه مي‌دهد تا تغيير فرمهاي الاستيك بسيار زياد، وابسته به تغييرات كم تنش، به وقوع بپيوندد و اثر حافظه داري شكل فرآيند  فعال سازي ابزار و سيستمها را به صورت بسيار ساده، با تماس حرارت بدن انسان يا گرم كننده خارجي تحت فرمان جراح، ممكن سازد. همچنين گرماي لازم مي‌تواند با به جريان انداختن يك مايع سترون حامل كالري يا با اتصال يك عامل گرم كننده به دست آيد. دو محدوده كاربرد اصلي اين خاصيت يكي ابزار جراحي است كه جراح از اين خصوصيت مستقيماً در عمل جراحي كمك مي‌گيرد و دوم جا دادن و جا زدن موقت يا دائم قطعات در بدن است كه به ايمپلنت مشهور شده‌است. در اين مواقع لازم است قبلاً در باره ميزان پذيرش بدن نسبت به ايمپلنت و سازگاري آن تحقيق شده باشد. آلياژهاي نيكل تيتانيم به دليل مقاومت خوب در برابر خوردگي، در مجاورت بافتهاي بدن، اهميت ويژه كاربردي دارند و از مواد مهندسي حافظه دار استثنايي هستند. جهت استفاده از اين مواد در بافتهاي بدن بايد به پارامترهايي از قبيل

 1- مقاومت در برابر خوردگي آلياژ در مايع يا بافتهاي بدن 2- پذيرش آلياژ در بدن و عدم طرد آن از طرف ارگانهاي بدن 3- سمي و سرطان‌زا نبودن آلياژ در بلند مدت توجه شود.بررسي هاي انجام شده بر روي آلياژهاي نيكل – تيتانيم نشان داده است كه مقاومت در برابر خوردگي و پذيرش  اين آلياژها در بدن همانند فولادهاي ضد زنگ است كه تاكنون به عنوان مواد بيومديكال از آنها استفاده شده‌است. بحث ما در باره خواص مكانيكي ويژه و بي نظير آلياژهاي حافظه دار است؛ از جمله: تكنولوژي توسعه و توليد آلياژهاي نيكل – تيتانيم، نيكل – تيتانيم – موليبدن و نيكل – تيتانيم متخلخل استفاده شونده در پزشكي خصوصاً در مراجع كنترل كيفيت، استهلاك ارتعاشات، مقاومت خوردگي، سازگاري زيستي، خصوصيات ويژه مكانيكي، ترمومكانيكي و كاربرد آنها به عنوان ايمپلنت پزشكي و توسعه ابزار پزشكي.

 

آلياژهاي حافظه دار در پزشكي كاربردهاي مختلفي داشته‌اند. اما كاربرد آنها به عنوان استنت و استنت پوشش دار بين عروقي بسيار ويژه است. ارزش ويژه استنت نيتينول و استنت پوشش‌دار، وقتي حافظه حرارتي آن باعث خود باز شدن در دماي بدن بشود، ثابت شده‌است. در طي ده سال گذشته عمليات داخل عروقي براي فوريتها و فرآيندهاي انتخابي، به عنوان جايگزين‌هاي قابل قبول در جراحي باز با منافع بالقوه، رواج پيدا كرده است. استفاده روزافزون از خصوصيات فوق‌الاستيك و بازيابي شكل حاصل از حرارت ديدن ايمپلنت حافظه دار وسيله‌اي موثر در پيشبرد طرحهاي جديد بوده كه سبب پيشرفت سريع كيفيت درمان گشته است.

تقسم بندي مواد جامد

مقدمه:

پيشرفتهاي وسيع و سريعي كه دركليه زمينه هاي صنعتي رخ داده است، مرهون دستيابي به مواد با كيفيت بالاتر است كه در ساخت قطعات ماشين آلات و تجهيزات صنعتي به كار مي‌روند. عموماً اغلب مهندسين شاغل در واحدهاي صنعتي، به ويژه طراحي و ساخت و توليد، با مواد مهندسي سروكار دارند. آنها معمولاً در انتخاب و كاربرد مواد در طراحي و ساخت و توليد اجزا و بررسي و تحليل شكست شركت دارند.

موقعي كه در طراحي و ساخت قطعه اي در مورد انتخاب مواد تصميم گيري مي‌شود بايد به مسائل مهمي از قبيل: روش ساخت، دقت ابعادي، حفظ و نگهداري شكل صحيح اوليه در حين كاربرد، داشتن خواص مورد نظر و نگهداشتن آن خواص براي مدت معين تحت شرايط محيط كار، امكان تعمير و نگهداري آن خواص براي مدت معين تحت شرايط محيط كار، امكان تعمير و نگهداري آسان درهنگام كاربرد، سازگاري ماده با ديگر مواد اجزاء سيستم، بازيابي آسان ماده، مسائل مربوط به زيست محيطي ماده در ارتباط با ساخت و توليد، هزينه توليد و بالاخره در مواردي وزن و نوع سطح ظاهري آن توجه شود.

به طور كلي مواد جامد مهندسي مورد نياز براي طراحي و ساخت و توليد را مي‌توان به سه گروه اصلي با خواص مربوط به خود تقسيم بندي كرد كه عبارت اند از: 1- مواد فلزي 2- مواد غير فلزي  معدني يا سراميكي 3- مواد پليمري يا مصنوعي . علاوه بر اين سه گروه، دو گروه ديگر از مواد وجود دارند كه از اين سه گره منشعب مي‌شوند و به نام مواد 4- مختلط يا كامپوزيتها  و نيمه هاديها  گروه چهارم و پنجم را تشكيل مي‌دهند.

 

1- مواد فلزي

مواد فلزي از نظر اهميتي كه در صنعت دارد به دو گروه1- فلزات آهني و آلياژهاي آن و فلزات غير آهني و آلياژهاي آن تقسيم مي‌شود. فلزات آهني و آلياژهاي آن عمدتاً درصد بسيار بالايي از آهن دارند كه شامل انواع فولادها و چدنها مي‌وشند. فلزات غير آهني و آلياژهاي آن شامل تمام فلزات ديگر (غير از آهن) مانند آلومينيم، مس، روي، تيتانيم، كرم و نيكل و ... و آلياژهاي آنهاست. البته آلياژهاي غير آهني مقدار نسبتاً بسيار جزئي آهن هم مي‌تواند داشته باشند. مواد فلزي عمدتاً هادي (رساناي) خوبي براي حرارت و الكتريسيته هستند. اغلب فلزات در درجه حرارتهاي معمولي محيط شكل پذير بوده و در مقابل واكنشهاي شيميايي پايداري بسيار بالايي ندارند. فلزات در شرايط معمولي داراي ساختار كريستالي اند. فلزات به صورت خالص به ندرت به كار مي‌روند و اغلب از آلياژهاي آنها در صنعت استفاده مي‌شود.

2- مواد غير فلزي معدني (سراميكي)

 قسمت عمده مواد غير فلزي معدني مورد استفاده در صنعت را مواد سراميكي تشكيل مي‌دهند. مواد سراميكي شامل تركيباتي از عناصر فلزي با اكسيژن به نام سراميكهاي اكسيدي و موادي سخت از قبيل كاربيدها، نيترايدها و سليسيدها به نام سراميكهاي غير اكسيدي است كه قسمت عمده اي از مواد نسوز را تشكيل مي‌دهند. سراميكهاي سيليكاتي (مانند چينيها) نوع ديگري از مواد سراميكي اند. مواد سراميكي قابليت شكل پذيري نداشته و بسيار تردند. همچنين در مقابل واكنشهاي شيميايي بسيار پايدار بوده و در درجه حرارتهاي بالا مقاوم‌اند. قابليت هدايت الكتريكي و حرارتي سراميكها به اندازه‌اي پايين است كه به عنوان مواد عايق به كار مي‌روند. مواد سراميكي مي‌توانند ساختار كريستالي، غير كريستالي يا مخلوطي جديد مي‌توان سراميكهاي نسبتاً مقاوم به شكست را توليد كرد. البته هنوز تحقيقات وسيعي براي مقاومتر كردن و توسعه آنها انجام مي‌شود.

3- مواد پليمري (مواد مصنوعي)

مواد پليمري از كنار هم قرار گرفتن تعداد زيادي از مولكولهاي زنجيره اي يا شبكه اي بزرگ مواد آلي، كه از كربن و عناصر ديگري مانند هيدروژن، كلر، فلور، اكسيژن و ازت تشكيل شده‌اند، به وجود مي‌آيند. مواد پليمري در طبيعت به صورت آزاد وجود ندارند و اغلب از طريق روشهاي شيميايي و پليمر كردن منومرهاي گازي شكل به دست مي‌آيند. اغلب مواد پليمري داراي ساختار غير كريستالي و يا مخلوطي از كريستالي و غير كريستالي هستند. مواد پليمري داراي قابليت هدايت الكتريكي بسيار ضعيفي هستند، به طوري كه به عنوان عايق الكتريكي خوب به كار مي‌روند، مواد پليمري معمولاً در درجه حرارتهاي پايين (زير صفر) ترد مي‌شوند ولي در درجه حرارتهاي نسبتاً بالا قابليت شكل پذيري دارند و در درجه حرارتهاي بالا ذوب و يا متلاشي مي‌شوند. مواد پليمري در مقابل عوامل و واكنشهاي شيميايي در درجه حرارت معمولي محيط و در مجاورت هواي آزاد پايدارند. عموماً مواد پليمري وزن مخصوص پاييني دارند.

4- مواد مختلط يا كامپوزيتها

مواد مختلط يا كامپوزيتها به موادي گفته مي‌شود كه از مخلوط چند ماده (حداقل دو ماده) با خواص متفاوت تشكيل شده باشند.اجزاي مواد مختلط از نظر شكل و تركيب شيميايي متفاوت بوده و در يكديگر حل نمي‌شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد ميكروسكوپي و ماكروسكوپي وجود دارند. بدين ترتيب مي‌توان موادي با خواص جديد به دست آورد كه به نوبه خود داراي خواصي مناسبتر از خواص هر يك از اجزاي اوليه اتس. انواع مختلفي از مواد مختلط وجود دارند. اغلب مواد مختلط شامل يك جزء نرم و شكل پذير به عنوان جزء اصلي زمينه و يك جزء بسيار سفت و سخت به عنوان تقويت كننده‌است. جزء تقويت كننده مي‌تواند به شكلهاي صفحه اي، اليافي و ذره اي باشد. همچنين موادي كه سطح خارجي آنها براي حفاظت در مقابل خوردگي و يا سايش پوشش داده مي‌شود، مانند قلع و روي اندود كردن، و يا گالوانيزه كردن سطح خارجي به وسيله جزء مقاوم دوم ، مثل آب كرم و نيكل دادن، روكش دادن مكانيكي با ورق بسيار نازك مقاوم ديگر، پوشش دادن با مواد پليمري و يا مواد سراميكي، جزء مواد مختلط هستند.

1-             مواد نيمه هادي

نيمه هاديها از جمله مواد معدني بوده و از نظر خواص بين مواد فلزي و سراميكي قرار دارد و در صنايع الكترونيكي به كار مي‌رود. هدايت الكتريكي نيمه هاديها قابل كنترل بوده، به طوري كه مي‌تواند در ساخت ترانزيستورها و يكسو كننده ها به كار رود.

خواص مكانيكي مواد

عكس‌العمل مواد جامد در مقابل نيروها، گشتاورها و يا به طور كلي هر نوع تنشهاي خارجي وارد بر آن، اعم از استاتيكي و يا ديناميكي، در شرايط خاص محيط كار يا محيط آزمايش، رفتار يا خواص مكانيكي ناميده مي‌شود. كيفيت موادي كه در طراحي قطعات صنعتي به كار مي‌رود بيش از همه به خواص مكانيكي آنها بستگي خواهد داشت. به وسيله روشهاي آزمايش استاندارد شده مي‌توان اعدادي را ارائه داد كه مشخص كننده خواص مكانيكي باشد. بر روي خواص مكانيكي عوامل خارجي از قبيل 1-  مقدار تنش، 2- سرعت 3 – مدت زمان وارد آمدن تنش 4- درجه حرارت 5- نوع تنش (از لحاظ استاتيكي و يا ديناميكي ) و در حالت تنش متناوب 6- تعداد دفعات وارد آمدن آن و همچنين 7- اثر شيميايي  محيط اطراف ماده مورد آزمايش تاثير مي‌گذارد. شرايط آزمايش بايد طوري انتخاب شود كه بتواند تا حد امكان مشخصات واضحي راجع به رفتار آن جسم تحت شرايط خاص محيط كار را ارائه دهد مواد ايزوتروپي اند به جز يك كريستال ها كه در آنها خواص مكانيكي متفاوت است. ناهمسانگردند.

ناهمسانگردي (ان ايزوتروپي ) تك كريستال تاثير بسزايي روي خواص مكانيكي خواهد داشت. تك كريستالها و مواد چندين كريستالي با كريستالي با كريستالهاي جهت دار، با مرزها يا ذرات جهت دار فاز دوم و همچنين مواد پليمري با مولكولهاي زنجيره اي جهت دار، جزء موادي با خواص مكانيكي غير يكنواخت درتمام جهات محسوب مي‌شوند. دراندازه گيري خواص مكانيكي اين گونه مواد بايد از جهات مختلف قطعه نمونه برداري شود. بنابراين در كاربرد صنعتي مناسبترين و نامناسبترين جهات، از لحاظ جهت تنش اعمال شده، وجود خواهد داشت . تمام مواد بي شكل يا با ساختار شيشه‌اي و مواد چندين كريستالي با توزيع بي نظم دانه ها- با جهات كريستالي گوناگون – داراي خواص مكانيكي تقريباً يكنواختي در تمام جهات هستند. اكنون براي آشنايي بيشتر با مفهوم تنش به طور اختصار به تعريف آن مي‌پردازيم.

تغيير شكل الاستيكي

هر گاه به جسمي تنشي وارد شود، تغيير شكلي در آن جسم به وجود مي‌آيد. در صورتي كه تنش وارد بر آن از نوع تنش كششي باشد، تغيير شكل ايجاد شده در جهت نيرو به صورت ازدياد طول، شكل (5-3- الف) و چنانچه تنش وارده، تنش فشاري باشد به صورت كاهش طول ظاهر مي‌شود، شكل (5-3- ب). اگر تنش وارده، تنش مماسي (برشي ) باشد، تغيير شكل به صورت تغيير زوايا است، شكل (5-3- ج).

از خاصيت الاستيكي موقعي صحبت مي‌شود كه تغيير شكل ) ايجاد شده با نيروي (F) وارد برجسم به صورت خطي متناسب باشد ) و همزمان با حذف نيرو از روي جسم تغيير شكل ايجاد گرديده برطرف شده و جسم به حالت اوليه خود برگردد.

مدول الاستيكي

رابطه بين تنش و تغيير شكل الاستيكي يا به عبارت ديگر تغيير شكل برگشت پذير به وسيله قانون يا رابطه هوك داده شده است.

 

عوامل موثر بر روي مدول الاستيكي

جهات كريستالي

در تك كريستالها به علت وجود غير يكنواختي جهتي يا ناهمسانگردي (ان ايزوتروپي) مدول الاستيكي در جهات مختلف كريستال متفاوت است، جدول (5-1). ولي در پلي كريستالها كه از تعداد زيادي دانه هاي كريستالي تشكيل شده و هريك از دانه ها از لحاظ ساختار شبكه كريستالي از نظر آماري بدون هرگونه نظم و ترتيب خاصي در جهات مختلفي قرار گرفته‌اند. خواص الاستيكي بستگي قابل ملاحظه‌اي به جهت كريستالي ندارد و تا حدودي داراي خاصيت تقريباً يكنواختي در تمام جهات كريستالي است. به طوري كه براي مشخص كردن رفتار الاستيكي موادي كه داراي تعداد زيادي دانه هاي كريستالي است، تعيين يك مدول الاستيكي و يا مدول برشي كافي خواهد بود. در بعضي موارد در نتيجه عملياتي از قبيل نورد، دانه هاي يك قطعه چندين بلوري مي‌تواند در يك جهت خاصي قرار گرفته و جهت دار شود يا به عبارتي تكستور يا تكسچر خاصي پيدا كند، كه اين پديده سبب ايجاد رفتاري متفاوت در مقابل تغيير شكل الاستيكي در جهات مختلف مي‌شود. براي مثال خاصيت مغناطيسي يك نمونه فولادي با دانه هاي جهت دار مناسب، به اندازه قابل ملاحظه اي افزايش مي‌يابد.

درجه حرارت

مدول الاستيكي مواد به قدرت اتصالات اتمي در شبكه كريستالي بستگي داشته و عمدتاً تحت تاثير مقدار متوسط فواصل اتمي (در نتيجه ارتعاشات غير متفارن شبكه)كه با ازدياد درجه حرارت افزايش مي‌يابد، قرار خواهد گرفت. از اين رو مدول الاستيكي با افزايش درجه حرارت كاهش مي‌يابد، شكل (5-4). اين وابستگي به درجه حرارت براي فلزات و سراميكها نسبتاً كم و در مواد مصنوعي بيشتر مي‌شود. در ساختارهاي مولكولي مانند لاستيكها از همان ابتداي وارد آمدن تنش رابطه خطي بين تغيير شكل و تنش برقرار نيست، زيرا كه الاستيسيته تنها مستقيماً به تاثير متقابل اتمهاي همسايه مربوط نمي‌شود، بلكه به كشش و برش زنجيرهاي مولكولي نيز بستگي دارد.

عناصر آلياژي

در بررسي مدول الاستيكي موادي كه از تعدادي اتمهاي متفاوت يا از چند نوع مولكول تشكيل شده باشند، بايد بين فازهاي محلول و غير محلول تفاوت قائل شد.

مدول برشي

در محدوده الاستيكي رابطه مشابهي با  بين تنش برشي  و تغيير شكل نسبي برشي به دست آمده توسط آن  وجود دارد،

ضريب پواسان

همزمان با تغيير شكل الاستيكي در امتداد نيرو – تحت تاثير نيروي تك محوري – تغيير شكلي هم در جهات ديگر نمونه صورت مي‌گيرد.

تغيير شكل پلاستيكي مواد

معمولاً در طراحي اجزاي ماشين آلات صنعتي تنها محدوده الاستيكي اهميت دارد و در مقابل تنشهاي اعمالي هيچ گونه تغيير شكل برجاي ماندني نبايد در قطعه انجام گيرد. بدين منظور براي حفظ ابعاد هر قطعه ضريب اطمينان بالايي جهت بافي ماندن تغيير شكل در محدوده الاستيكي در نظر گرفته مي‌شود. با وجود اين، بررسي رفتار اين گونه قطعات در مقابل تنشهايي كه از حد الاستيكي مي‌گذرد و همچنين كاربردهايي كه عمدتاً مربوط به تغيير شكل برجاي ماندني مي‌شود، از اهميت خاصي برخوردار است.

نيكل (Ni)

در فولادهاي ساختماني، نيكل مقاومت ضربه‌اي راحتي در دماهاي پايين افزايش مي‌دهد. نيكل كاربيدزا نبوده و با تشكيل محلول جامد استحكام و سفتي (چقرمگي) را افزايش مي‌دهد. مقدار بيش از 7%  نيكل با گسترش ناحيه آستنيت در فولادهايي كه داراي مقدار بالايي از كرم بوده و پايدار در مقابل واكنشهاي شيميايي است سبب مي‌شود كه در درجه حرارتهايي پايينتر از دماي معمولي محيط ساختار آستنيتي پايدار باقي بماند. فولادهاي آستنيتي در دماهاي بيش از  مقاومت حرارتي بالايي دارد. زيرا كه درجه حرارت تبلور مجدد آنها بالاست. اين فولادها عملاً قابليت مغناطيس پذيري ندارد. قابليت هدايت مشخص، سبب پايدار شدن خواص فزيكي معيني مي‌شود، براي مثال ضريب انبساط حرارتي پايين.

تيتانيم (Ti)

به دليل تمايل زياد آن به اكسيژن و ازت، گوگرد و كربن يك احيا كننده، ازت زدا و گوگردزداي قوي و همچنين تشكيل دهنده قوي كاربيد است. به طور وسيعي در فولادهاي مقاوم در مقابل خوردگي به عنوان تشكيل دهنده كاربيد براي پايدار كنندگي در مقابل خوردگي بين دانه‌اي به  كار مي‌رود. علاوه بر آن سبب ريز شدن دانه ها مي‌شود. تيتانيم محدوده آستنيت را شديداً تنگ مي‌كند و به ازاي مقدار زياد فعل و انفعالات جدايشي (رسوب سازي و پيرسختي) انجام مي‌گيرد و به دليل نياز به نيرو و حوزه مغناطيسي بالا جهت مغناطيس زدايي به آلياژ هاي مغناطيس دائمي افزوده مي‌شود. تيتانيم تمايل شديدي به تشكيل تركيباتي با ديگر عناصر و جدايش دارد. تيتانيم در نتيجه تشكيل نيترايد هاي خاص مقاومت خزشي را افزايش مي‌دهد.

آلياژهاي تيتانيم

تيتانيم به دليل داشتن مقاومت عالي در مقابل خوردگي استحكام ويژه بالا و خواص مكانيكي خوب، به ويژه در دماهاي نسبتاً بالا، اهميت صنعتي يافته است. اما در دماي بالاتر از  لايه نازك محافظ تجزيه و در هم شكسته مي‌شود و اتمهاي كوچكي مانند كربن، اكسيژن، نيتروژن و هيدروژن با نفوذ در شبكه تيتانيم، ايجاد تركيبات ترد و شكننده‌اي مي‌كنند. تيتايمي يكي از فلزات چند شكلي است، با شبكه كريستالي hcp در دماهاي پايين و با ساختار bcc در دماي بالاتر از  عناصر آلياژي باعث تغيير دماي تبديل ساختاري تيتانيم مي‌شوند. تيتانيم خالص به دليل مقاومت ممتاز آن در مقابل خوردگي اهميت يافته است. آلياژ هاي تيتانيم با ريز ساختاري شامل هر دو فاز  پايدار در دماي معمولي محيط توليد شده‌اند. آلياژ V4%- AI 6% - Ti يكي از آلياژهاي متداول از اين نوع آلياژهاست. با وجود اين دو فاز مي‌توان با عمليات حرارتي و كنترل ريز ساختار تا حد زيادي به خواص مكانيكي مورد نظر در آلياژ رسيد.

با آنيل كردن مي‌توان به تركيبي از انعطاف پذيري بالا، خواص يكنواخت و استحكام خوبي دست يافت. ابتدا آلياژ را تا دمايي درست پايينتر از تبديل  حرارت داده و قبل از اينكه تمامي به  تبديل شود و مقدار كمي  باقي بماند، براي جلوگيري از رشد دانه آلياژ را سرد مي‌كنيم، سرد كردن آرام باعث شكل گيري دانه هاي هم محور  مي‌شود. ساختار دانه هاي هم محور منجر به انعطاف پذيري و شكل پذيري خوب آلياژ مي‌وشد و جوانه زني تركهاي خستگي را مشكل مي‌سازد. سرد كردن سريعتر، به ويژه از دماي بالاي محدوده  ، منجر به تشكيل فاز  سوزني تركهاي خستگي مي‌تواند راحت تر انجام گيرد، اما تركها براي رشد بايد مسير پيچ و خم داري را در امتداد دانه ها بين  و طي كنند. بدين علت آهنگ (سرعت )رشد ترك خستگي كاهش و تافنش شكست و مقاومت خزشي افزايش مي‌يابد.

آلياژ هاي تيتانيم در ساخت اسكلت هواپيما، راكتها، موتورهاي جت كاربرد  دارد. بعضي از آلياژهاي تيتانيم، مانند V4% - AI6% -Ti ، رفتار سوپر پلاستيك دارند و مي‌توانند تا 100% تغيير شكل يابند.

  در صورتي كه حداكثر دماي موقعيت كاري زير باشد، به طوري كه لايه نازك اكسيد پايدار باقي بماند، تيتانيم مي‌تواند انتخاب خوبي براي تامين كردن مقاومت به خوردگي در دماهاي بالا باشد. از اين رو تيتانيم خالص تجارتي بهترين مقاومت به خوردگي را فراهم مي‌سازد. بنابراين تيتانيم همچنين شروط شكل‌پذيري و قابليت جوشكاري را برآورده مي‌سازد و براي ما انتخابي منطقي خواهد بود. اگر فكر كنيم تيتانيم خالص نتواند استحكام لازم و كافي را داشته باشد مي‌توانيم براي اطمينان بيشتر از يك آلياژ تيتانيم با مقاومت به خوردگي بالاتر كه شكل پذيري و قابليت جوشكاري هم دارد  و استحكام آن نيز مقداري بهبود مي‌يابد استفاده كنيم.

 

مقدمه:

موادي كه باعث مي‌وشند سازه ها با محيط خود سازگار شوند مواد محرك ناميده مي‌شوند. اين مواد مي‌توانند شكل، سفتي، مكان، فركانس طبيعي و ساير مشخصات مكانيكي را در پاسخ به دما و يا ميدان هاي الكترو مغناطيسي تغيير دهند. امروه چهار نوع ماده محرك به طور عمده استفاده مي‌وشد كه آلياژهاي حافظه دار، سراميكهاي پيزو الكتريك، مواد مغناطيسي سخت و مايعات الكترورئولوژكال و مگنتورئولوژيكال مي‌باشند. آلياژهاي حافظه دار موادي هستند كه بعد از اينكه تحت كرنش قرار گرفتند در يك دماي خاص به شكل اصلي خود برمي‌گردند. در فرآيند برگشت به شكل “ به ياد مانده” آلياژ مي‌تواند نيروي زيادي توليد كند كه جهت تحريك مفيد است. اين آلياژها در بيش از پنجاه سيستم آلياژي توسعه يافته اند. برجسته‌ترين آنها خانواده آلياژ ها نيكل – تيتانيم است كه اولين بار در آزمايشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordnance Lab) ساخته شد. ماده‌اي كه تحت نام نيتينول (Nitinol) مشهور شده دو حرف اول آن در ارتباط با نيكل، دو حرف بعدي مربوط به عنصر تيتانيم و سه حرف آخر در رابطه با آزمايشگاه ناوال اوردنانس مي‌باشد. اين آلياژ مقاومت قابل توجهي در برابر خوردگي و خستگي از خود نشان مي‌دهد ضمناً در برگيرنده و پوشش دهنده تغيير شكلهاي بزرگ خواهد بود. در اين آلياژها كرنشي كه افزايش طول مربوط به آن بالاتر از 8 درصد طول آلياژ باشد مي‌تواند به وسيله حرارت دادن مثلاً به وسيله جريان الكتريكي برگشت پيدا كند. مكانيزم اصلي كه خواص آلياژهاي حافظه دار را كنترل  مي‌كند در رابطه با تغيير ساختار كريستالي آلياژ است. به اين معني كه ساختار مارتنزيتي در دماي از پيش تعيين شده با افزايش دما به ساختار آستنيتي تبديل مي‌‌شود و در هنگام سرد كردن فرايند عكس رخ خواهد داد. بسياري از مواد، استحاله مارتنزيتي دارند ولي چيزي كه نيتينول را نسبت به آلياژهاي ديگر متمايز مي‌نمايد قابليت مارتنزيت اين آلياژ در دوقلو شدن مي‌باشد در حاليكه مواد ديگر به وسيله لغزش و حركت نابجائيها تغيير شكل مي‌يابند، نيتينولها به وسيله تغيير جهت ساده ساختار كريستالهاي خود از طريق مرزهاي  دو قلوئي به تنشهاي اعمال شده عكس‌العمل نشان مي‌دهند. سيمهاي نيتينول كه درون مواد مركب قرار مي گيرند، جهت بهبود خواص ارتعاشي موثر بوده‌اند. اين مواد به وسيله تغيير دادن سختي، تغيير حالت تنش در سازه ها، و در نتيجه جابجا كردن فركانس طبيعي ماده مركب، سبب بهبود خواص ارتعاشي مي‌وشند. با وجود اينكه بعيد به نظر مي‌رسد سازه‌ها توسط هرمرتعش كننده خارجي به ارتعاش درآيند. معلوم شده‌است فرايند تشديد مي‌تواند در بعضي از مواقع حتي سبب تخريب يك سازه ‌بزرگ مانند پل گردد.

از زمان كشف خاصيت حافظه داري در آلياژهاي نيكل – تيتانيم در سال 1962 علاقه فراواني توسط پزشكان، جراحان و دندانپزشكان در به كارگيري اين آلياژهاي جالب، بعنوان محصولات طبي بخصوص در روش‌هاي درماني نيمه تهاجمي ايجاد شده است.

خصوصيات كلي استحاله مارتنزيتي

در ميان تمام استحاله هاي فاز در حالت جامد، استحاله مارتنزيتي داراي خصوصياتي است كه آنرا از ساير استحاله‌هاي ساختاري مواد  متمايز مي‌سازد.(رسوب گذاري، نفوذ، اكسيداسيون و ....) براساس استحاله مارتنزيتي در فولودها، آستنيت يا فاز مادر در دماي بالا پايدار و فاز مارتنزيت حاصل از آن در دماي پايين پايدار مي‌ماند.

پنج مورد از خصوصيات استحاله مارتنزيتي به ترتيب زير بررسي مي‌شوند.

1-       تغيير فاز در حالت جامد كه عامل آن تغيير شكل غير الاستيك شبكه كريستالي مي‌باشد. اين تغيير شكل حاصل تغيير مكان جمعي اتمها در فواصل نسبتاً كوتاه نسبت به پارامترهاي شبكه كريستالي خواهد بود.

2-       عدم حضور فرايند نفوذ موجب فوري بودن تغيير حالت مي‌شود. به عبارت ديگر سرعت توليد فاز مارتنزيت قابل مقايسه با سرعت صوت در جامدات است.( 103 متر بر ثانيه) لازم به ذكر است در حالي كه فرآيند استحاله ادامه دارد دو فاز مورد نظر به طور همزمان حضور دارند.

3-       در واحد حجم ماده، هنگام تغيير فاز تغيير شكلي با خواص زير نسبت به شكل قبل از آن اتفاق مي‌افتد:

ـ تغيير حجم قابل اغماض (در آلياژهاي حافظه دار)

ـ لغزش زياد سطوح كريستالي در يك جهت معين.

اين تغيير شكل حاصل يك استحاله شبكه كريستالي (تغيير شكل بن Bain ) و يك استحاله بدون تغيير شبكه (Invarient) مي باشد مكانيزم اخير موجب توليد نوعي ريز ساختار داخل مارتنزيت مي‌شود (دو قلويي، نابجايي، عيوب انباشتگي و ....)

4-       جهت به حداقل رساندن انرژي فصل مشترك مارتنزيت تشكيل شده و آستنيت باقيمانده، دامنه هاي مارتنزيت شده اغلب عدسي شكل‌اند. سطح اصلي بين دو فاز، سطح هم‌نشيني و يا سطح پيوند نام دارد. اين سطح براي گروه آلياژهاي مختلف كاملاً تعريف شده است و سطح برش مارتنزيت نام دارد. در رابطه با آلياژهاي حافظه‌دار، جهت برش، عملاً در اين سطح قرار دارد. (تغيير حجم قابل اغماض است). به دليل توازن كريستالي فاز مادر تعداد زيادي سطح همنشيني در تك كريستال در حال استحاله بطور همزمان وجود دارند. مجموعه سوزنهاي داراي سطح همنشيني مشترك و جهت برش مشترك واريانت (Variant) مارتنزيت نام دارد.

5-   در استحاله مارتنزيتي مانند هر تغيير حالت ديگر، درجه حرارت و تنش، متغيرهاي ترموديناميكي خارجي موثر بر استحاله مي‌باشند. در آلياژهاي حافظه دار استحاله مارتنزيتي با حجم تقريباً ثابت رخ مي‌دهد و از اثر فشار هيدرواستاتيك صرف نظر مي‌شود. اصولاً نقش ابتكار عمل پيشرفت استحاله به عهده عوامل منحرف كننده تنش ها مي‌باشد. استحاله مارتنزيتي داراي دو محدوده وسيع كاربرد است:

ـ در عمليات حرارتي فولادها كاربرد بسيار گسترده دارند. زيرا مارتنزيت حاصل از سريع سردكردن فولادها يك ساختار خارج از تعادل فوق‌العاده سخت است. در اين نوع كاربرد تغيير شكلهاي همراه با تشكيل فاز مارتنزيت عامل تردي آلياژ خواهند بود كه در رابطه با توليد تنش‌هاي داخلي مي‌باشد.

ـ در آلياژ‌هاي حافظه دار استحاله مارتنزيتي با تغيير درجه حرارت و تنش‌ رخ مي‌دهد كه تغيير شكل مربوط به اين استحاله داراي يك شكل درجه حرارت بالا و يك شكل درجه حرارت  پايين مي‌باشد. در اين رابطه تغيير شكل بازگشتي در حدود 5 تا 10 درصد است.

سينماتيك استحاله مارتنزيتي

تعداد زيادي از فرآيندهاي مربوط به آلياژهاي حافظه دار، حاصل تشكيل و توسعه مارتنزيت است. در اينجا از تغيير شكل حرارتي (انبساط ) و تغيير شكل الاستيك (تغيير شكل بازگشتي شبكه كريستالي ) صرف نظر مي‌شود. زيرا اين نوع تغيير شكل نسبت به تغيير شكل استحاله مارتنزيتي بسيار جزئي مي‌باشند.

روشهاي بررسي آلياژهاي حافظه دار

جهت ارزيابي تغيير حالت مستقيم يا برعكس، اندازه گيري درجه حرارتهاي تغيير حالت يا كلاً فهم مكانيزمهاي پايه‌اي آلياژهاي حافظه دار روشهاي عملي متعددي بكار گرفته مي‌شوند. بعضي از اين روشها بطور دائم در متالورژي فيزيكي استفاده مي‌شوند. اين روشها عبارتند از: ميكروگرافي نوري يا التكتروني، تفرق اشعه x يا الكترون، اندازه گيري سختي در اشل ميكروسكوپي، ديلاتومتري، .....

روشهاي ديگري به خصوص در رابطه با آلياژهاي حافظه دار توسعه يافته‌اند. از جمله امواج آكوستيك، اندازه گيري مقاومت الكتريكي، كالريمتري تفاضلي روبشي (DSC) آزمايشات مكانيكي معمولي (كشش، پيچش، خمش ...) در درجه حرارت ثابت و يا متغير روشهاي پايه اي جهت بررسي واكنشهاي ترمومكانيكي اين آلياژها مي‌باشد.

ـ امواج آكوستيك: پايه آن ثبت امواج اولتراسونيك (امواج مكانيكي) حاصل از تنش و توسعه سوزنهاي مارتنزيتي است. امواج اولتراسونيك در ارتباط با بخش دينامكي انرژي داخلي حاصل از اندركنش بين واريانتها و آستنيت و بين خود واريانتها مي‌باشد. جهت آناليز اين امواج از يك گيرنده پيزو الكتريكي همراه با آمپلي فاير استفاده مي‌شود. فعاليت اولتراسون بر حسب پيشرفت استحاله اندازه گيري مي‌شود.

ـ كالريمتري تفاضلي روبشي عبارت از اندازه گيري مقدار گرماي حاصل از واكنش اگرزترميك و يا گرماي جذب شده در واكنش برعكس مي‌باشد، ضمناً انرژي مكانيكي تلف شده بصورت گرما در استحاله همراه با هيسترزيس نيز قابل اندازه گيري مي‌باشد. دراين حالت واكنش، هميشه اگزوترميك خواهد بود. در هنگام سرد و يا گرم شدن مقدار گرماي جذب و يا دفع شده  يك نمونه بدون استحاله (مرجع) و يك نمونه با استحاله مقايسه مي‌شوند.

انواع آلياژهاي حافظه دار و خواص مربوط به آنها

همه موادي كه داراي استحاله مارتنزيتي باشند آلياژ حافظه دار نيستند، بلكه براي حافظه دار بودن آين آلياژها لازم است استحاله مارتنزيتي بازگشتي باشد و پس ماند (هيسترزيس) خيلي زياد نباشد. بعضي مواد مانند پليمرها و فولادها كه داراي حافظه‌اند در حال حاضر در آزمايشگاهها تحت بررسي هستند. ولي در اينجا تنها از سه خانواده آلياژهاي حافظه داري كه به مرحله توليد صنعتي رسيده‌اند و كاربردهاي آنها توسعه يافته است صحبت مي‌شود.

خواص آلياژهاي حافظه دار خصوصاً آنچه مربوط به استحاله مارتنزيتي است قوياً به تركيب شيميايي، ساختار و مكانيك مواد بستگي دارد. به همين دليل تغييرات جزئي در تركيب شيميايي موجب تغيير درجه حرارت استحاله به ميزان چندين درجه مي‌شود.

به موازات مساله تركيب شيميايي، استحاله در طي شكل دهي (نورد، كشش سيم، ...) در شرايط مشكلتري نسبت به مواد معمولي انجام مي‌شود. در تغيير شكل سرد، نقش مرزدانه ها و بافت كريستالي بر طبيعت واريانتهاي فعال و اندركنش بين واريانها بررسي شده‌است كه نشانه اثر دانه‌هاي پلي كريستال بر پاسخ ترموديناميكي آلياژهاي حافظه دار است. مي‌توان استنباط كرد كه براي كاربردهاي مختلف، استفاده از تك كريستال‌هاي آستنيت در حل بعضي مشكلات وابسته به شكل پذيري ضعيف پلي كريستالها يا گستره قابل توجه استحاله در اين مواد مفيد است.

خواص ترمومكانيكي

تغيير شكل الاستيك خطي (بازگشت‌پذير) در يك فلز معمولي در حدود 1/0 درصد و تغيير شكل پلاستيك (غير بازگشتي) مي‌تواند به دهها درصد برسد. با حرارت دادن فلز تغيير شكل يافته (تا دماي بازيابي و يا آنيل) حالت داخلي آن به حالت تعادل نزديك مي‌شود، (حذف عيوب ساختاري) ولي شكل ظاري بدست آمده پس از تغيير شكل پلاستيك تغيير نمي‌كند. تغيير درجه حرارت موجب تغيير شكل حرارتي بازگشتي در حدود 001/0 درصد به ازاي هر درجه خواهد شد.

واكنش آلياژهاي حافظه دار در مقابل بارگذاري ترمومكانيكي نسبت به فلزات معمولي كاملاً متفاوت است. بر حسب تعداد، ماهيت توالي سيكلهاي بارگذاري ترمومكانيكي واكنشهاي مربرط به مكانيزمهاي فيزيكي مختلف كه در همه آنها استحاله مارتنزيتي دخالت مي‌كند متمايز مي‌شوند. اين مكانيزمها چهارنوعند:

1-   تشكيل مارتنزيت جهت يافته توسط تنش (داخلي يا بكار رفته ) و بازگشت به حالت آستنيتي

2-   تشكيل مارتنزيت غير جهت يافته در اثر سردكردن بدون تنش و بازگشت به حالت آستنيتي

3-   جهت يابي مجدد غير بازگشتي واريانتها توسط تنش خارجي

4-   جهت‌يابي جزئي و بارگشتي واريانتها توسط تنش خارجي

برحسب بارگذاري ترمومكانيكي و تاريخچه بار، مكانيزمهاي فوق موجب پنج نوع واكنش زير مي‌شوند:

ـ فوق ترموالاستيسيته: از خصوصيات آن بدست آمدن تغيير شكل «فوق حرارتي» يا «فوق الاستيك» در حدود چند درصد است

ـ حافظه يك جهتي: عبارتست از ظرفيت يك آلياژ حافظه دار جهت پيدا كردن شكل اوليه خود با گرم كردن، بعد از اعمال چند در صد تغيير شكل كه در سرما صورت مي‌گيرد.

ـ حافظه دو جهتي: عبارت است از ظرفيت آلياژ حافظه دار جهت آموزش به طريق بازگشتي از يك شكل در درجه  حرارت پايين به شكل درجه حرارت بالا با گرم كردن و يا سرد كردن، تغيير شكل توصيف كننده تعويض شكل بين حالت دما بالا و دماي پايين است.

ـ اثر كائوچويي: در رابطه با حركت بازگشتي واريانتهاي مارتنزيت است كه تردي كمتر آلياژ حافظه دار نسبت به مواد با مدول الاستيك معمولي را مي‌رساند. استحاله مارتنزيتي داراي مكانيزمهاي مختلف اتلاف انرژي است كه توانايي مهم آلياژ در ميرايي مكانيكي را توصيف مي‌كند.

مي‌توان چنين استنباط كرد كه حافظه شكل در آلياژهاي حافظه دار تنها يكي از وجوه رفتار ترموديناميكي متنوع و مختلف را در بر مي‌گيرد كاربردهاي آلياژهاي حافظه دار كه در بخشهاي بعدي بحث مي‌شود اين رفتار متنوع را توصيف خواهد كرد.

فوق ترموالاستيسيته در آلياژهاي حافظه دار

تغيير شكل فوق ترموالاستيسيته در رابطه با تشكيل مارتنزيت جهت يافته توسط تنش اعمال شده‌است. ادامه و تكميل استحاله با تغيير تنش و يا درجه حرارت امكان پذير است.

نخستين استفاده مهم صنعتي از اين پديده كه در آلياژهاي  حافظه دار مشاهده مي‌شود، در صنايع فضايي آمريكا (NASA) بود. زيرا در صنايع فضايي يكي از محدوديتهاي مهم حجم تجهيزات مي‌باشد. مثلاً آنتن  ماهوارهاي مخابراتي حجم عظيمي دارد، كه با استفاده از آلياژهاي حافظه دار ساخته مي‌شود. مراحل به ترتيب زير انجام مي‌گيرند.

1-              حلقه سيم نيكل – تيتانيم در دماي 650 ساخته مي‌شود كه در اين دما آلياژ بصورت فاز بتا مي‌باشد.

2-              استحاله مارتنزيتي با استفاده از سرد كردن حلقه در حدود 60 آغاز مي‌شود.

3-              در دماي 52 استحاله مارتنزيتي كامل مي‌شود.

4-              آنتن  در فاز مارتنزيت ساخته مي‌شود.

5-              آنتن بصورت يك گلوله تغيير شكل داده مي‌شود تا فضاي كمتري را اشغال نمايد.

6-              شروع استحاله مارتنزيت به آستنيت در اثر گرم كردن (در دماي 71=A_S ) پس از قرار گرتفن ماهواره در مدار كه توسط يك گرم كننده انجام مي‌گيرد. سيستم گرم كننده به همراه ساير تجهيزات ارسال مي‌شود.

7-   در دماي (77) استحاله آستنيتي كامل شده و آنتن شكل اوليه و مطلوب خود را باز مي‌يابد.

ظرفيت استهلاك

استهلاك مكانيكي اين مواد كه به « اصطكاك داخلي» معروف است، حاصل استحاله غير بارگشتي انرژي مكانيكي به انرژي حرارتي تلف شده مي‌باشد. اصطكاك داخلي F اغلب به وسيله فاكتور كيفيت Q كه عكس F است نشان داده مي‌شود. اصطكاك داخلي به درجه حرارت، فركانس، ميزان تغيير شكل، مواد و حالت داخلي آن بستگي دارد. در رابطه با آلياژهاي حافظه دار برحسب تغيير شكل سه محدوده كه در آنها اصطكاك داخلي مقادير مختلفي پيدا خواهد كرد شناخته شده‌است.

تضعيف خواص حافظه داري شكل

خواص استثنايي آلياژهاي حافظه دار داراي كاربردهاي گسترده است كه در اكثريت آنها كاركرد سيستم موجب تحميل تغييرات تكراري فاز مي‌شود. اين استحاله هاي تكراري مرجع تغييرات قابل توجه در رفتار مي‌باشد. مقاومت به خستگي يكي از مشكلات اساسي مشاهده شده در اين مواد است. همچنين در طي زمان عدم استحاله، كه آلياژ در حرارت مشخص قرار دارد خصوصيات اوليه تحت تاثير قرار مي‌گيرد. دومين مشكل كه مربوط به پيرشدن است محدوديتهاي مهمي را براي آلياژ در برخواهد داشت.

مقاومت به خستگي در آلياژهاي حافظه دار

در مواد كريستالي معمولي مرجع خستگي فرآيند هاي مكانيكي مربوط به تغييرات سيكلهاي بارگذاري است. تحليل توسط ميكروسكوپ الكتروني نقش تغييرات ساختاري در رفتار را ثابت كرده‌است. افزايش چگالي نابجايي‌ها، نظم گرفتن نابجايي ها ... و حضور مرزدانه ها در مواد پلي كريستال مرجع ديگري جهت شروع شكاف و اشاعه آن است. دو  نوع شكست متمايز شده‌اند: 1- شكست ميان دانه‌اي 2- شكست بين دانه اي. بر حسب وضعيت ساختاري آلياژ مكانيزمهاي مختلف شكست، فعال مي‌شوند.

اولين مدل مكانيزم خستگي معمولي فاز آستنيت در دامنه پايداري آن است، مدل دوم در رابطه با تشكيل فاز مارتنزيت تحت تنش و مدل سوم در رابطه با مكانيزم جهت‌يابي مجدد واريانتهاي مارتنزيت در دامنه پايداري اين فاز است.

در اغلب اوقات مكانيزمهاي مختلف همزمان دخالت دارند. مثلاً سيكل‌ حرارتي تحت تنش اعمال شده يكي از اين موارد است. نتيجه اينكه تحليل فرآيندهاي خستگي پيچيده مي‌شود. لازم است چند متغير به حساب آوده شوند: دما T، تنش اعمال شده ، تغيير شكل  و دماي اوليه استحاله M_S . همچنين خصوصيتهاي متالورژيكي نيز دخالت دارند (ثابتهاي آنيزو تروپي الاستيك، رسوب فازهاي ترد و ... ) با توجه به تعداد زياد پارامترهايي كه بر طول عمر خستگي آلياژهاي حافظه دار موثرند توصيف عجولانه اين رفتار گمراه كننده خواهد بود.

محاسبه سازه ها در آلياژهاي حافظه دار

كاربرد آلياژهاي حافظه دار در جامد داراي شكل هندسي ساده مثل نمونه آزمايش كشش و بارگذاري تك محوري يا حالت يكنواخت دما نادر است. اغلب اوقات با شكلهاي هندسي پپيچيده تحت تغييرات ترمومكانيكي سرو كار داريم. اگر چه در قطعات با رفتار الاستوپلاستيك سنتي در مرحله اول هدف محدود نمودن تنشها به منظور پيشگيري از شكست ناگهاني در اثر خستگي يا انهدام الاستوپلاستيك است، هنگام محاسبه سازه ها در آلياژهاي حافظه دار لازم است پاسخگويي به اهداف بزرگتري حاصل شود. اين مواد مي‌توانند به طور همزمان به عنوان گيرنده و فعال كننده استفاده شوند. شايسته است بتوان با بيشترين دقت ممكن پاسخ ترمومكانيكي (نيرو، دما،...) و متغير سينتيك مزدوج (افزايش طول يا چرخش ) را توصيف كرد. دو حالت ساده را در نظر بگيريم: يك فنر حلزوني و يك تير منعطف در حالت اول رابطه رفتار براي استفاده كننده رابطه ارتباط افزايش طول فنر ، نيروي اعمل شده F و دما T است. اين رابطه به عوامل زير بستگي دارد:

ـ خصوصيات هندسي فنر:قطر سيم d ، قطر بوبين D، تعداد حلقه n، طول فنر h

ـ رفتار مواد حافظه دار: دماي M_S و M_f ، پارامترهاي g, BA(f) در رابطه (2-16)

ـ تاريخچه بارگذاري ترمومكانيكي (مواد آموزش ديده، پير شدن و ... )

همزمان با برقراري اين رابطه ضروري است تنشها و كرنشهاي موضعي كه توسط آنها همزمان با برقراري اين رابطه ضروري است تنشها و كرنشهاي موضعي كه توسط آنها بارگذاري ماكروسكوپي مهار مي‌شوند، تعيين گردند. اين امر خود در بروز يا محدود نمودن فرآيندهاي شكست خستگي يا پير شدن ترمومكانيكي موثر است. بحث تير منعطف نيز به همين نتيجه منتهي مي‌شود. متغيرهاي ماكروسكوپي توصيف كننده سيستم عبارتند از:

ـ نيروي اعمال شده F به تير در A، پيكان S تير در A، دماي T.

فنر و تير به عنوان سازه هاي اوليه حافظه دار – تعيين پارامترهاي مورد استفاده در سازه ها

فرآيندها و كنترل كيفيت آلياژهيا حافظه دار دوتايي نيكل تينانيم

آلياژهاي دوتايي براساس سيستم بين فلزي NiTi در حالت حاضر مهمترين مواد حافظه دار در بازار هستند.  اغلب خصوصيات نيتينول به شدت، به دما بستگي دارد. اين واقعيت ها آشكارا اهميت مفهوم كنترل كيفيت پيشرفته، براي آلياژهاي نيكل تيتانيم را نشان مي‌دهند، زيرا در صورت دستيابي به تولرانسهاي سفت و دقيق، موقعيت و موضع بازار براي اين مواد منحصر به فرد در زمينه ايمپلنت‌هاي پزشكي بسيار جالب و اميدوار كننده خواهد شد.

توليد و پردازش نيتينول

توليد محصولات نيتينول امروزه با فرآيندهاي ذوب مرسوم، مانند ذوب القايي در خلاء (FIM:Vacunm induction melting) و يا ذوب قوس الكتريكي در خلاء (VAM: Vaxuum arc melting) با استفاده از مواد اوليه با درجه خلوص بالا مخصوصاً عاري از كربن و اكسيژن انجام مي‌گردد. شمش‌هاي توليد شده توسط ذوب القائي درون بوته گرافيتي و يا بوته خنك شونده با آب، ذوب مي‌شوند. مزيت اصلي فرآيند ذوب القائي يكنواختي شمش‌ها است كه به واسطه جريان همرفتي، در قسمت ذوب شده انجام مي‌شود. همچنين آناليز تركيب شيميايي مذاب در طي فرآيند ذوب به وسيله نمونه گيري از قطعه امكان پذير مي‌گردد. در اين صورت آلياژ كردن نيكل و تيتانيم براي تعديل و تنظيم دماي استحاله ميسر مي‌شود.

در فرآيند ذوب قوس الكتريكي به وسيله اضافه كردن عناصر آلياژي در هنگام فرآيند ذوب مجدد، كه براي يكنواخت كردن شمش انجام مي‌شود، مي‌توان دماي استحاله را به خوبي تنظيم نمود. به واسطه استفاده از بوته و امكان ذوب مجدد، شمشهاي حاصل از ذوب قوس الكتريكي در رابطه با ناخالصي هاي فلزي نسبت به شمشهاي ذوب القائي داراي درجه خلوص بهتري مي‌باشند. مهمترين ناخالصي‌هايي كه در شمشهاي نيكل تيتانيم مشاهده مي‌شوند، كار بايدها و اكسيدها مي‌باشند، و بايد با دقت كنترل شوند، كار بايدها معمولاً بسيار ترد هستند. ابعاد ذرات آنها بزرگ، در حد 10 و بالاتر مي‌باشد. اين ذرات باعث آغاز شكست در قطعه شده و خواص مكانيكي را متاثر مي‌سازند كه مسائل جدي را در طول فرآيند ساختن اشكال مختلف مانند سيم و يا لوله هاي جدار نازك ايجاد مي‌كنند.

اكسيدها از نظر ابعاد كوچكتر هستند5-1 و به شكنندگي كار بايدها نمي‌باشند. معمولاً در فرآيندهاي استاندارد توليد، از ظاهر شدن اكسيدها نمي‌توان جلوگيري كرد. ولي اين امر اهميت زيادي ندارد، زيرا اثر اكسيدها بر خواص مكانيكي بسيار كمتر از اثر كار بايدها مي‌باشد. از طرف ديگر، اكسيدها و كاربايدها مي‌توانند تعادل شيميايي در آلياژ  را تحت تاثير قرار دهند، زيرا آنها تيتانيم را از زمينه آلياژ خارج مي‌كنند(بيشتر از نيكل) و به دليل تغيير تركيب شيميايي باعث كاهش دماي استحاله مي‌گردند.

مثالهاي فوق، اهميت كنترل مقدار ناخالصي به همراه تعادل شيميايي آلياژها را نشان مي‌دهند. شمشهاي استاندارد با كيفيت معمولي داراي كمتر از ppm 600-500 اكسيژن كمتر از ppm 300 است در نهايت چنين استنباط مي‌وشد كه اولويت كنترل تركيب شيميائي جهت بدست آوردن شمشهاي با تركيب شيميايي مورد نظر ضروري است.

اين ضرورت هنگامي روشن‌تر مي‌شود كه بخواهيم دامنه تغييرات تركيب شيميائي آلياژهاي نيتينول را جهت مقايسه با بازه تغييرات دماي استحاله در نظر بگيريم، و به حساسيت بالاي نيتينول نسبت به كوچكترين انحرافات در تركيبات شيميايي پي ببريم، تغيير 1/0% اتمي در نسبت نيكل / تيتانيم باعث تغيير دماي استحاله شمش به اندازه15-5 خواهد شد. به منظور رسيدنبه نيازهاي به نيازهاي بدن انسان بعضي از اوقات ضروري است كه آلياژهايي با تلراسهاي دماي استحاله  و يا حتي كمتر ساخته شوند.

سازه ريخته گري شده نيتينول در تغيير شكل گرم، مانند نورد و آهنگري شكل داده مي‌شود. اين كار بين 850 و 950 انجام مي‌شود اين فرآيند به وسيله كارسرد حداكثر تا 45% ادامه مي‌يابد.

 

 

شكل 4-3 مراحل توليد سيم نازك از شمش نيكل تيتانيم

عمليات ترمومكانيكي و خواص مربوط به آن

از نقطه نظر متالورژي عمليات ترمومكانيكي در كنار تركيب شيميايي يكي از مهمترين فاكتورها براي كنترل خواص و عملكرد آلياژهاي حافظه دار مي‌باشد. عمليات ترمومكانيكي شامل تغيير شكل سرد در طول نورد سرد و يا كشيدن سيم و عمليات حرارتي متعاقب مي‌باشد. گامهاي بعدي ممكن بعنوان مثال، يش كرنش گذاري و سري فرآيند آموزش در ساخت آلياژ حافظه دار دو جهته مي‌باشد. به منظور مشخص كردن فرايند ترمومكانيكي عوامل بسياري در نظر گرفته مي‌وشند از جمله:

1-   درجه تغيير شكل در طي كار سرد.

2-   مدت و دماي عمليات حرارتي

3-   شرايط اوليه آلياژ قبل از تغيير شكل نهايي (ريز ساختار حاصل از عمليات حرارتي و رسوب‌ها و ...)

4-   ترتيب عمليات حرارتي نهائي و مراحل تغيير شكل (در طول سري فرآيندهاي آموزش). براي يك ايمپلنت و يا ابزار پزشكي، خواص عملكردي ممكن است بسيار متغيير و پيچيده باشد ضروري است كه تعداد كل خواص عملكردي به موارد زير محدود شوند كه در بسياري از كاربردهاي پزشكي استفاده مي‌شوند:

1-       دماي استحاله

2-       تنش ماكزيمم اثر فوق‌الاستيك هم در دماي بدن و هم در دماي اتاق

3-       كرنش ماكزيمم هم در دماي بدن و هم در دماي اتاق

4-       تغيير شكل پلاستيكي بعد از اعمال مقداري از كرنش كل

لازم به ذكر است، عمليات ترمومكانيكي به كار رفته به طور قوي خواص ساختاري مانند خواص عملكرد يك تركيب نيتينول را تحت تاثير قرار مي‌دهد. همانطور كه تعداد خواص عملكردي ممكن است به بيشتر از 10 مرود برسد، محدود نمودن موارد تقاضا براي كاربرد مربوطه اهميت پيدا مي‌كند. اين امر مخصوصاً در آلياژهاي غني از نيكل كه رسوب سختي نشان مي‌دهند و واكنش‌هاي پيچيده ريز ساختاري دارند، صحت دارد اين فرآيندها با مرحله ترمومكانيكي شروع مي‌شوند، كه بسيار مهم است زيرا شناخت انواع مختلف واكنش‌هاي تركيبي آستنيت را بر پايه وجود يا عدم وجود موارد زير، امكان پذير مي‌نمايد

1-   نابجايي هاي محل جوانه زني رسوب

2-   محلول جامد فوق اشباع

3-   انرژي فعال سازي براي بازيابي، تبلور مجدد و يا رشد دانه

4-   استحاله فاز

تمام اين موارد (و حتي مقداري بيشتر ) از پارامترها همديگر را به شدت تحت تاثير قرار مي‌دهند. اثرات ريز ساختاري ممكن است همزمان يا به طور متوالي ظاهر شوند وهر يك از آنها عامل ايجاد خواص عملكردي متفاوتي باشند.

تعريف عبارات

آلياژهاي حافظه دار در موارد مختلفي در رابطه با محصولات صنعتي مانند صنايع پزشكي، تجهيزات بسيار حساس مانند ميكرو سيستمها، ماهواره ها و يا كامپيوترها و حتي در موارد كم اهميت تر مانند اسباب بازي يا كالاهاي مصرفي به كار مي‌روند. به همراه مردم، دانشگاه ها، مراكز تحقيقاتي و توليدي با نيتينول سروكار دارند، اين امر اغلب باعث آشفتگي در تعريف عبارت مي‌گردد. زيرا ارتباط بين برداشتهاي گروه هاي مختلف فني در رابطه با اين مواد مشكل است بسياري از اثرات با يك عبارت واحد ناميده نمي‌شوند و ممكن است تفسيرها در رابطه با بسياري از خواص مواد تطابق نداشته باشد. براي مثال مدول يانگ يك ماده فوق الاستيك نيتينولي را نمي‌توان به وسيله انجام يك آزمايش كشش ساده روي ماده تعيين و تعريف نمود زيرا مدول يانگ در مقايسه با آلياژهاي مرسوم، شكل پيچيده تري دارد. مشخص مي‌گردد كه دو شكل احتمالي در شرح و بيان مدول يانگ وجود دارد و همه در جلوه دادن مدول يانگ كمك مي‌كنند و هيچ كدام از آنها احساس درستي را در هنگام استفاده در معادلات براي تركيبات نيتينولي بدست نمي‌دهند.

اندازه گيري خواص عملكردي وابسته

اندازه گير‌هاي خواص عمكلردي مهم، مانند دماي استحاله، كرنش استحاله به منظور تضمين قابل تكرار بودن اندازه گيري و يافتن معيار صنعتي واحد، استاندارد شده‌اند. دو آزمايش مختلف براي اندازه گيري دماي استحاله نيتينول به كار مي‌روند. علاوه بر روش‌هاي گرماسنجي (كالريمتري روبشي تفاضلي ) (DSC) از روشهاي انبساط سنجي، اندازه گيري مقاومت و حتي تست مختلفي را بدست مي‌دهند. در زمينه تجهيزات پزشكي اندازه گيري دماي آستنيتي براي مشخص كردن خواص گرمايي بصورت وسيعي پذيرفته شده‌است. اين امر، تعداد پارامترهاي وابسته ار به طور موثر كاهش مي‌دهد. اگر چه در زمينه كاربردهاي پزشكي روشهاي آزمايش مختلفي وجود دارند كه در جدول 4-2 ارائه شده‌است در گذشته نشان داده شده كه روش عملي و قابل اطمينان، روش اندازه گيري (DSC) مي‌باشد كه تحولات قطعه نيتينولي در مقايسه با قطعه مرجع را نشان مي‌دهد. در طي استحاله فاز دماي نمونه نيتينول در مقايسه با نمونه مرجع تغيير مي‌كند كه در رابطه با مشخصه درون گرمايي استحاله فاز مي‌باشد همچنين آزمايش‌هاي خمش در شرايط نهايي ماده به كار مي‌روند كه معمولاً در حمام آب گرم انجام مي‌شود. قطعه در دماهاي كمتر از M_f خم شده وبا گراديان دمايي ثابت گرم مي‌شود. هنگام رسيدن به دماي فعال A_s ، بازيافت شكل اتفاق مي‌افتد، و تا رسيدن به دماي A_f كامل مي‌شود.

ولي حتي اگر اندازه گيري هيا DSC قطعات در آزمايشگاه هاي مختلف انجام شود اختلافات جدي در نتايج به وجود خواهد آمد، كه اصولاً غير قابل پذيرش هستند بنابراين ضروري است، اندازه گيري دماي استحاله فعال با استفاده از روشهاي خمش يا انبساط سنجي، و هم زمان با اندازه گيري دماي آستنيت A با استفاده از روش استاندارد DSC در شرايط نهايي ماده، انجام شود.

مقاومت خوردگي و سازگاري زيستي نيكل – تيتانيم روئين شده

آلياژ نيكل – تيتانيم، با در صد اتمي مساوي (نيتينول) داراي مجموعه اي منحصر به فرد از خواص، شامل فوق‌الاستيسيته و حافظه شكلي مي‌باشد كه براي كاربردهاي پزشكي مورد توجه خاص قرار گرفته است. نيكل – تيتانيم به عنوان ايمپلنت در دندانپزشكي و ارتوپدي براي چندين دهه گذشته به كار رفته است و در بهبود و پيشرفت هاي اساسي در اين زمينه ها تاثير بسزايي داشته است.

بافت هاي انسان تقريباً شامل ppm 1/0 نيكل هستند كه براي تغذيه و تعادل بيولوژيكي بدن ضروري مي‌باشد.

محدوديتهاي موجود در مورد استفاده از نيكل تيتانيم براي ايمپلنت هاي پزشكي به واسطه مقالات مرجعي است كه مقاومت خوردگي متوسط و سازگاري در كشت سلولي را گزارش داده‌اند، اگر چه مطالعه دقيق اين مراجع روشن ساخته كه تاريخچه فرآيند توليد نيكل – تيتانيم و شرايط سطح اين آلياژ اغلب به خوبي ارائه نشده‌اند. بديهي است كه بهينه سازي خواص مكانيكي و حرارتي در آلياژهاي نيكل – تيتانيم مستلزم كنترل فرايندهاي توليد مي‌باشد. بهينه سازي فرآيندهيا ترمو مكانيكي مقاومت خوب به بستگي و خواص مكانيكي عمومي را تامين مي‌كند تا ضروريات ايمپلنت هاي مورد مصرف در سازه هاي پزشكي بدست آيند. به طور مشابه، به منظور بالا بردن مقاومت خوردگي و تطابق زيستي ماده، عمليات تغيير سطح با هدف سازگاري آن ضروري مي‌باشد.

آزمايش خوردگي فعال

معمولاً اطلاعات و دانش فني در رابطه با رفتار خوردگي مواد جديد بر پايه مقايسه تجربي آن با موادي است كه در حال حاضر براي كاربرد خاصي در بدن مناسب بوده و استفاده مي‌شوند. اما در واقع هر آزمايش خوردگي، يك مقايسه محدود خواص الكترو شيميائي مواد جديد، به صورت آزمايشگاهي در خارج از بدن انسان (in vitro) با ماده اي است كه در حال حاضر مورد استفاده كلينيكي قرار گرفته است.

پتانسيو استات يك اسباب الكترونيكي با تقويت كننده تفاضلي و وسايل پيچيده الكترونيكي است كه اجازه مي دهد تا پتانسيل الكترود (نمونه تحت آزمايش ) را در مقايسه با الكترود مرجع در هر مقدار دلخواه ثابت نگهداريم. سينگنال ورودي به پتانسيو استات يعني اختلاف پتانسيل بين‌الكترود (الكترود كنترل كننده يا كار كننده ) و الكترود مرجع، با پتانسيل داده يا پتانسيلي كه توسط فرد عامل انتخاب مي‌گردد، مقايسه مي‌شود. اگر اختلاف بين دو پتانسيل از حد چند ميلي‌ولتي كه براي پتانسيو استات مشخص شده تجاوز كند، جريان خروجي لازم توسط پتانسيواستات بين الكترود عمل كننده و الكترود كمكي يا الكترود شمارشگر بر قرار مي‌شود تا پتانسيل الكترود عمل كننده در مقدار مورد نظر ثابت باقي بماند. اين عمل، براساس نوع پتانسيواستات در چند ميلي يا ميكرو ثانيه انجام مي‌شود. با قرار دادن آمپر سنج يا دستگاه اندازه گيري، جريان مناسب در مدار الكترود كمكي، مي‌توان جريان الكترود را بطور پيوسته در هر پتانسيلي اندازه گيري نمود. اين جريان دقيقاً، معادل سرعت فرايندي است كه در الكترود اتفاق مي‌افتد و بنابراين منحني جريان – پتانسيل (E-I) كه همان منحني پلاريزاسيون است رسم خواهد شد. پلاريزاسيون ممكن است به سه روش مختلف زير انجام شود:

1-             الكترود در پتانسيل ثابت قرار گرفته و تغييرات جريان – زمان رسم مي‌شود.

2-             پتانسيل الكترود را مقداري افزايش داده و مقدار جريان را دقيقاً پيش از افزايش پتانسيل رسم كنند. اين روش تحت عنوان روش پله اي پتانسيواستاتيك معروف است.

3-             پتانسيل را بطور پيوسته تغيير داده و مقدار جريان را در ضمن تغييرات پتانسيل رسم كنند كه بعنوان روش پتانسيل مداوم يا گاهي اوقات پتانسيو سينتيك مشهور است.

هر دو نوع منحني پلاريزاسيون كه توسط روشهاي پله اي يا مداوم بدست مي‌آيد، با منحني‌هاي پلاريزاسيون حقيقي مشابه هستند. منحني‌هاي پلاريزاسيون مي‌توانند اطلاعاتي درباره ناحيه روئين دراختيار بگذارند. چگالي جريان براي هر پتانسيل معين، نشانگر سرعت و اكنشي است كه در حال انجام مي‌باشد. روش پلاريزاسيون پتانسيو استاتيك براي بررسي خوردگي بسيار با ارزش است. چهار ناحيه مهم در منحني پلاريزاسيون وجود دارد در پتانسيلهاي بسيار منفي ناحيه تصادعد هيدروژن است كه فلز بعنوان كاتد بوده و جريان منفي از آن عبور مي‌كند. وقتي كه پتانسيل بتدريج نجيب (مثبت) مي‌شود، جريان كاهش يافته و سرانجام آندي يا مثبت مي‌شود پتانسيل مدار باز يا پتانسيل خوردگي در نقطه اي واقع است كه منحني، خط شدت جريان صفر را قطع مي‌كند. در اين نقطه وجود هيچگونه جريان خارجي مشاهده نمي‌شود ولي خوردگي هنوز اتفاق مي‌افتد، زيرا سرعت كل اكسيداسيون (انحلال فلز) با سرعت كل احياء (احياء يون هيدروژن به گاز هيدروژن) برابر است. با توجه به اينكه در اين نقطه هيچكدام از فرايندهاي فوق غال نيستند بنابراين منتجه جرياني در منحني پلاريزاسيون پتاسيو استاتيكي مشاهده نمي‌شود. با افزودن بيشتر پتانسيل، جريان افزايش يافته و به ناحيه (ب) فعال وارد مي‌شويم كه در آن انحلال آزاد فلز بصورت يون اتفاق مي‌افتد. وقتي كه پتانسيل به مقدار پتانسيل ابتدائي روئين شدن مي‌رسد الكترود داراي بالاترين مقدار چگالي جريان مي‌گردد كه ماكزيمم سرعت واكنش فلز در آن محلول، مخصوص است. سرانجام در پتانسيلهاي بسيار نجيب به ناحيه اي وارد مي‌شويم كه شدت جريان بسيار كم است، ناحيه روئين كه در آن ناحيه، با تغيير پتانسيل تغييري در جريان مشاهده نمي‌وشد. در پتانسيلهاي بسيار نجيب تر در اثر تصاعد گاز اكسيژن جريان دوباره افزايش مي‌يابد ناحيه تصاعد اكسيژن غالباً ناحيه ماوراء روئين ناميده مي‌شود اما ماوراء روئين شدن كه براي مثال در مورد فولادهاي ضد زنگ مشاهده مي‌شود. عبارت از يك قله بلند آندي است كه به آرامي بطرف ناحيه تصاعد اكسيژن تمايل مي‌يابد.

بررسي شكل منحني پلاريزاسيون پتانسيو استاتيك اطلاعات مفيد فراواني در رابطه با چگونگي انجام واكنش در اختيار مي‌گذارد. قسمت خطي منحني جريان پتانسيل يا ناحيه تافل بعنوان رفتار تافل معروف است و شيب منحني پلاريزاسيون در اين ناحيه ثابت تافل ناميده مي‌شود. شيب نواحي كاتدي و آندي در نزديكي پتانسيل مدار باز يا پتانسيل خوردگي نشانگر نوع كنترل  بكارگرفته شده، مي‌بادش. به اين معني كه واكنش، تحت كنترل آندي يا كاتدي و يا تركيبي از اين قرار دارد.

رفتار خوردگي غير فعال

با بررسي‌هاي انحلال در حالت غير فعال در محيط فيزيولوژيكي شبيه سازي شده مي‌توان شروع فرآيند خوردگي و انتشار آن را بررسي و تشخيص داد. تاثير محيط بر روي ابزار و ايمپلنت مي‌تواند با ارزيابي ظاهري و يا تصوير برداري بوسيله ميكروسكوپ الكتروني نمونه ها كه در فواصل زماني معين از محيط جدا شده‌اند، انجام گردد. همچنين تاثير وسيله بر روي محيط مي‌تواند توسط آناليز محصولات يوني حاصل شده از ابزار، با روشهاي پلاسماي القائي و يا طيف جذبي اتمي  انجام شود.

تاثير لايه سطحي بر مقاومت خوردگي

نتايج تحقيقات انجام شده در رابطه با سطح آلياژ نيكل – تيتانيم روئين شده نشان مي‌دهد لايه سطحي ترجيحاً اكسيد تيتانيم (TiO₂) است و مشابه آن چيزي است كه در آلياژهاي تيتانيم يافت مي‌شود اين مطلب با تئوريهاي ترموديناميكي در رابطه با اختلاف انرژي آزاد تشكيل TiO₂نسبت به اكسيد نيكل و يا ساير اكسيدهاي تيتانيم مطابقت دارد اين لايه اكسيد سطحي دو هدف را تامين مي‌كند:

1)     افزايش پايداري لايه‌هاي سطحي به منظور محافظت از خوردگي حجم و داخل ماده

2) ايجاد سد فيزيكي و شيميائي بر سر راه اكسيداسيون نيكل با بستن گذرگاه هايي كه ممكن است نيكل از آنها عبور كند.

آزاد سازي نيكل و سازگاري زيستي

از آنجا كه آزاد سازي نيكل در طي كاربرد آلياژهاي نيكل دار در محيط هاي زنده يكي از موضوعات مهم براي استفاده اينگونه مواد به عنوان ايمپلنت مي‌باشد، چندين طرح مطالعاتي عهده دار بررسي و اندازه گيري ميزان نيكل حل شده در محيط شده‌اند. براي مثال بارت و بيشارا ازاد سازي نيكل از سيم‌هاي خميده نيكل – تيتانيم (كه به وسيله توليد كننده ارائه شده‌است) را مورد بررسي قرار داده اند و در طي يك مطالعه در مد‌ل‌هاي آزمايشگاهي به اين نتيجه رسيدند كه وسايل و ابزار آلات فولاد زنگ نزن و نيكل در يك مطالعه ثانويه، بيماران ارتودنسي كه از وسايل نيكل – تيتانيم استفاده شده بود، غلظت نيكل در خون آنها براي مدت 5 ماه اندازه گيري شد، نتايج هيچگونه افزايش مشخصي از نيكل را در طي اين مدت در خون نشان نداده است.  در يكي مطالعه مقايسه اي رشد سلول انساني به وسيله ريهانن در محيط رشد فيبرو بلاست و استئوبلاست، آزاد سازي نيكل از نيكل – تيتانيم و فولاد ضد زنگ L316 بررسي گرديده است. در هر دو محيط ، مقدار نيكل گروه نيكل – تيتانيم در روز اول بيشتر بوده كه به سرعت بصورت تابعي از زمان كاهش يافته و بعد از گذشت 8 روز به همان مقدار فولاد ضد زنگ رسيده است. لازم به ذكر است اگر چه در اوايل آزاد سازي نيكل درگروه نيكل – تيتانيم بالاتر بوده، ولي به مقدار سمي نرسيد و تكثير سلولها يا رشد آنها در نزديكي سزح ايمپلنت متاثر نشده اند در ادامه نيكل – تيتانيم تنها به وسيله روش مكانيكي بدون هيچ نوع فرآيند غير فعال سازي اضافي سطح، عرضه گرديده است، در عوض فولاد زنگ نزن طبق دستورهايي كه به توليد كنندگان داده شد الكتروپوليش شده اند.

سازگاري زيستي يك ماده مي‌تواند به سادگي توسط قابليت آن براي پذيرفته شدن در بدن تعريف شود. از آنجا كه بسياري از مواد در صورت استفاده به عنوان ايمپلنت با واكنش بدن در مقابل شيء خارجي همراه خواهد بود، درجه تطابق زيستي به ميزان اين واكنش بستگي دارد به منظور مطالعه اين پديده، آزمايش در مدلهاي انساني آزمايشگاهي به صورت كشت سلول، اجازه مي‌دهد تا عكس العمل هر سلول در محيط فيزيولوژيكي و سيستم ايمني را ارائه مي‌نمايد. هر دو نوع آزمايش براي درك بهتر پاسخ بيولوژيكي به نيكل – تيتانيم، انجام مي‌شوند. مطالعات اخير بصورت آزمايشگاهي ، تفاوت خاصي بين رفتار رشد سلولي در نزديكي سطوح ايمپلنت هاي مواد مختلف نشان نداده است، (تيتانيم و نيكل – تيتانيم پوليش مكانيكي و فولاد ضد زنگ L316 الكتروپوليش شده‌اند. آناليز ميكروسكوپي نشان داده كه سلولها بسيار نزديك به سطح آلياژهاي تيتانيم و نيكل – تيتانيم رشد كرده‌اند در حاليكه سلولهاي در حال رشد به فولاد زنگ نزدن كمتر نزديك بوده‌اند. به طور خلاصه مي‌توان نتيجه گرفت كه نيكل تيتانيم سازگاري زيستي خوبي را از خود نشان مي‌دهد و پتانسيل بسيار بالايي براي كاربردهاي آزمايشگاهي و پزشكي دارد. همچنين نيكل تيتانيم غير فعال شده هيچگونه اثر سمي، حساسيتي و يا فعاليت سم زايي را بر پايه تست mem بر روي خوك گينه نشان نمي‌دهد.

نتايج مشابهي براي گروه كنترل شامل فولاد زنگ نزن L316 غير فعال شده بدست آمده است. در يك مطالعه ديگر تنها، تطابق ژني ماده، مورد بررسي قرار گرفت و نيكل – تيتانيم رفتار سازگاري زيستي مشابهي مانند تيتانيم و فولاد زنگ نزL316 در كروماتين سلولي از خود نشان داده است.

در نهايت كاترايت پاسخ بافت‌ها به سيم ايمپلنت زير جلدي نيكل – تيتانيم را در موش براي مدت 9 هفته مورد مطالعه قرار داده، پاسخ فوري 3 روز بعد از كار گذاشتن ايمپلنت آغاز شده و فرآيند بهبود بعد از 1-2 هفته مشاهده گرديده كه شامل شكل گيري كپسول فيبري در اطراف دو ايمپلنت بوده است. اين واكنشها، مشابه واكنش در مقابل سيم‌هاي فولادي ضد زنگ مي‌باشد. علاوه بر اين كاستلمن تطابق زيستي نيكل – تيتانيم غير فعال شده را با قرار دادن ورقهايي در استخوان ران سگهاي تازي به مدت 3 تا 17 ماه مورد ارزيابي قرار داد تحليل بافت شناسي عضله‌اي در اطراف ايمپلنت هيچ تفاوت مشخصي را بين نيكل – تيتانيم و كرم- كبالت نشان نداده است. آناليز فعال سازي نوترون در نزديكي ايمپلنت ها بيانگر عدم وجود نيكل فلزي در اطراف عضله بوده است. بر پايه مشاهدات، آنها نتيجه گرفتند، اين ماده براي تست بعدي كاملاً بي خطر مي‌باشد.

اخيراً ترپانير يك مطالعه بر روي استنت هاي غير فعال شده نيكل – تيتانيم انجام داده است. ايمپلنت مواد در عضله فوق مهره‌اي خرگوش و مطالعه واكنش عفوني آن براي يك دوره 3 تا 12 هفته اي پاسخ بيولوژيك خوبي از نيكل – تيتانيم ارائه داده است. آناليز كپسولهاي فيبري در اطراف استنت هاي نيكل – تيتانيم كاهش ضخامت با زمان را نشان داده است. يك مطالعه ادامه دار 26 هفته اي بر روي موشها براي ارزيابي اثر مواد مختلف بر روي بافت‌هاي نرم انجام شده‌است در اين مطالعه، تطابق زيستي كوتاه مدت براي نيكل – تيتانيم پوليش شده مشابه Ti-6Al-4v پوليش شده و فولاد ضد زنگ الكتروپوليش شده بوده است. اين مواد در تماس با عضله و بافت هاي عصبي بوده اند. اين نتايج، تطابق زيستي اميد بخشي را در ارتباط با بافت هاي نرم بيان مي‌كند.

براساس مقالات فراوان، نيكل – تيتانيم غير فعال شده مقاومت خوردگي بهتري را نسبت به فولاد زنگ نزدن دارا مي‌باشد. نيكل تيتانيم به وسيله يك لايه اكسيد تيتانيم از خوردگي محافظت مي‌شود. اين رفتار خوب در مقابل خوردگي از كاهش كيفيت اين ماده در محليطهاي زيستي جلوگيري كرده وبنابراين تطابق زيستي آن را تائيد مي‌نمايد. براساس نتايج مطالعات انجام شده ميزان نيكل آزاد شده از آلياژ نيكل – تيتانيم در محيط بيولوژيك، بسيار كم مي‌باشد. حلاليت نيكل به سرعت از يك مقدار ماكزيمم كاهش مي‌يابد (كه بسيار پايين‌تر از مقدار سمي است ) و بعد از چندين روز شناوري درمحلول فيزيولوژيكي به مقدار غير قابل رديابي مي‌رسد. مقاومت خوردگي نيكل – تيتانيم مي‌تواند حتي با عمليات سطحي مختلف مانند الكترو پوليش كه باعث ايجاد يك لايه يكنواخت اكسيد مي‌گردد، بهتر شود. مطالعات در مدلهاي انساني و حيواني نشان مي‌دهند كه نيكل – تيتانيم سازگاري زيستي خوبي را ارائه مي‌دهد و هنگام تماس با محيط‌هاي فيزيولوژيك اثرات سمي يا مسموميت ژني (ژنوتوكسيك) ايجاد نمي‌كند. بنابراين نيكل – تيتانيم غير فعال يا عمليات سطحي شده، مي‌تواند بعنوان ماده ايمپلنت بيولوژيك بي خطر با خواص مكانيكي منحصر به فرد مورد توجه قرار گيرد.

قابليت بالاي استهلاك در آلياژهاي حافظه دار نيكل- تيتانيم

استهلاك نوسانات يكي از نمونه هاي بارز اتلاف انرژي مكانيكي در سيستم هاي مكانيكي است. فرآيند استهلاك براي مدت طولاني تحت مطالعه بوده است. در نگاه اول به نظر مي‌رسد كه نيروهاي نوساني در مقايسه با نيروهاي عكس‌العملي ديگر كوچك باشند و در محاسبات اوليه در نظر گرفته نمي‌شوند. ولي بايد توجه داشت كه در مواردي اثرات آنها به مراتب بيشتر از ساير نيروهاست و اجزاي ماشين كه تحت نوسانات كار مي‌كنند، ممكن است با پديده هاي خطرناكي مواجه شوند كه از جمله آنها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

1-   كوتاه نمودن عمر ابزارهاي مكانيكي

نوسانات، عامل اصلي توليد تنش متغير در اجزاي مكانيكي مي‌باشند. درعمل مشاهده شده است كه تنش هايي به مراتب كمتر از تنش شكست قطعه، كه به صورت متناوب بر سازه وارد شده‌اند عامل شكست قطعه بوده‌اند. اين امر به صورت شروع و رشد ترك در قطعه در اثر تنش متغير و در نهايت شكست نهايي قطعه توجيه مي‌شود.

2-   اثر رزونانس (تشديد)

هر سازه مكانيكي داراي فركانس طبيعي خاصي است كه اگر نيروي متناوبي با اين فركانس به سازه اعمال شود دامنه نوسانات به شدت بالا رفته و احتمال شكست و خرابي به شدت افزاش مي‌يابد.

3-   اثرات مضر بر ارگانيسم‌هاي بدن انسان

نوسانات در وسايط نقليه و ساير دستگاههاي مكانيكي كه انسان به طور مستقيم با آنها سروكار دارد مي‌تواند اثرات مضري بر ارگانيسم‌هاي بدن داشته باشد. لذا يكي از اهداف طراحان سيستم تعليق اتومبيل‌ها، كنترل نوسانات منتقل شده به بدن مي‌باشد. با توجه به اثرات مخربي كه نوسانات بر سيستم‌هاي مكانيكي اعمال مي‌كنند، در مواقع ضروري طراحان با استفاده از مستهلك كننده‌ها اين نوسانات را مستهلك مي‌نمايند. البته مستهلك كننده ها نيز انواع مختلفي دارند كه تمام سعي طراحان بر اين است كه راههاي طبيعي براي استهلاك ارائه نمايند تا از كاربرد مستهلك كننده هاي مصنوعي تا حد امكان خودداري شود. زيرا استفاده از مستهلاك كننده‌هاي مصنوعي پروژه‌ها  را گرانتر كرده و همچنين خود مستهلك كننده ها باعث ايجاد اشكالات فني در سيستم ها مي‌شوند. اين كار نيازمند دانش كمل در مورد پديده استهلاك و اتلاف انرژي مكانيز مهايي است  كه تحت نوسانات قرار دارند. از نظر فني مي‌توان پديده هاي مستهلك كننده را به گروههاي زير تقسيم بندي‌كرد:

الف) استهلاك داخلي

اين نوع استهلاك به سازه داخلي ماده در حال نوسان مربوط مي‌شود كه اصولاً در رابطه با اصطكاك داخلي در بين ريز ساختارهاي تشكيل دهنده ماده است. در اين پديده اثراتي مانند نفوذ مولكولي در داخل شبكه كريستالي و حركت نسبي بين كريستالها دخالت دارند استهلاك داخلي در اغلب سازه‌ها زياد نيست و فلزات استهلاك كمي از خود بروز مي‌دهند، كه كمترين آن در فلزات با شبكه بلوري ساده مشاهده مي‌شود. موادي مانند چوب، بتون و پلاستيك خواص استهلاكي بيشتري را از خود بروز مي‌دهند. نوعي از آلياژهاي جديد و خاص كه در دهه 1960 كشف شده‌اند نيز ميزان بالايي از اين نوع استهلاك را از خود نشان داده‌اند كه هدف اصلي اين فصل، بررسي اين نوع استهلاك و پارامترهاي موثر بر آن است. در حالت كلي براي اين نوع استهلاك مي‌توان گفت ميزان استهلاك و پارامترهاي موثر بر‌ آن است. در حالت كلي براي اين نوع استهلاك مي‌توان گفت ميزان استهلاك به بزرگي تنش بستگي دارد و اتلاف انرژي به صورت غير خطي با افزايش تنش افزايش مي‌يابد. همچنين استهلاك داخلي به شدت، تحت تاثير دما قرار دارد. در مواد پلي‌كريستال استهلاك داخلي به نوع عمليات حرارتي، تغيير شكل پلاستيك و شرايط  سطح بستگي دارد.

ب) استهلاك سازه‌اي

اين قسمت به اتلاف انرژي در سطوح تماس اجزاي سازه در محل اتصالات مي‌پردازد. اين اجزا به دليل الاستيسيته ماده و قابليت تغيير شكل آن دچار لغزش هاي ميكروسكپي مي‌شوند. محاسبات مربوط به استهلاك به وسيله فرضيات ساده در تئوري مقاومت ماده، و اثر اصطكاكي كلمب انجام مي‌شود. استهلاك سازه‌اي مي‌تواند تاثير بسيار بزرگي بر روي سيستم‌هاي مكانيكي داشته باشد. در بسياري از ماشين‌هاي ابزار اين نوع استهلاك تنها منبع منحصر به فرد استهلاك است. بر خلاف استهلاك داخلي، استهلاك سازه‌اي قوياً فركانس نوسانات را تحت تاثير قرار مي‌دهد.

ج) استهلاك در اتصالات لغزنده

اين نوع استهلاك را مي‌توان در اتصالات با حركت نسبي مانند ياتاقان ها و خطوط راهنما مشاهده نمود اين حالت در اصطكاك خشك بدون روانساز به وجود مي‌آيد. اين نوع استهلاك به صورت خطي است كه در صورت افزودن روانساز به حالت غير خطي تبديل مي‌شود.

د) استهلاك هيدروديناميك و آيروديناميك

حركت يك جزء در داخل مايع و يا گاز به وسيله اين اثر مستهلك مي‌شود. نيروي مقاوم به واسطه وجود هوا در اغلب موارد ناديده گرفته مي‌شود. خواص چسبندگي مايعات را نيز بايد در نظر گرفت. ياتاقان هاي لغزشي، مستهلك كننده‌هاي هيدرواستاتيك و آيرواستاتيك نمونه‌هايي از كاربرد اين نوع استهلاك هستند.

عوامل ريز ساختاري اصطكاك داخلي

عوامل ايجاد كننده اصطكاك داخلي را مي‌توان بوسيله مطالعات فيزيكي و تستهاي مكانيكي مانند اندازه گيري قابليت استهلاك و در ادامه، تست ميكروگرافي قطعات بدست آورد. سرانجام تحليل نهايي به منظور بررسي ارتباط بين ريز ساختار و قابليت استهلاك مواد انجام مي‌گيرد. عواملي ار كه باعث اصطكاك داخلي مي‌شوند، مي‌توان به صورت زير تقسيم بندي نمود:

الف) آرايش نابجا در شبكه كريستالي. مولكولها و اتمها تحت بارگذاري تمايل دارند به آرايش تعادلي جديدي دست يابند.

ب) وجود مولكولهاي خارجي در شبكه كريستالي.

ج) لغزش مرزدانه ها (منطقه سطح مشترك بين دانه ها خواص شبه چسبنده دارد).

د) ماكروترموالاستيسته. هنگامي كه يك نمونه تحت بارگذاري قرار مي‌گيرد، اگر دما در نقاط مختلف بارگذاري اندازه گيري شود ممكن است تغييرات قابل ملاحظه داشته باشد. اين بدين معني است كه جريان گرما و اتلاف گرما به شدت به اتلاف انرژي بستگي دارد.

هـ) ميكروترموالاستيسيته. هنگامي كه يك جسم تحت بارگذاري يا تنش سيكلي قرار مي‌گيرد، در سطح مشترك مرز دانه ها شارژگرما مشاهده مي‌شود.

و) اثرات الكتريكي. الكترون هاي آزاد مخصوصاً در دماي پايين مي‌توانند به آساني تحت بارگذاري و ايجاد پتانسيل تنش جابجا شوند و در اين حالت به واسطه مقاومت الكتريكي مواد در برابر جريان، حرارت به وجود مي‌آيد.

ز) اثرات مغناطيسي. اين اثر به صورت تغييرات ميدان مغناطيسي مواد جريان‌هاي گردابي مي‌باشد. همچنين اثر مگنتوالاستيسيته (Mgneto Elasticity) نيز در استهلاك موثر است

ح) حركات نابجايي ها.

اتلاف انرژي در طول بارگذاري سيكلي

منحني هيسترزيس شبه الاستيك تنش – كرنش همانطور كه در شكل نشان داده شده‌است از حالت هيسترزيس قابل توجه در طول بارگذاري و باربرداري پيروي مي‌كنند. بنابراين انرژي آزاد شده در طي باربرداري مشخصاً كمتر از انرژي اعمال شده براي تغيير شكل ماده است و اتلاف انرژي كاملاً بالاست. اين رفتار اختصاصي هنگامي كه قرار است دامنه هاي بسيار بالاي نوسانات كرنش مستهلك شوند (^2-10 > ) بسيار جالبتر است. يكي از كاربردهاي مهم مهندسي سازه اين است كه مي‌خواهند ساختمان ها و پل ها را در مقابل خرابي‌هاي حاصل از زلزله مقاوم كنند. شكل و ظرفيت ذخيره سازي همراه با ظرفيت بالاي استهلاك و سفتي مواد، خواص بسيار مهمي براي مواد بكار رفته در عايقهاي كف و جذب كننده‌هاي انرژي در ساختمان مي‌باشند.

بهر حال در كاربرد حلقه‌هاي شبه الاستيك در ارتباط با استهلاك لازم است جابجايي هر دو قسمت مرتفع منحني در اثر افزايش دما و تنش به طرف مقادير بالاتر كه موجب كاهش نسبي توان استهلاك مي‌گردد به حساب آيد. همچنين دامنه و فركانس نوسانات اعمالي اثر قابل توجهي بر ظرفيت استهلاك دارد.

 

رفتار تغيير شكل شبه الاستيك طي اعمال تنش بر آلياژهاي حافظه دار.  تنش بحراني،  و  به ترتيب كرنش هاي شبه الاستيك و الا ستيك هستند).

 

رابطه نمودارهاي تنش – كرانش با استهلاك

در مواد معمولي هنگامي كه جسم به صورت الاستيك تغيير شكل مي‌يابد، بعد از باربرداري به حالت اوليه برگشته و تمام انرژي خود را كه در اثر بارگذاري در آن ذخيره شده بود باز مي‌گرداند. در اين حالت منحني تنش – كرنش در حالت رفت و برگشت بر هم منطبق هستند. نمونه بارز اين امر هم منطبق هستند و فنرها براين اساس طراحي و ساخته مي‌شوند.

هنگامي كه ميله‌اي تحت كشش قرار مي‌گيرد، مساحت زير نمودار تنش – كرنش نشان دهنده انرژي پتانسيل ذخيره شده در واحد حجم ميله است.

(6-2)           

كه در آن W_f انرژي ذخيره شده در واحد حجم ميله در هنگام بارگذاري است. لذا اگر تنش در منحني باربرداري با 6_b نشان داده شود مي‌توان نتيجه گرفت:

(6-3)           

در اينصورت ميزان انرژي غير بازگشتي بدست خواهد آمد:

(6-4)           

لذا فاكتور استهلاك (اصطكاك داخلي )براحتي قابل محاسبه خواهد بود.

(6-5)           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 6-8 مساحت زير نمودار تنش – كرنش برابر انرژي ذخيره شده است.

نكته اي كه بايد مورد توجه قرار گيرد اين است كه روابط فوق براي ميله اي كه تحت بارگذاري و باربرداري كششي قرار دارد صادق است. ولي در مواردي مانند خمش تيرها كه تنش در حالات الاستيك و پلاستيك متغير است وضعيت پيچيده تر مي‌گردد. در شكل زير توزيع تنش الاستيك و پلاستيك در مقطع تير نشان داده شده است. به منظور تحليل رابطه استهلاك داخلي و تنش دو نقطه را  در راستاي عرضي تير فرض مي‌كنيم. با توجه به رابطه حاكم بر تيرها داريم.

توزيع تنش در حالات الاستيك و پلاستيك در مقاطع تير

                     

كه در آن  تنش كششي و يا فشاري در نقطه اي است كه به فاصله Y از تار خنثي در تير قرار دارد. و I ممان دوم سطح حول محوري است كه در آن خمش اتفاق مي‌افتد. حال اگر كرنش ها كوچك بوده و بصورت خطي در تير توزيع شده باشند تنش نيز در مقطع تير توزيع خطي خواهد داشت و با توجه به رابطه

كه در آن E مدول الاستيسيته و  كرنش كششي تير است، از مقايسه روابط بالا نتيجه مي شود:

و اين بدين معني است كه در تار خنثي كرنش كششي صفر و در مقاطع دورتر كرنش بيشتري وجود دارد . در رابطه بالا فرض شده است كه E ثابت است. با توجه به تعريف E كه مدول الاستيسيته كششي يك ماده است، اگر نيروي كششي در ميله تحت كشش كه مساحت مقطع آن A مي باشد، به اندازه  تغيير كند و در اثر اين تغيير نيرو طول اوليه به اندازه  افزايش يابد مي‌توان نوشت:

        

در حالت حدي رابطه بالا به حالت زير تبديل مي‌گردد:

            

و رابطه نشان مي‌دهد كه مدول الاستيسيته شيب نمودار تنش كرنش مي‌باشد. لذا هنگامي كه ماده‌اي از حالت الاستيك خارج شده و وارد حالت پلاستيك مي‌گردد، مدول الاستيسيته نيز در هر نقطه به صورت تابعي از كرنش است كه در آن نقطه اتفاق افتاده است لذا در تير در حالتي كه تحت خمش قرار مي‌گيرد، با توجه به اينكه كرنش در هر نقطه اي تابع فاصله آن نقطه از تار خنثي است، مثلاً

و اينكه خود مدول الاستيسيته (E) نيز تابع كرنش  است:

مي توان نتيجه گرفت كه مدول الاستيسيته نيز تابع y خواهد بود. يعني           

الف: نمودار تنش بر حسب كرنش ب: نمودار مدول الاستيسيته بر حسب كرنش براي كرنش غير الاستيك        

براي تحليل بيشتر تير حافظه دار كه تحت خمش قرار دارد با توجه به اينكه طبق روابط بالا مدول الاستيسيته تابع فاصله از محور خنثي است، مقطع تير را با يك تير چند لايه مدلسازي مي‌كنيم و تعداد لايه‌ها را تا حدي زياد مي‌كنيم كه مدل رياضي با نمونه واقعي مطابقت داشته باشد.

در گذشته تلاش زيادي انجام شده تا آلياژهاي مارتنزيتي نظير Cu-Zn-Al و Ni-Ti را در ابزارهايي نظير راكتهاي تنيس و تيغ اره و .... بكار برند، ولي هيچ يك از اين طرحها به موفقيت اقتصادي دست نيافت. يكي از دلايل اصلي عدم موفقيت اقتصادي اين است كه آلياژهاي حافظه دار هنوز بسيار گرانتر از آن هستند كه به عنوان مواد سازه‌اي بكار روند.

علاوه بر اين ماشينكاري اين مواد مشكل و جوشكاري آنها تقريباً غير ممكن است. همچنين كاهش انرژي به واسطه محدوديت انرژي مكانيكي كه مي‌تواند به مواد منتقل شود محدود است. در عوض اخيراً جاذبه هاي جديدي در رابطه با خاصيت استهلاك مواد حافظه دار به وجود آمده است. يك توليد كننده سوئيسي اسكي را كه لايه‌هاي Cu-Zn-Al در آن به كار رفته است آزمايش نمود. لايه هاي بكار رفته دماي استحاله‌اي كمي بالاتر از صفر درجه دارند. در اينصورت هنگام تمام با برف در لايه‌هاي Cu-Zn-Al استحاله مارتنزيتي رخ خواهد داد. با اين روش نوسانات مستهلك شده، و اسكي رفتار مناسب و بهتري از خود نشان مي‌دهد.

همچنين جاذبه نظامي در اين مواد براي ساخت ضربه گير و ضد گلوله نمودن وجود دارد. زيرا دامنه بالاي كرنش درتركيب با ضربه خاص به مواد حافظه دار اجازه مي‌دهد تا خواص استهلاكي بالايي را از خود بروز دهد جهت گيري مجدد مارتنزيت و فوق الاستيسيته نيز يكي ديگر از زمينه هاي كاربردي اين مواد است. به طور مشابه، كاربردهاي عمراني مواد حافظه دار نيز اخيراً توجه فراواني را به خود جلب نموده‌است. مخصوصاً براي محافظت ساختمانها و پلها در مقابل زلزله و نوسانات حاصل از آن جاذبه زيادي وجود دارد.

خوردگي و رفتار الكتروشيميايي آلياژهاي نيكل – تيتانيم

سازگاري بيوشيميايي بين محلول فيزيولوژيكي و ايمپلنت هاي فلزي، اصولاً به وسيله واكنش هاي الكتروشيميايي بين آنها مشخص مي‌شود. كاربردهاي پزشكي و مهندسي آلياژهاي نيكل- تيتانيم، در طيف وسيعي از بررسيها روي خواص الكتروشيميايي و فساد تدريجي آنها با در نظر گرفتن محلولهاي خوردنده مختلف مانند H₂SO₄,K₂SO₄ZnCI₂ محلول هاي آبي، آب رودخانه و دريا، شبيه سازي شده‌است. آلياژهاي NiTi با Mo، خاصيت غير فعال بودن بالايي را در محلولهاي آبي NaCl و HCI نشان مي‌دهند آلياژهاي NiTi  با Al, Mn, Fe ,Cu باعث افت ناچيزي در مقاومت خوردگي مي‌شوند رفتار الكتروشيميايي آلياژهاي پايه NiTi، به ميزان خلوص اجزاي آلياژي و فرآيند ذوب و قالب گيري بستگي دارد.

محققين خواص خوردگي و الكتروشيميايي تيتانيم خالص و آلياژ NiTi 50% اتمي را در محلول آبي 1%HCl و محلول آبي 5/1% NaCl بررسي كرده‌اند به ويژه مشخص شد كه عمليات مقدماتي سطحي روي آلياژ Ni-Ti در الكتروليت NaCl گرم (100) منجر به افزايش ضخامت  فيلم اكسيد تيتانيم از  01/0 به 3-1 مي‌گردد. اين فيلم به طوري موثر مراكز انحلال آند روي سطح نمونه را مسدود مي‌كند. بنابر اين باعث كاهش فعاليت انحلال عناصر NiTi از آلياژ مي‌شود.

جايگاه نيكل – تيتانيم متخلخل به عنوان ماده‌اي در مهندسي استخوان

بسياري از محققين نيتينول را به عنوان آلياژي حافظه دار و سوپر الاستيك، با توجه به مزيتهايي ويژه به عنوان ايمپلنت در كنار بافتهاي موجود زنده بطور كامل مورد بررسي قرار داده‌اند. همچنين آلياژ نيكل – تيتانيم متخلخل حافظه دار (با درصد اتمي برابر از نيكل و تيتانيم) اخيراً براي بكارگيري به عنوان جايگزين استخوان جمجمه مورد بررسي قرار گرفته است در روسيه، چين و آلمان اين آلياژ به مدت تقريباً يك دهه براي جراحي آرواره و فك و موارد ارتوپدي ديگر، در رابطه با هزاران بيمار، بصورت كلينيكي بكار گرفته شده‌است نيتينول متخلخل را مي‌توان به روشهاي گوناگون توليد كرد كه شامل تف جوشي نيكل – تيتانيم گداخته و توليد احتراقي انتشاري در دماي بالا (SHS: Self – propagation – high – temperature – synthesis) مي‌باشد از اينگونه روشها براي كنترل ميزان يا درصد تخلخل، اندازه حفره ها و همچنين نحوه ارتباط حفره ها (باز يا بسته بودن) به منظور مشابه سازي استخوان طبيعي استفاده مي‌شود. خاصيت فوق الاستيسيته و استحكام بالاي نيتينول، انتخاب و كاربرد آن را براي ايمپلنتهاي ارتوپدي معرفي نموده، به جراح كمك مي‌كند تا بدون آسيب رساندن اضافي به اطراف ايمپلنت در استخوان مورد نظر و حتي خود ايمپلنت آن را در محل صدمه ديده جاسازي نمايد. همچنين خاصيت حافظه داري اين آلياژ سوپر الاستيك، امكان شكل گيري طبيعي آن را با توجه به شكل و ابعاد مواضع صدمه ديده طي فرايند جذب دوره اي فراهم مي‌كند. علاوه بر آن استحكام مكانيكي بالاي اين آلياژ (در حالت باز پخت شده (865 mPA آن را در برابر تنشهاي وارده (كه مثلاً در طي جويدن در استخوان آرواره ايجاد مي‌شود ) مقاوم مي نمايد.

عموماً فلزات و سراميكهايي كه در موارد ارتوپدي مورد استفاده قرار مي‌گيرند داراي مدول الاستيسيته اي در حدود 100 تا 400 گيگا پاسكال مي‌باشند. اين كميت با مدول استخوان تطابق ندارد چرا كه مدول الاستيسيته استخوان از اين مقدار كمتر است (Gpa 20 براي استخوان غشائي با حدود دو سوم ماده معدني در صد ماده خشك ). مدول الاستيك NiTi مارتنزيتي در حدود 28 تا 41 گيگا پاسكال است ) كه تقريباً به مدول الاستيك استخوان نزديك است ) و مدول ظاهري نيكل تيتانيم با %50 تخلخل تقريباً 14 الي 20 گيگا پاسكال، يعني كمتر از مدول استخوان است.

مقايسه نيكل تيتانيم با ديگر مواد بيولوژيكي

ملاحظات مكانيكي

يكي از روابط مقدماتي مهندسي استخوان كه از قانون و لف منتج مي‌شود (Wolf_s low) به اين معني است كه استخوان بايد در صورت عدم بارگذاري به جذب ادامه دهد. هنگامي كه يك ايمپلنت با مدول الاستيسيته بالاتر از استخوان مورد استفاده قرار مي‌گيرد، رفتار مكانيكي باعث جذب محيط اطراف نسبت به استخوان شده (تنش جداره‌اي) و پايداري ايمپلنت را سبب مي‌گردد. شايد درست نباشد كه به مدول الاستيك نيكل تيتانيم جامد مقدار مشخصي را نسبت دهيم چرا كه در اين مورد مدول الاستيك بصورت غير خطي به دما وابسته است. به عنوان مثال مدول الاستيك مارتنزيت از معادله كلازيوس كلاپيرون بدست مي‌آيد:

        

 كه در آن  تنش اعمال شده، M_s دماي استحاله مارتنزيت،  كرنش در راستاي اعمال تنش،  گرماي نهان استحاله و T درجه حرارت محيط مي‌باشد. بنابراين گروهي از منحني هاي تنش – كرنش كه به دما بستگي دارند براي هر نمونه وجود خواهند داشت. در صورتيكه تخلخل تعيين كننده مدول سازه‌اي ايمپلنت باشد پيچيدگي باز هم بيشتر خواهد شد.

ملاحظات شكل گيري

فلزاتي مانند Ti₆Al₄V و CoCr معمولاً بصورت متخلخل توليد نمي‌شوند، ولي سطح اين مواد مي‌تواند با استفاده از روكش سطحي با پودرهاي فلزي، طي فرايند اسپري پلاسمايي پودر فلز و يا سراميك روي سطح قطعه، يا طي فرايند تف جوشي دوگانه دانه هاي فلزي به لايه هاي زيرين فلز حرارت داده شده متخلخل شوند در اينصورت ابعاد حفره ها بين  300-150 خواهذد بود كه بيانگر تخلخلي بين بيست تا چهل درصد مي‌باشد. در حاليكه روكش متخلخل تطبيق استخوان را بهتر مي‌كند، از آنجائيكه پيوند بين استخوان با روكش متخلخل بهتر از پيوند پوشش و سطح قطعه است، ممكن است بين روكش ايمپلنت و لايه زيرين در سطح مشترك آنها فاصله ايجاد شود.

ماشينكاري

ملاحظات ماشينكاري به هنگام مقايسه اين مواد بايد در نظر گرفته شود چرا كه براي جايگيري درست ايمپلنت در فضاي آسيب ديده استخوان بايد عمليات ماشينكاري روي آن انجام گيرد. از اين نظر سراميكها بسيار شكننده بوده و ماشينكاري آنها مشكل است و اين مطلب قابليت شكل پذيري آنها را كاهش مي‌دهد. همچنين براي فلزات متخلخلي كه بوسيله تف جوشي يا پاشش  پودرهاي فلزي با پلاسما و يا پيوند نفوذي فيبرها به فلز زمينه ساخته مي‌شوند با توجه به متخلخلتر بودن لايه سطحي نسبت به لايه هاي زيرين آنها امكان شكستگي و يا صدمه ديدن پوشش هنگام ماشينكاري زياد است.

آلياژهاي حافظه دار نيكل – تيتانيم – موليبدن، كاربردهاي پزشكي

در آلياژهاي حافظه دار با درصد اتمي تقريباً يكسان نيكل – تيتانيم استحاله B₂ با ساختار كريستالي مكعبي (فاز مادر) به فاز B19 كج وجهي (منو كلينيك ) كه مارتنزيت نام دارد كاملاً شناخته شده‌است. در اين استحاله ازدياد طول و هيسترزيس بسيار زياد است . از دياد طول حدود 7% و هيسترزيس حدود K 50 مي‌باشد. برخلاف استحاله ، ازدياد طول و هيسترزيس كه در استحاله  لوز وجهي (رومبو هدرال) اتفاق مي‌افتد، براساس گزارشات كم بوده است. ازدياد طول 8/0 درصد و هيسترزيس K 2 گزارش شده‌است انجام استحاله  در آلياژهاي مختلف توسط فرايندهاي زير امكان پذير است:

1.   سيكل گرمايي در آلياژهاي با درصد اتمي تقريباً مساوي نيكل – تيتانيم

2.   باز پخت آلياژهاي نيكل – تيتانيم غني از نيكل

3.   عمليات ترمومكانيكي آلياژهاي با درصد اتمي تقريباً مساوي نيكل – تيتانيم

4.   افزودن آلومينيم، آهن و موليبدن به آلياژهاي با درصد اتمي تقريباً مساوي نيكل – تيتانيم

استحاله  ارزش فراواني براي كاربردهاي پزشكي آلياژهاي حافظه دار نيكل – تيتانيم دارد زيرا هيسترزيس استحاله بسيار كم بوده و دماي استحاله پايدار است. هيسترزيس كم استحاله به معني پاسخ سريع به تغييرات محيطي مي‌باشد كه براي كاربردهاي پزشكي مهم است. در بسياري از ايمپلنت هاي آلياژهاي حافظه دار، لازم است بازيافت شكل در دمايي، نزديك به دماي بدن اتفاق بيفتد، بنابراين ضروري است دماي پايان استحاله معكوس (A_f) براي ايمپلنت هاي حافظه دار، نزديك به دماي بدن باشد.

همانطور كه قبلاً توضيح داده شد روشهاي زيادي براي عملي ساختن استحاله  در آلياژهاي پايه نيكل – تيتانيم وجود دارد. در بين آنها به نظر مي‌رسد اضافه نمودن موليبدن و به عبارت ديگر آلياژهاي نيكل – تيتانيم – موليبدن به دليل مقاومت خوردگي عالي براي كاربردهاي پزشكي جذابتر باشند.

در اين بخش رفتار استحاله فاز، مشخصات تغيير شكل و مشخصات حافظه شكلي آلياژهاي نيكل- تيتانيم – موليبدن مورد بحث قرار خواهند گرفت .

مشخصات تغيير شكل آلياژهاي نيكل – تيتانيم – موليبدن

نمونه اي از منحني هاي تنش – كرنش در دماي K298 براي آلياژهاي دو تايي نيكل – تيتانيم و آلياژ سه تايي نيكل – تيتانيم موليبدن در شكل زير نشان داده شده است. تمام قطعات در حالت سرد تا ميزان 25% كشيده شده‌اند و سپس در دماي K 823 براي مدت يك ساعت پاز پخت شده اند. در دماي 25 درجه سانتيگراد، آلياژ دوتايي نيكل – تيتانيم قبل از اينكه بارگذاري انجام شود به فاز مارتنزيت B₁₉ استحاله مي‌يابد، بنابر اين صاف بودن منحني تنش بر حسب كرنش به نحوه آرايش متغيرهاي فاز ماتنزيتي B₁₉ بستگي دارد. در آلياژ با 5/0 درصد موليبدن، قبل از بارگذاري تنها فاز R وجود دارد و بنابراين پله موجود در منحني به استحاله R-B₁₉ حاصله از تنش مربوط مي‌شود. در آلياژ 7/0 درصد اتمي موليبدن، فاز مادر B2 و فاز R به طور همزمان قبل از بارگذاري وجود دارند، و لذا پله موجود به استحاله‌هاي  و R-B₁₉ حاصل از تنش مربوط مي‌شود. همانطور كه در شكل ديده مي‌شود تنش  كه به پله منحني تنش – كرنش در آلياژ نيكل – تيتانيم – موليبدن بستگي دارد، كمتر از مقدار تنش براي آلياژ دوتائي نيكل – تيتانيم است. اين يك واقعيت كاملاً شناخته شده‌است، كه تنش لازم براي آرايش مجدد متغيرهاي مارتنزيت بسيار پايين‌تر از تنش لازم براي ايجاد استحاله مارتنزيتي است. همانطور كه قبلاً توضيح داده شد پله  در منحني تنش – كرنش آلياژ  نيكل – تيتانيم- موليبدن تنش لازم براي ايجاد (القاي) استحاله مارتنزيتي B₁₉ است، در حاليكه  در منحني تنش – كرنش نيكل – تيتانيم تنش لازم براي آرايش مجدد متغيرهاي مارتنزيتي است. اين بدان معني است كه آلياژهاي نيكل – تيتانيم- موليبدن بسيار آسانتر از آلياژهاي دوتائي نيكل – تيتانيم تغيير شكل مي‌يابند.

در هنگام اعمال تنش بالاتر از تنش مربوط به تنش پله اي، فاز مارتنزيت B₁₉ حرارتي يا / حاصل از تنش، بطرو الاستيك تغيير شكل مي‌يابد و سپس تغيير شكل ماكروسكپي پلاستيك در تنش  شروع  مي‌شود. هنگامي كه كشش سيم شروع مي‌شود، مقدار زيادي تغيير شكل پلاستيك به صورت لغزش اتفاق مي‌افتد. در رابطه با كشش سه آلياژ ذكر شده در بالا در دماي اتاق،(كشش سرد) تغيير شكل لغزشي توسط تغيير شكل پلاستيك فاز مارتنزيت B₁₉ اتفاق مي‌افتد. هنگام آزمايش منحني هاي تنش – كرنش در شكل 9-5 معلوم شده كه تنش  در آلياژهاي نيكل – تيتانيم – موليبدن كمتر از تنش  براي آلياژهاي دو تايي نيكل – تيتانيم است با توجه به اين نتايج انتظار مي‌رود كه تنش  لازم براي كشش سيم آلياژهاي نيكل – تيتانيم- موليبدن كمتر از تنش لازم براي آلياژهاي دوگانه نيكل – تيتانيم باشد. شكل 9-6 تنش  را براي آلياژهاي نيكل – تيتانيم و نيكل – تيتانيم – موليبدن نشان مي‌دهد. واضح است كه  براي آلياژهاي نيكل – تيتانيم نسبت به آلياژ نيكل – تيتانيم – موليبدن بزرگتر است. بنابراين به طور خلاصه مي‌توان نتيجه گرفت قابليت كارپذيري آلياژهاي نيكل – تيتانيم با افزودن موليبدن بهتر مي‌شود. با اعمال باركششي بر قطعه، همانطور كه در شكل 9-5 مشاهده مي‌شود صرفنظر از تركيب شيميايي، آلياژها مي‌توانند تا 30 % افزايش طول پيدا كنند.

آلياژهاي نيكل – تيتانيم – موليبدن، به دليل هيسترزيس گرمايي كم، بستگي كم دماي استحاله به شرايط كشيدن سيم، مقاومت خوردگي بالا، قابليت بالاي كارپذيري و مشخصه حافظه شكلي در كاربردهاي پزشكي جاذبه زيادي دارند. براي كاربردهاي پزشكي آلياژهاي حافظه دار نيكل – تيتانيم – موليبدن مانند گيره ها، بست‌ها و استنت ها، به صورت سيم توليد مي‌شوند. به منظور بدست آوردن شرايط بهينه كشيدن سيم، ضروري است در رابطه با آلياژهاي حافظه دار نيكل – تيتانيم – موليبدن، قابليت كشش و حافظه شكلي به طور همزمان مورد توجه قرار گيرند. دماي بهينه بازپخت K823 بدست آمده است در بالاتر از اين دما لايه‌اي اكسيدي تشكيل مي‌شود كه براي خواص حافظه شكلي و شبه الاستيسيته مضر مي‌باشد و اثر آن بعد از كار سرد نيز باقي خواهد ماند، اين در حالي است كه قابليت كشش پذيري آلياژهاي نيكل – تيتانيم – موليبدن با افزايش دماي بازپخت  افزايش مي‌يابد.

ابزار و ايمپلنت هاي پزشكي

مقدمه:

امروزه نيتينول فوق الاستيك يكي از مواد مهندسي معمول و شناخته شده در صنايع پزشكي است. در حاليكه قابليت انعطاف بالاي آن موجب كاربرد وسيع آن گشته است، بسياري از مزاياي اين آلياژ براي ابزار آلات پزشكي كمتر شناخته شده است. دراين فصل هفت دليل كمتر بديهي ولي بسيار مهم موفقيت نيتينول بحث خواهد شد. علاوه بر اين چندين كاربرد جديد دلايل توسعه سريع و  درخواست تكنولوژي استنت ها را توصيف مي‌كند، به ويژه اينكه استنت ها به دليل دارا بودن خاصيت هيسترزيس ترموالاستيك نيتينول داراي جذابيت خاصي مي‌باشند.

آلياژهاي نيكل – تيتانيم به سرعت در حال تبديل به موادي براي انتخاب در استنت‌هاي انبساط، سيستم هاي حمايت از گرافيت، فيلترها، سبدها و ساير ابزارهاي مختلف براي  جراحي هاي نيمه تهاجمي و محصولات اندوسكوپي مي‌باشند. بسياري از شركت هاي توليد كننده ابزارهاي پزشكي در حال حاضر پيشنهاد مي كنند از خواص منحصر به فرد ويژه اين مواد در پزشكي استفاده گردد.

آلياژهاي نيتينول معمولاً به دليل فوق‌الاستيسيته و اثر حافظه شكلي آنها، تحت تاثير گرما شناخته شدند. واژه «حافظه شكلي» براي توصيف پديده برگشتن به حالت شكلي از قبل برنامه ريزي شده در اثر حرارت بعد از اعمال تغيير شكل پلاستيك بكار مي‌رود.

فوق الاستيسيته اين مواد بيشتر از ده برابر الاستيسيته بهترين فولاد ضد زنگ مورد استفاده در صنايع پزشكي امروز مي‌باشد اگر چه هر دو پديده فوق جالب و تماشايي مي‌باشند ولي اين بدان معني نيست كه اين دو خاصيت تنها خواص مهم اين مواد هستند. در اين بخش بعضي از خواص مهم ابزار، كه براي اغلب طراحان ابزار ناشناخته است، بحث خواهد شد كه هر كدام از آنها نشان دهنده خصوصيات منحصر به فرد نيتينول  است. خواص زير باعث مي‌وشد كه راه حل هاي برتري براي ابزار پزشكي بدست آيد.

·              الاستيسيته بالا (جايگذاري الاستيك)

·              خاصيت حرارتي برتر (جايگذاري حرارتي)

·              دوام زياد (مقاومت به تاب و گره)

·              تنش ثابت

·              ممانعت ديناميكي

·              هميسترزيس تنش

·              تنش وابسته به دما

استفاده از الاستيسيته (جايگذاري الاستيك)

الاستيسيته بالاي نيتينول به ابزار اجازه مي دهد در طول كتتر و يا ساير ابزارهاي مربوط به شكلهاي با پروفيل كوچك به داخل بدن برده شوند. قطعات مذكور مي‌توانند در داخل بدن از ابزار حمل كننده خود آزاد و باز شده، به شكل‌هاي بسيار بزرگتري تبديل شوند. احتمالاً اولين محصول اين چنيني كه وارد بازار شده ابزار هومر – مالوك بوده، كه راديولوژيست ها آن را براي رديابي محل غده سرطاني پستان بكار برده‌اند. اين وسيله شامل سيم قلاب نيتينولي و لوله سوزني شكل فولادي است سيم قلاب به درون سوزن رانده مي‌شود و خود سوزن نيز به داخل سينه رانده شده و تا جايي جلو مي‌رود كه نوك آن در محل مجاور تومور قرار گيرد. بكارگيري مفهوم الاستيسته توسط يك ابزار خميده كه به يك سوزن مستقيم يا لوله متصل شده است، شايد معمولترين استفاده نيتينول در ابزارهاي پزشكي باشد. ابزارهاي جديدتر راهنماهاي نوك تيز قابل انعطاف به شكل سوزن سوراخدار مي‌باشند ابزار قطع عضو بافتها به همراه فركانس راديويي نيز به همين ترتيب مي‌باشد . ساير ابزارها نظير عبور دهنده بخيه، منقبض كننده ها ، چنگك ها و برنده هاي منعطف از اوايل 1990 در جراحي هاي اندوسكوپي بكار رفته اند.

بديهي است كه ساير ابزارهاي پيچيده نيز مي‌توانند از فوق الاستيسيته استفاده كنند. مثالهاي جالب براي اين مورد، ابزارهاي انسداد شريان به منظور ترميم عيوب ديواره ها يا مجاري قلب مي‌باشد.

استفاده حرارتي (جايگذاري حرارتي)

اغلب ايمپلنتهاي خود انبساط مانند استنت ها و فيلترها از خاصيت حافظه شكلي – حرارتي نيتينول استفاده مي‌كنند. يك ابزار با دماي اسحاله (Af) برابر  ، در دماي اتاق يا دماي پايين تر فشرده مي‌شود. اين ابزار تا زماني كه دما به بالاتر از  نرسد به همان حالت فشرد، باقي خواهد ماند. در صورت رسيدن به دماي بالاتر ابزار منبسط و به شكل كنوني خود باز خواهند گشت. ولي اگر اين ابزار در طي ورود به بدن به صورت سرد نگهداري شود، تا زماني كه ابزار به محل مورد نظر در بدن نرسيده باشند مي‌توانند به صورت فشرده باقي بمانند و سپس با جريان سرد كنند، توسط دماي بدن گرم شده و منبسط گردند. البته انجام اين  عمل قدري مشكل است. لذا تمام ابزارهاي خود انبساط در يك سيستم معين بارور شده و نگهداري مي‌شوند تا از فعال شدن بي موقع آنها جلوگيري شود.

مقاومت به تاب و گره

قسمتي از خواص اين طرح كه از فوق الاستيسته بالاي نيتينول حاصل مي‌شود در ارتباط با شكل خاص منحني تنش – كرنش است. هنگامي كه كرنش بطور موضعي در زير كرنش حد افزايش يابد، تنش ها بطور مشخصي افزايش پيدا مي‌كنند. اين امر باعث مي‌وشد كه كرنش ها به جاي اينكه به حد ماكزيم برسند، در قسمتهاي كم كرنش تقسيم شوند. در نتيجه در اثر كرنش يكنواخت، از كرنش محلي يا تاب خوردن كه در مواد مرسوم وجود دارد جلوگيري مي‌شود. اولين كاربرد براي اين خاصيت سيمهاي راهنما بودند كه بايد در طول مسيرهاي پرپيچ و خم بدون تاب خوردن عبور مي‌كردند.

قابليت رانده شدن، هدايت شدن، تحمل گشتاور و به عبارت ديگر قابليت انتقال پيچش از يك انتهاي سيم راهنما به انتهاي ديگر بدون گره خوردن، مستقيماً به وسيله صافي سيم و خواص سيم تحت تاثير قرار مي‌گيرند. حتي تغيير شكلهاي دائمي بسيار كوچك باعث خواهند شد كه سيم صدمه ديده و قابليت جلو رانده شدن آن در داخل مجاري پرييچ و خم كاهش يابد. مقاومت به تاب خوردن در سيمهاي نيتينولي نقش بسيار حياتي در راديولوژي و كار ديولوژي مداخله‌اي ايفا مي‌كند. يكي ديگر از كاربردهاي جديد اين خاصيت در سبدهاي بازيابي (برگشتي )با شفت هاي نيتينولي مقاوم در برابر تاب، قابل رقابت با سبدهاي استفاده شده در قسمتهاي اصلاح پذير، مانند مجاري، صفرا، مثانه كليه و ... مي‌باشد. استفاده از نيتينول اجازه مي‌دهد كه ابعاد ابزار در مقايسه با ساير لوله‌هاي پليمري كاهش پيدا كند و قابليت انعطاف و مقاومت در برابر تاب و گره در مقايسه با طرحهاي فولادي (فولاد ضد زنگ) افزايش يابد.

تاب خوردن ديواره نازك فولاد به هنگام استفاده در بسياري از ابزارهاي مداخله‌اي مشكلاتي را ايجاد مي‌كند. مثلاً فورسپس هاي بافت برداري ساختهش ده از فولاد زنگ نزن ابزارهاي بسيار ظريفي هستند كه در صورت كمترين استفاده نابجا خراب مي‌شوند. ولي ابزارهاي نيتينولي مي‌توانند به طور جدي خمش را بدون كمانش، تاب و يا تغيير شكل دائمي تحمل كنند.

مقاومت در برابر تاب خوردن، و قابليت بازيافت له شدگي خواص بسيار مهمي براي استنت هاي نيتينولي هستند كه اجازه مي‌دهند اين استنت ها در مجاري سطحي استفاده شده وبه وسيله نيروهاي خارجي تغيير شكل يابند. شريان كاروتيد يكي از نمونه ها مي‌باشد. به هنگام استفاده از استنت هاي بالوني قابل اتساع، اين خطر قابل ملاحظه وجود دارد كه استنت ها در اثر نيروهاي خارجي به صورت  دائم تغيير شكل يابند و اين امر منجر به انسداد موضعي ياكلي مجرا خواهد شد. اين اتفاق در صورتي بروز مي‌نمايد كه تنش اعمال شده از تنش حد بالاتر رود.

اگر چه استنت هاي نيتينولي نوعاً مقاومت فولاد را در برابر كمانش دارا نيستند، لكن اين مزيت را دارند كه اصولاً نمي‌توانند به طور دائم توسط نيروهاي خارجي تغيير شكل يابند. يعني استنت هاي نيتينولي مي‌توانند به طور كامل فشرده و حتي له شوند و هنگامي كه بار خارجي برداشته مي‌شود به حالت اوليه خود باز گردند.

تنش ثابت

يكي ديگر از خصوصيات برجسته نيتينول اين است كه منحني‌هاي بارگذاري و باربرداري آنها در گستره وسيعي از كرنش صاف مي‌باشد. همين امر طراحي ابزارهايي را كه در بازه وسيعي از تغيير شكل تنش ثابتي را اعمال كنند، امكان پذير مي‌سازد. سيم‌هاي خميده ارتدونسي اولين محصولاتي بودند كه از اين خاصيت (تنش ثابت در باربري) تبعيت مي‌نمودند.

سيم‌هاي فولاد زنگ نزدن و ساير سيم‌هاي مرسوم مرتباً توسط دندانپزشك محكم مي‌شوند هنگامي كه فشار در طي زمان ادامه پيدا مي‌كند دندانها حركت مي‌كنند و نيروي اعمال شده توسط فولاد زنگ نزن با توجه به قانون هوك به سرعت از بين مي‌رود. اين كار انجام عمل تغيير شكل و در نتيجه حركت دندانها را كند مي‌كند. ولي سيمهاي نيتينولي قادرند به همراه دندان حركت كنند و نيروي ثابتي را در گستره وسيعي از زمان به منظور تصحيح مكان دندان اعمال نمايند.

تنش ثابت در طي بارگذاري بيش از حد در چنگك ها و فور سپس هاي بدون لولا كه از جنس نيتينول ساخته شده اند، بدست مي‌آيد. ابزارهاي بدون لولا از يك فنر الاستيك به جاي اتصالات لولايي استفاده مي‌كنند تا فكهاي انبركها و يا تيغه هاي جراحي را باز و بسته نمايند. امروزه نسل جديدي از ابزارهاي بدون لولا به وجود آمده است كه نيتينول فوق ‌الاستيك را براي تحريك يك سيستم (به منظور باز و بسته شدن در يك فاصله معين) در اعضاي لوله‌اي شكل بدن بكار مي‌برند در بسياري از موارد نوك عمل كننده مي‌تواند به جاي اينكه چند قطعه ماشينكاري شده دقيق از مواد معمولي باشد، يك قطعه يكپارچه از جنس نيتينول فوق الاستيك باشد. اين امر باعث مي‌وشد كه قطعات از پروفيل هاي ساده طراحي شوند. علاوه بر اين ، تنش ثابت نيتينول ، نيروي بازگرداننده ثابتي را در هنگام گرفتن قطعات بزرگ و كوچك تامين مي‌كند و از ايجاد بار بيش از حد جلوگيري نموده و سبب كاهش خطر نابودي بافت مي‌گردد.

ممانعت ديناميك (پويا)

ممانعت ديناميكي به طبيعت بازه گسترده تنشهاي قابل تحمل توسط نيتينول بر مي‌گردد و براي مثال مي‌توان آن را با بكار بردن يك استنت  خود متسع شونده آشكار نمود. برخلاف استنت هاي فولاد ضد زنگ متسع شونده توسط بالون، استنت خود متسع شونده نيتينولي همواره بدون نياز به دوباره پيچاندن، به شعاع از قبل تعيين شده خود برمي‌گردند. از طرف ديگر استنت‌هاي قابل اتساع بالوني، بايد بيش از حد انبساط يابند تا در نتيجه  بازگشت خيز، به صورت الاستيك، قطر مورد نظر بدست آيد.

اين بازگشت فنري، يك پيچش سريع بوده و يك پديده ناخوشايند است. انبساط بيش از حد ممكن است مجرا را تخريب نموده و باعث انسداد مجدد شود. علاوه بر اين اگر قطر مجرا با گذشت زمان بازيافت (ريلكس) شده و يا دچار تشنج موضعي شود استنت هاي فولادي ديواره مجرا را دنبال نخواهند كرد. در اين حالت تنش تماسي كاهش يافته و ممكن است استنت موجب  انعقاد و لخته شدن خون گردد. ولي استنت هاي نيتينولي بعد از بكارگيري به فشار خود بر ديواره‌ها به سمت بيرون ادامه خواهند داد و حركات ديواره را دنبال نموده و از آن پيروي مي‌كنند. نوعاً قطر از پيش تعيين شده استنت نيتينولي mm 2-1 بزرگتر از قطر مورد نظر مجرا است. از آنجا كه ابعاد مجرا در راستاي قطر افزايش مي‌يابد، قطر استنت نيتينولي تا جايي افزايش مي‌يابد كه به اندازه نهايي از پيش تعيين شده خود برسد.

منحني بازگشت پذير(هيسترزيس تنش)

يكي از خواص ويژه آلياژهاي نيتينول هيسترزيس تنش در آنهاست در حاليكه در اغلب مواد مهندسي تنش به همراه كرنش در طول بارگذاري به صورت خطي افزايش يافته و در باربرداري در همان راستا كاهش مي‌يابد، نيتينول مشخصاً رفتار متفاوتي دارد. بدين صورت كه در طي بارگذاري، ابتدا تا كرنش 1%، تنش به طور خطي افزايش مي‌يابد، بعد از اولين نقطه تسليم، چند نقطه كرنشي مي‌تواند توسط افزايش بسيار كم در تنش به وجود آيد. انتهاي قسمت صاف منحني (در منحني بارگذاري) در كرنش حدود 8% نمايان مي‌شود. بعد از آن يك بار ديگر تنش به صورت خطي افزايش مي‌يابد.

شروع باربرداري از انتهاي منحني بارگذاري باعث مي‌شود كه تنش به طور سريع كاهش پيدا كند، تا جايي كه يك قسمت صاف( قسمت صاف در باربرداري) حاصل شود. در اين منطقه كرنش به همراه تغييرات بسيار اندك در تنش باز يافت مي‌شود. در بخش انتهايي منحني باربرداري، تغيير شكل نهايي به صورت يك قسمت خطي بازيافت مي‌شود.  تنش بازيابي در اين منطقه (باربرداري) مي‌تواند كم (در حد 25% تنش بارگذاري ) باشد. مسلماً مزاياي هيسترزيس تنش مي‌تواند در ابزارهاي پزشكي مختلف مورد استفاده قرار گيرد. 

سفتي وابسته به دما

منحني هاي تنش در دماي بالاتر از استحاله آلياژ وابستگي شديدي به دما دارند. در نتيجه ابزار فوق الاستيك با افزايش دما سفت تر مي‌شوند. سفتي ابزار فوق‌الاستيك براي يك دماي مشخص مانند دماي بدن مي‌تواند با استفاده از عمليات حرارتي و تغيير دماي استحاله تا حدودي بهبود يابد.

تحليل حرارتي

معمولاً محرك هاي آلياژ حافظه دار، در ماشينهاي حرارتي و وسايل وابسته به توان خروجي كه حرارت از دست رفته را مي‌سنجد بكار مي‌روند. علاوه بر اين دركاربردهاي پزشكي در داخل بافت ممكن است حرارت به ساختار بافت صدمه بزند. لذا هر دو مورد به تحليل حرارتي دقيقي نياز دارند تا از آنها طرحهاي موثر و ايمن بدست آيد.

اصولاً وسايل و ابزار پزشكي از دماي بدن براي بازگشت به حالت اوليه خود استفاده مي‌كنند. لازم به ذكر است كه در اغلب موارد اختلاف دماي بدن و دماي محيط كم است و ممكن است قطعه قبل از اين كه در بدن ايمپلنت شود، در آن پديده بازيافت اتفاق افتد. يكي از راه حلهاي اين مشكل اينست كه از آلياژ با دماي بازيابي بالاتر استفاده شود و پس از جايگذاري به منظور انبساط قطعه با محلو گرم نمكي شسته شود. به هر حال ممكن است بافت حتي در دماي پايين مانند  دچار تخريب گردد. لذا محدوده تغييرات دما كم خواهد بود. يك راه حل بهتر براي ابزارهاي كوچك اين است قطعه با استفاده از جريان متناوب (پالسي ) گرم شود تا اتلاف حرارت به سمت بيرون ايمپلنت، يعني بافت كم شود.

تحليل به روش المان محدود

روش تحليل اجزاي محدود (المانهاي محدود) (FEA) مي‌تواند براي طراحي اجزاي آلياژهاي حافظه دار به كار رود تا اطمينان حاصل شود كه كرنش از حد قابل بازيافت بالاتر نمي‌رود. هنگام طراحي براي بازيابي شكل بوسيله گرما، بهتر است از روش المانهاي محدود به منظور بهينه كردن طرح براي استفاده كامل از كرنشهاي قابل برگشت استفاده شود. رفتار آلياژ حافظه دار به شدت غير خطي است و تغيير شكلهاي آن اغلب بزرگ هستند. به همين دليل لازم است كه از روش خاص المان محدود استفاده شود. روش المان محدود كه دردانشگاه داندي (Dundee) طراحي شده است به نحوي است كه با برنامه المان محدود تجاري (ANSYS) سازگار است. خواص الاستيك غير خطي مورد نظر حاصل از اعدادي است كه با آزمايش تنش – كرنش بدست مي‌آيند.

در اين روش، مدل سه بعدي طرح بوسيله المانهاي بلوكي (هگزاهدرال) ساخته مي‌شود (المان نوع SOL ID 95 در نرم افزار (ANSYS تا قابليتهاي كرنش و تغيير شكل بالا را داشته باشند. رابطه غير خطي تنش – كرنش با انتخاب يك مدل الاستيك كه در چند قسمت خطي است مدلسازي مي‌شود. در واقع يك تابع غير خطي با چند تابع كه در بازه هاي كوچكتر خطي هستند مدل مي‌شود. مقادير مربوطه تنش – كرنش نمونه آلياژ حافظه دار از تست كشش، هم در حالت بارگذاري و هم در حالت باربرداري بدست مي‌آيند.

با استفاده از اين روش دمايي كه در هنگام توليد ايجاد مي‌شود، دماي تغيير شكل اوليه و دماي بازيافت شكل تحليل مي‌شوند، با انجام محاسبات براي بارگذاري و باربرداري از قطعه و استفاده از داده هاي كافي تنش – كرنش براي هر قسمت، با سازگاري رفتار هيسترزيس مواد اثبات مي‌شود.

نتيجه گيري

آلياژ هاي حافظه دار نيكل تيتانيم به دليل خصوصيات ويژه، امكانات بي نظيري براي ساخت ابزارها و ايمپلنتهاي مورد مصرف در جراحي كم تهاجم مانند آندوسكوپي و راديولوژي داخلي فراهم نموده‌اند. استفاده هاي آينده در جهت توسعه تحقيقات متالورژي مانند مواد متخلخل (تف جوشي شده ) و طراحي آلياژهاي حافظه دار با دماي استحاله قابل تطابق و قبول براي كاربردهاي انساني مي‌باشد استفاده از توان آلياژهاي حافظه دار در سيستمهاي پيچيده و فعال كننده هاي كنترل از راه دور شروع به گسترش نموده‌است.

فهرست مطالب

 

خلاصه متن1

تقسم بندي مواد جامد4

مقدمه:4

1- مواد فلزي5

2- مواد غير فلزي معدني (سراميكي)5

3- مواد پليمري (مواد مصنوعي)6

4- مواد مختلط يا كامپوزيتها6

خواص مكانيكي مواد8

تغيير شكل الاستيكي9

مدول الاستيكي9

عوامل موثر بر روي مدول الاستيكي10

جهات كريستالي10

درجه حرارت10

عناصر آلياژي11

مدول برشي11

ضريب پواسان11

تغيير شكل پلاستيكي مواد11

نيكل (Ni)12

تيتانيم (Ti)12

آلياژهاي تيتانيم13

خصوصيات كلي استحاله مارتنزيتي16

سينماتيك استحاله مارتنزيتي18

روشهاي بررسي آلياژهاي حافظه دار18

انواع آلياژهاي حافظه دار و خواص مربوط به آنها19

خواص ترمومكانيكي20

فوق ترموالاستيسيته در آلياژهاي حافظه دار22

ظرفيت استهلاك23

تضعيف خواص حافظه داري شكل23

مقاومت به خستگي در آلياژهاي حافظه دار23

محاسبه سازه ها در آلياژهاي حافظه دار24

توليد و پردازش نيتينول26

عمليات ترمومكانيكي و خواص مربوط به آن28

تعريف عبارات29

اندازه گيري خواص عملكردي وابسته30

مقاومت خوردگي و سازگاري زيستي نيكل – تيتانيم روئين شده31

آزمايش خوردگي فعال32

رفتار خوردگي غير فعال34

تاثير لايه سطحي بر مقاومت خوردگي35

آزاد سازي نيكل و سازگاري زيستي35

قابليت بالاي استهلاك در آلياژهاي حافظه دار نيكل- تيتانيم38

عوامل ريز ساختاري اصطكاك داخلي41

اتلاف انرژي در طول بارگذاري سيكلي42

رابطه نمودارهاي تنش – كرانش با استهلاك43

خوردگي و رفتار الكتروشيميايي آلياژهاي نيكل – تيتانيم48

جايگاه نيكل – تيتانيم متخلخل به عنوان ماده‌اي در مهندسي استخوان49

مقايسه نيكل تيتانيم با ديگر مواد بيولوژيكي50

ملاحظات مكانيكي50

ملاحظات شكل گيري51

ماشينكاري51

آلياژهاي حافظه دار نيكل – تيتانيم – موليبدن، كاربردهاي پزشكي52

مشخصات تغيير شكل آلياژهاي نيكل – تيتانيم – موليبدن53

ابزار و ايمپلنت هاي پزشكي56

استفاده از الاستيسيته (جايگذاري الاستيك)57

استفاده حرارتي (جايگذاري حرارتي)58

مقاومت به تاب و گره58

منحني بازگشت پذير(هيسترزيس تنش)62

سفتي وابسته به دما63

تحليل حرارتي63

تحليل به روش المان محدود64

نتيجه گيري65