1

گاه صنعتي اروميهدانش كگروه مكاني

عنوان

درصنعت هوشمند مواد كاربرد

استاد راهنما عليرضا فكوري مهندس

پژوهش و نگارش جواد جهانگيري

1391 بستانتا

2

فهرست مطالب

شماره صفحه عنوان

مقدمه: فصل اول

9 همقدم -1-1

11 تاريخچه -1-2

تقسيم بندي مواد جامد: فصل دوم

13 تقسم بندي مواد جامد -2-1-1

13 مواد فلزي -2-1-1

14 )سراميكي(مواد غير فلزي معدني -2-1-2

14 )واد مصنوعيم(مواد پليمري -2-1-3

15 ا مواد مختلط يا كامپوزيته -2-1-4

61 مواد نيمه هادي -2-1-5

مواد هوشمند: فصل سوم

17 موادهوشمند -3-1

3

17 آلياژهاي حافظه دار -3-1-1

19 تغيير حالت متالورژيكي -3-2

19 تغييرحالت هاي متالورژيكي وپديده حافظه دارشدن -3-2-1

21 الوگرافي مارتنزيتي كريست-3-2-2

25 ميكي رفتار ترمودينا -3-3

26 خاصيت ارتجاعي كاذب -3-4

27 اثرحافظه دار يك طرفه ودوطرفه -3-5

خواص مكانيكي مواد: فصل چهارم

32 خواص مكانيكي مواد -4-1

33 تغيير شكل االستيكي -4-2

33 مدول االستيك -4-3

34 عوامل موثر بر روي مدول االستيك -4-4

34 جهات كريستالي -4-4-1

34 درجه حرارت-4-4-2

35 عناصر آلياژ -4-4-3

36 مدول برش -4-4-4

36 نوضريب پواس -5 -4-4

36 د تغيير شكل پالستيكي موا -4-5

Ni) ( 37نيكل -4-6

Ti) ( 38تيتانيم -4-7

4

39 آلياژهاي تيتانيم -4-8

41 واد محرك م -4-9

43 خصوصيات كلي استحاله مارتنزيتي -4-10

45 تنزيتيسينماتيك استحاله مار -4-11

بررسي آلياژهاي حافظه دار: فصل پنجم

48 روشهاي بررسي آلياژهاي حافظه دار -5-1

49 انواع آلياژهاي حافظه دار و خواص مربوط به آنها -5-2

50 اي حافظه دار آلياژه خواص ترمومكانيكي -5-3

52 فوق ترمواالستيسيته در آلياژهاي حافظه دار -5-4

53 لياژهاي حافظه دار در آ ظرفيت استهالك -5-5

53 حافظه دارآلياژهاي در تضعيف خواص -5-6

54 مقاومت به خستگي در آلياژهاي حافظه دار -5-7

55 محاسبه سازه ها در آلياژهاي حافظه دار -5-8

57 توليد و پردازش نيتينول -5-9

59 عمليات ترمومكانيكي و خواص مربوط به آن -5-10

61 تعريف عبارات -5-11

62 اندازه گيري خواص عملكردي وابسته - 5-12

63 م روئين شده نيتيتا –مقاومت خوردگي و سازگاري زيستي نيكل -5-13

64 آزمايش خوردگي فعال -5-14

67 رفتار خوردگي غير فعال -5-15

5

67 تاثير اليه سطحي بر مقاومت خوردگي - 5-16

68 يستيآزاد سازي نيكل و سازگاري ز -5-17

71 تيتانيم -قابليت باالي استهالك در آلياژهاي حافظه دار نيكل - 5-18

73 استهالك داخلي - 1- 5-18

74استهالك سازه اي - 2- 5-18

74 استهالك در اتصاالت لغزنده - 3- 5-18

74روديناميك و آيروديناميك استهالك هيد - 4- 5-18

75 عوامل ريز ساختاري اصطكاك داخلي - 5-19

76 بارگذاري سيكلياتالف انرژي در طول - 5-20

78 كرانش با استهالك –رابطه نمودارهاي تنش - 5-21

83 تيتانيم –يميايي آلياژهاي نيكل خوردگي و رفتار الكتروش -5-22

84 اي در مهندسي استخوان ن مادهتيتانيم متخلخل به عنوا –جايگاه نيكل -5-23

85 انيم با ديگر مواد بيولوژيكيمقايسه نيكل تيت -5-24

85 مالحظات مكانيكي - 1- 5-24

86 مالحظات شكل گيري - 2- 5-24

87 آلياژهاي حافظه دار ماشينكاري- 5-25

كاربردهاي آلياژهاي حافظه دار: فصل ششم

89 كاربردهاي آلياژهاي حافظه دار -6-1

91 موليبدن، كاربردهاي پزشكي –تيتانيم –آلياژهاي حافظه دار نيكل -6-2

93 كاربرد آلياژهاي حافظه دار درمهندسي پزشكي-6-3

6

Ni-Ti 94زشكي از آلياژپموارد استفاده -6-4

94 كاربردهاي مربوط به قلب و عروق -6-4-1

97 كاربردهاي ارتوپدي -6-4-2

100 كاربرد آلياژ هاي حافظه دار در وسايل جراحي -6-4-3

102 موليبد –تيتانيم –مشخصات تغيير شكل آلياژهاي نيكل -6-5

105 ابزار و ايمپلنت هاي پزشك -6-6

106 همقدم-6-6-1

107 )جايگذاري االستيك(استفاده از االستيسيته -6-7

108 )يگذاري حرارتيجا(استفاده حرارتي -6-8

109 مقاومت به تاب و گره-6-9

111 ش ثابتتن - 6-10

112 ) پويا(ممانعت ديناميك - 6-11

113 )هيسترزيس تنش(منحني بازگشت پذير- 6-12

114 سفتي وابسته به دما- 6-13

114 تحليل حرارتي- 6-14

116 دتحليل به روش المان محدو -6-15

117 2015اد هوشمند تا سال ساير كاربردهاي مو - 6-16

7

نتايج و پيشنهادات :فصل هفتم

120 گيري نتيجه -7-1

121 پيشنهادات -2- 7

123 منابع

: از زحمات بي دريغ استاد فراوان دانيبا تشكر و قدر

مهندس عليرضا فكوري

8

: فصل اول

مقدمه

9

مقدمه -1-1

پيشرفتهاي وسيع و سريعي كه دركليه زمينه هاي صنعتي رخ داده است، مرهون دستيابي به

مواد با كيفيت باالتر است كه در ساخت قطعات ماشين آالت و تجهيزات صنعتي به كار

توليد، با عموماً اغلب مهندسين شاغل در واحدهاي صنعتي، به ويژه طراحي و ساخت و . روند مي

آنها معموالً در انتخاب و كاربرد مواد در طراحي و ساخت و توليد . مواد مهندسي سروكار دارند

.اجزا و بررسي و تحليل شكست شركت دارند

شود بايد به موقعي كه در طراحي و ساخت قطعه اي در مورد انتخاب مواد تصميم گيري مي

حفظ و نگهداري شكل صحيح اوليه در حين روش ساخت، دقت ابعادي، : مسائل مهمي از قبيل

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

سيستم، بازيابي آسان ماده، و نگهداري آسان درهنگام كاربرد، سازگاري ماده با ديگر مواد اجزاء

10

مسائل مربوط به زيست محيطي ماده در ارتباط با ساخت و توليد، هزينه توليد و باالخره در

. مواردي وزن و نوع سطح ظاهري آن توجه شود

توان به سه به طور كلي مواد جامد مهندسي مورد نياز براي طراحي و ساخت و توليد را مي

مواد -2مواد فلزي -1: عبارت اند از ه خود تقسيم بندي كرد كهگروه اصلي با خواص مربوط ب

.مواد پليمري يا مصنوعي -3غير فلزي معدني يا سراميكي

شوند كه از اين سه گره منشعب ميعالوه بر اين سه گروه، دو گروه ديگر از مواد وجود دارند

.ه هاديها نيم -5و مختلط يا كامپوزيتها مواد -4 :كه عبارتند از گروه

نسبت به ساير باشد كه خواص متمايزي آلياژها مي عنوان گروهي از1هاي حافظه دار آلياژ

العمل شديد اين مواد نسبت به برخي پارامترهاي ترموديناميكي و مكانيكي عكس. آلياژها دارند

رفتار اي است كه و قابليت بازگشت به شكل اوليه در اثر اعمال پارامترهاي مذكور به گونه

وقتي يك آلياژ معمولي تحت بار خارجي بيش از حد مثال . نمايد موجودات زنده را تداعي مي

. ماند ياين نوع تغيير شكل بعد از حذف بار باقي م. دهد گيرد تغيير شكل مي االستيك قرار مي

ين يك در دماي پائ به گونه اي كه نمايند رفتار متفاوتي از خود ارائه مي آلياژهاي حافظه دار

در دماي تواند تغيير شكل پالستيك چند درصدي را تحمل كند و سپس نمونه حافظه دار مي

.به صورت كامل به شكل اوليه برگردد و اين تنها با افزايش دماي نمونه ممكن استباال

.)1-1(شكل

1Shape memory alloy

11

. هاي حافظه دارتغيير شكل بر اثر دما در آلياژ. 1- 1شكل

: ويژگي هاي ديگر اين آلياژها عبارت است از

مقاومت به خوردگي باال ، مقاومت ويژه الكتريكي نسبتا باال، خواص مكانيكي نسبتا خوب ،

مهمترين كاربرد اين آلياژها در . خستگي طوالني ، شكل پذيري باال و قابليت انطباق با بدن

.پزشكي است هندسيو م نظامي صنايع، صنايع هوا فضا

تاريخچه -1-2

مشاهده شد ، اما تا سال 1932ل دار در سا حافظهآلياژهاي مورداولين مشاهده ثبت شده در

در آزمايشگاه نيروي 1962در سال . هيچ تحقيق جدي در اين زمينه انجام نشد 1960

پديده حافظه Ni.Ti 1س دريايي اياالت متحده آمريكا در حين عمليات حرارتي يك ميله از جن

و براي مدت زماني طوالني در حد كنجكاوي آزمايشگاهي باقي . داري در اين آلياژها كشف شد

تيتانيم با درصد اتمي مساوي –كشف حافظه داري شكل در آلياژ نيكل 1963در سال . ماند

به صورت از آن پس آلياژهاي حافظه دار. نظر دانشمندان و محققين را جلب نمود%) 50-50(

. ]1[و علمي آنها هر روز افزايش يافت قابل مالحظه اي توسعه يافتند و كشف مزاياي اساسي

1Nikel-Titanium

12

:فصل دوم تقسيم بندي مواد جامد

13

تقسم بندي مواد جامد-2-1

مواد فلزي -2-1-1

لياژهاي آن و فلزات فلزات آهني و آ -1 مواد فلزي از نظر اهميتي كه در صنعت دارد به دو گروه

فلزات آهني و آلياژهاي آن عمدتاً درصد بسيار بااليي . شود غير آهني و آلياژهاي آن تقسيم مي

فلزات غير آهني و آلياژهاي آن شامل . شندمي بااز آهن دارند كه شامل انواع فوالدها و چدنها

كرم و نيكل و آلياژهاي مانند آلومينيم، مس، روي، تيتانيم، ) غير از آهن(تمام فلزات ديگر

مواد . تواند داشته باشند البته آلياژهاي غير آهني مقدار نسبتاً بسيار جزئي آهن هم مي. آنهاست

اغلب فلزات در درجه . خوبي براي حرارت و الكتريسيته هستند) رساناي(فلزي عمدتاً هادي

پايداري بسيار بااليي حرارتهاي معمولي محيط شكل پذير بوده و در مقابل واكنشهاي شيميايي

فلزات به صورت خالص به ندرت . فلزات در شرايط معمولي داراي ساختار كريستالي اند. ندارند

.شود روند و اغلب از آلياژهاي آنها در صنعت استفاده مي به كار مي

14

1)سراميكي(مواد غير فلزي معدني -2-1-2

صنعت را مواد سراميكي تشكيل قسمت عمده مواد غير فلزي معدني مورد استفاده در

مواد سراميكي شامل تركيباتي از عناصر فلزي با اكسيژن به نام سراميكهاي اكسيدي . دهند مي

و موادي سخت از قبيل كاربيدها، نيترايدها و سليسيدها به نام سراميكهاي غير اكسيدي است

) ها مانند چيني(اتي سراميكهاي سيليك. دهند كه قسمت عمده اي از مواد نسوز را تشكيل مي

. مواد سراميكي قابليت شكل پذيري نداشته و بسيار تردند. نوع ديگري از مواد سراميكي اند

.اند همچنين در مقابل واكنشهاي شيميايي بسيار پايدار بوده و در درجه حرارتهاي باال مقاوم

به عنوان مواد عايق به اي پايين است كه قابليت هدايت الكتريكي و حرارتي سراميكها به اندازه

ازساختار كريستالي، غير كريستالي يا مخلوطي جديد توان با مواد سراميكي مي .روند كار مي

البته هنوز تحقيقات وسيعي براي مقاومتر . سراميكهاي نسبتاً مقاوم به شكست را توليد كرد

.شود كردن و توسعه آنها انجام مي

)مواد مصنوعي(مواد پليمري -2-1-3

از واد پليمري از كنار هم قرار گرفتن تعداد زيادي از مولكولهاي زنجيره اي يا شبكه اي بزرگ م

مواد آلي، كه از كربن و عناصر ديگري مانند هيدروژن، كلر، فلور، اكسيژن و ازت تشكيل

مواد پليمري در طبيعت به صورت آزاد وجود ندارند و اغلب از طريق . آيند اند، به وجود مي شده

اغلب مواد پليمري . آيند مرهاي گازي شكل به دست ميشهاي شيميايي و پليمر كردن منورو

مواد پليمري . داراي ساختار غير كريستالي و يا مخلوطي از كريستالي و غير كريستالي هستند

داراي قابليت هدايت الكتريكي بسيار ضعيفي هستند، به طوري كه به عنوان عايق الكتريكي

1 Ceramics

15

شوند ترد مي) زير صفر(روند، مواد پليمري معموالً در درجه حرارتهاي پايين خوب به كار مي

ولي در درجه حرارتهاي نسبتاً باال قابليت شكل پذيري دارند و در درجه حرارتهاي باال ذوب و يا

مواد پليمري در مقابل عوامل و واكنشهاي شيميايي در درجه حرارت معمولي . شوند متالشي مي

.عموماً مواد پليمري وزن مخصوص پاييني دارند. اورت هواي آزاد پايدارندمحيط و در مج

مواد مختلط يا كامپوزيتها -2-1-4

با ) حداقل دو ماده(شود كه از مخلوط چند ماده مواد مختلط يا كامپوزيتها به موادي گفته مي

ايي متفاوت اجزاي مواد مختلط از نظر شكل و تركيب شيمي. دخواص متفاوت تشكيل شده باشن

شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد ميكروسكوپي و ماكروسكوپي بوده و در يكديگر حل نمي

به خود داراي توان موادي با خواص جديد به دست آورد كه به نو بدين ترتيب مي. وجود دارند

د انواع مختلفي از مواد مختلط وجو. تخواصي مناسبتر از خواص هر يك از اجزاي اوليه اس

اغلب مواد مختلط شامل يك جزء نرم و شكل پذير به عنوان جزء اصلي زمينه و يك جزء . دارند

.است بسيار سفت و سخت به عنوان تقويت كننده

همچنين موادي كه . تواند به شكلهاي صفحه اي، اليافي و ذره اي باشد جزء تقويت كننده مي

شود، مانند قلع ا سايش پوشش داده ميسطح خارجي آنها براي حفاظت در مقابل خوردگي و ي

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

16

واد نيمه هاديم -2-1-5

نيمه هاديها از جمله مواد معدني بوده و از نظر خواص بين مواد فلزي و سراميكي قرار دارد و در

هدايت الكتريكي نيمه هاديها قابل كنترل بوده، به طوري كه . رود صنايع الكترونيكي به كار مي

.تواند در ساخت ترانزيستورها و يكسو كننده ها به كار رود مي

:ل سومفص

مواد هوشمند

17

مواد هوشمند -3-1

آلياژ هاي . علوم و تكنولوژي در قرن آينده به طور قطع تاثير زيادي از مواد جديد خواهد گرفت

. ]2[حافظه دار يكي از اين مواد نو هستند

:آلياژهاي حافظه دار -3-1-1

گر آنها را تا باالي دماي ويژه اي هستند كه اين توانايي را دارند كه ا جزء گروه مواد هوشمند

علوم و تكنولوژي در قرن آينده به .شكل اوليه خود خواهند بود به گرم كنيم ؛ قادر به بازيابي

ه دار يكي از اين مواد نو آلياژ هاي حافظ. طور قطع تاثير زيادي از مواد جديد خواهد گرفت

.هستند

:و مشخصه بي همتا از خود نشان مي دهند آلياژهاي حافظه دار ، آلياژهايي هستند كه د

1رفتار حافظه اي -1

2رفتار شبه االستيك -2

آلياژ جاهستند كه در اين Ni-Ti ،Cu-Zn-Al ،Cu -Al-Ni اين آلياژها در بيشتر موارد شامل

Ni-Ti كه اين آلياژ با نامهاي . مورد بحث استTi-Ni ،Tee-Nee ،Nitinol اين . معروف است

1 Shape Memory Effect 2 Pseudoelastic Behavior

18

اژها در فارسي نيز با نام هاي آلياژ حافظه دار ، آلياژ خود شكل و آلياژ با حافظه شكلي آلي

.]3[هم خوانده مي شوندSMA 1آلياژهاي حافظه دار به اختصار . ترجمه شده است

در پديده حافظه داري، نمونه در حالت كامالً مارتنزيتي به مقدار معيني تغيير فرم داده مي

ردن نمونه و برگشت آن به حالت آستيني، شكل نمونه نيز به حالت اول شود سپس با گرم ك

.خود بر گردد

. سيكل حرارتي مكانيكي توصيف كننده پديده حافظه داري شكلي .1-3شكل

چگونگي پديده حافظه داري شكل را با تبديل دو فاز آستنيت و مارتنزيت به . )1-3(شكل

تغيير حالت متالورژيكي نمونه جامد ، تغيير آرايش اتم بررسي بر روي. يكديگر نشان مي دهد

اين تغيير آرايش . ها بدون هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز زمينه را نشان مي دهد

پيشرفت تغيير حالت بدون نياز به . منجر به ايجاد ساختار كريستالي فاز جديد و پايدار مي شود

را مي توان مستقل از زمان دانست و به همين دليل حركت و جابجايي اتمها به صورت مجزا ،

. را به عنوان تنها عامل پيشرفت اين تغيير نشان داد) 2- 3(شكل .مي توان وابستگي دما

1 Shape Memory Alloy

19

. را مي توان مستقل از زمان دانستوابستگي دما .2-3شكل

تغيير حالت متالورژيكي-3-2

: ظه دار شدنتغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حاف -3-2-1

) 3- 3(شكل :امكان پذير است تغيير حالت متالورژيكي جامدات از دو طريقه زير

20

ي فاز حركت و جابجايي اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغيير در تركيب شيمياي) 1

.جديد نسبت به زمينه قبلي

و هيچگونه گي به زمانه به دما و بدون وابستتغيير آرايش اتمي به صورت هماهنگ وابست) 2

. تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي

.تغيير آرايش اتمي به صورت هماهنگ وابسته به دما .3-3شكل

21

:تغيير حالت هاي مارتنزيتي به طريقه دوم مرتبط است و داراي مشخصات زير است

ي باشد و در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي تغيير مكان به صورت شبه برشي م) 1

. جابجا مي شود

. ديفوزيون اتمي در آن اتفاق نمي افتد) 2

رفتار حافظه دار شدن كامالً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتم هاي آلياژ نبايد به هم

. بخورد

: كريستالوگرافي مارتنزيتي -3-2-2

نزيت از لحاظ كريستالوگرافي در سه مرحله قابل بررسي تغيير حالت تبديل آستنيت به مارت .است

تغيير فرم شبكه اي - 1

برش ناهمگن - 2

دوران شبكه اي - 3

نشان داده ) 4-3(فرآيند تبديل آستنيت به مارتنزيت در مرحله تغيير فرم شبكه اي در شكل

ز هر وي فصل مشترك ادر اين مرحله اتم ها با جابه جايي جزئي و هماهنگ، پيشر. شده است

.اليه اتمي را موجب مي شوند

22

اتمهاش جابجايي جزئي نماي) عبور فصل مشترك ازهراليه اتمي ج) بفازكامال آستنيتي ) الف

. فرآيند تبديل آستنيت به مارتنزيت در مرحله تغيير فرم شبكه اي. 4-3شكل

ايد توجه داشت پديده حافظه داري بدون تغيير حجم و تغيير شكل امكان پذير بوده و برش ب

.ناهمگن توجيه كننده اين مطالب مي باشد

).5- 3( شكل :تنزيت به دو طريق امكان پذيراستبرش ناهمگن در مار

مكانيزيم لغزش يافتن صفحات اتمي ) 1

مكانيزيم تشكيل دوقلويي ها ) 2

مكانيزم تشكيل دو قلويي ) بمكانيزم افزايش يافتن صفحات اتمي ) الف

.برش ناهمگن در مارتنزيت . 5-3شكل

23

تصاوير نشان داده شده چگونگي انطباق فاز مارتنزيت بر فاز آستنيت را در هنگام جابجايي

. ظ شبكه كريستالي نشان مي دهدجزيي و گروهي اتمها با حف

نيزيم ند هاي اتمي بعنوان مكابايد توجه داشت كه لغزش صفحات اتمي به علت شكسته شدن با

تغيير فرم پالستيك دائم محسوب مي شود، در صورتي كه در مكانيزيم دو قلويي به علت انرژي

در . رم غير دائم استپايين مرز دوقلويي و برخورداري از تحرك و لغزندگي نسبي تغيير ف

آلياژهاي حافظه دار ، كرنش هاي ناشي از تغيير حالت در اثر تشكيل يك جفت از دوقلويي

. هاي دو طرف مرز ذخيره سازي مي شوند و براي برگشت پذيري از آن استفاده مي شود

اضافه شدن تنش حركت واربانت ها وحذف واربانتهاي مقابل با) ب تشكيل دو قلويي) الف

حذف و تبديل تماسي واربانت ها به يك واربانت و تغيير شكل كامل) ج

. لوييمرز دو ق . .6-3شكل

مرز دوقلويي را نمايش مي دهد و هر يك از دوقلويي هاي دو طرف مرز دوقلويي ) 6- 3(شكل

در صورت وارد كردن تنش برشي به مرز دو قلويي باعث حركت .يك وا ريانت را شامل مي شود

اين روند مي تواند تا تبديل تمامي . .يكي از واريانت ها شده و واريانت ديگري حذف مي شود

24

بررسي پديده حافظه داري در تك كريستال آستنيت در يانت به يك واريانت واحد ادامه يابدوار

. نمايش داده شده است) 7-3(شكل

a ( تك كريستا ل آستنيت b ( تشكيل واربانت هايD,C,B,A دراثرسرد شدن نمونه دراثرحذف واربانت هاي ديگر Aرشدواربانت ) Mf cزير دماي

.. بررسي پديده حافظه داري در تك كريستال آستنيت . 7- 3شكل

واريانت Mfمرحله اول همانطور كه از شكل پيداست بعد از سرد كردن كريستال در زير دماي

ستال ، واريانتها تشكيل مي شوند مرحله دوم با وارد كردن تنش به كري Dو Cو Bو Aهاي

حين تشكيل واريانت . تشكيل گردد Aشروع به حركت و حذف شدن مي كنند تا واريانت واحد

مرحله سوم مربوط به حرارت دادن . ذخيره مي شود Aكرنش هايي در جهت واريانت Aواحد

ت كريستال نمونه براي تبديل مارتنزيت به آستينت مي باشد از آنجاييكه كرنش ها تنها در جه

مي باشد و نمونه به Aذخيره شده اند، پس تنها مسير براي برگشت پذيري، واريانت Aواريانت

. شكل اوليه خود باز مي گردد

25

: رفتار ترمومكانيكي -3-3

آلياژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصيات مكانيكي بسياري مي

نيكل مشاهده مي -كرنش براي آلياژ تيتانيم -منحني هاي ساده تنش ) 8-3(باشند در شكل

. شود

تغيير . آلياژ در دماهاي پايين ، متوسط و باالي دماي استحاله مورد آزمايش قرار گرفته است

در حاليكه . شكل در مارتنزيت با چند در صد كرنش و تنش فشاري نسبتاً كم ديده مي شود

خط چين روي . ا زيادي براي تغيير شكل داردآستنيت در درجه حرارت باال نياز به تنش نسبت

منحني مارتنزيت نمايانگر برگشت پذيري آلياژ بعد از برداشتن تنش وارد شده بعد از گرم

كردن نمونه و تبديل به فاز آستنيت مي باشد ولي چنانچه كه مشاهده مي شود در منحني

. شت پذيري وجود نداردمربوط به آستينت با برداشتن تنش و گرم كردن نمونه امكان برگ

)a( آستنيت)b ( مارتنزيت)c (رفتار االستيکی کاذب

.كرنش دردماهاي متفاوت - منحني تنش.. 8- 3شكل

26

خواص ترمومكانيكي استثنايي آلياژهاي حافظه دار عامل كاربردهاي بسيار مهمي در زمينه

دهد تا تغيير فرمهاي االستيسيته اجازه مي وقف .است شده پزشكيو مهندسي مهندسي

دد و اثر حافظه داري شكل االستيك بسيار زياد، وابسته به تغييرات كم تنش، به وقوع بپيون

فعال سازي ابزار و سيستمها را به صورت بسيار ساده، با تماس حرارت بدن انسان يا گرم فرآيند

تواند با به جريان ين گرماي الزم ميهمچن. كننده خارجي تحت فرمان جراح، ممكن سازد

.انداختن يك مايع سترون حامل كالري يا با اتصال يك عامل گرم كننده به دست آيد

: خاصيت ارتجاعي كاذب -3-4

ديده Cدرقسمت منحني ) 8-3(شكل كرنش –خصوصيت جالب توجه درباره منحني تنش

التر از درجه حرارت انتقال ، در درجه به طوري كه پس از حرارت دادن نمونه كمي با. مي شود

با افزايش مقدار تنش ، تغيير . به نمونه در فاز مارتنزيت تنش وارد مي شود Af حرارت باالي

در اين هنگام رفتار تغيير شكل و ). ABمنحني (شكل نيز به صورت يكنواخت افزايش مي يابد

نزيت به آستينت تبديل مي مارت )CDمنحني ( تنش پايداري مشاهده مي شود با كاهش تنش

شود بايد توجه داشت كه برگشت پذيري انجام شده به خاطر تغيير حرارت نمونه نمي باشد و

اين پديده را كه موجب مي شود آلياژ خاصيت كشساني نامحدود . دليل آن كاهش فشار است

. پيدا كند به عنوان خاصيت ارتجاعي كاذب ناميده مي شود

27

:يك طرفه و دو طرفهاثر حافظه دار -3-5

:اثر حافظه دار يك طرفه )الف

در صورتيكه اثر حافظه داري فقط بعد از تغيير شكل در حالت مارتنزيتي و سپس در سيكل

اين بدان معني است كه در . گرم كردن مشاهده شود به آن اثر حافظه يك طرفه گفته مي شود

به حالت اوليه قبل از تغيير شكل باز مي اين حالت تغيير شكل ايجاد شده ، فقط با گرم كردن

گردد و چنانچه جسم را دوباره سرد كنيم تغييري در شكل آن حاصل نمي شود اين خصوصيت

. نمايش داده شده است) 9-3(در شكل

.اثر حافظه دار يك طرفه . 9- 3شكل

ي تغيير فرم داده به مقدار معين Mfهمانطور كه در تصوير مشاهده مي شود ابتدا فنر در دماي

مي شود به صورتيكه تغيير فرم دائمي در آن باقي بماند حال اگر فنر تغيير فرم داده شده را تا

حرارت دهيم مجدداً به شكل اوليه خود بر مي گردد و در سيكل سرد شدن تا دماي Afدماي

Mf شكلي در فنـــر مشاهده نمي شودهيچگونه تغيير .

28

:ه اثر حافظه دار دو طرف)ب

پذيري به حالت اوليه خود در اثر سرد و گرم كردن آلياژ هاي حافظه دار دو طرفه در برگشت

يك فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به ) 10- 3( در شكل. ت بازه معيني از دما امكان پذير اس

. صورت باز شده در حالت آستيني و شكل جمع شده در حالت مارتنزيتي نشان داده شده است

.طرفه دواثر حافظه دار . 10 - 3 شكل

همانطور كه مشاهده مي شود اگر فنر گرم شود باز شده و در سيكل سرد شدن مجدداً به شكل

بايد توجه داشت كه آلياژ هاي حافظه دار براي اينكه اثر حافظه دار دو . جمع شده در مي آيد

. اصي بر روي آنها مي باشدطرفه از خود نشان دهند نياز به انجام عمليات ترمومكانيكي خ

.طرفه دواثر حافظه دار . 11- 3شكل

29

دو محدوده كاربرد اصلي اين خاصيت يكي ابزار جراحي است كه جراح از اين خصوصيت

گيرد و دوم جا دادن و جا زدن موقت يا دائم قطعات در مستقيماً در عمل جراحي كمك مي

اين مواقع الزم است قبالً در باره ميزان پذيرش در. است بدن است كه به ايمپلنت مشهور شده

آلياژهاي نيكل تيتانيم به دليل . بدن نسبت به ايمپلنت و سازگاري آن تحقيق شده باشد

مقاومت خوب در برابر خوردگي، در مجاورت بافتهاي بدن، اهميت ويژه كاربردي دارند و از مواد

مهندسي حافظه دار استثنايي هستند

: ز اين مواد در بافتهاي بدن بايد به پارامترهايي از قبيلجهت استفاده ا

مقاومت در برابر خوردگي آلياژ در مايع يا بافتهاي بدن -1

نهاي بدنرگاپذيرش آلياژ در بدن و عدم طرد آن از طرف ا -2

.زا نبودن آلياژ در بلند مدت توجه شود نو سرطا سمي -3

تيتانيم نشان داده است كه مقاومت در برابر –هاي نيكل بررسي هاي انجام شده بر روي آلياژ

خوردگي و پذيرش اين آلياژها در بدن همانند فوالدهاي ضد زنگ است كه تاكنون به عنوان

.است مواد بيومديكال از آنها استفاده شده

:بحث ما در باره خواص مكانيكي ويژه و بي نظير آلياژهاي حافظه دار است؛ از جمله

تيتانيم –موليبدن و نيكل –تيتانيم–تيتانيم، نيكل–وژي توسعه و توليد آلياژهاي نيكلتكنول

، استهالك 1خصوصاً در مراجع كنترل كيفيت و مهندسي متخلخل استفاده شونده در پزشكي

1 Quality control (Q.C)

30

، سازگاري زيستي، خصوصيات ويژه مكانيكي، ترمومكانيكي و 1ارتعاشات، مقاومت خوردگي

. پلنت پزشكي و توسعه ابزار پزشكيكاربرد آنها به عنوان ايم

و 2اما كاربرد آنها به عنوان استنت. اند آلياژهاي حافظه دار در پزشكي كاربردهاي مختلفي داشته

دار، ارزش ويژه استنت نيتينول و استنت پوشش. استنت پوشش دار بين عروقي بسيار ويژه است

در طي ده . است ثابت شده بشودعث خود باز شدن در دماي بدن وقتي حافظه حرارتي آن با

هاي سال گذشته عمليات داخل عروقي براي فوريتها و فرآيندهاي انتخابي، به عنوان جايگزين

استفاده روزافزون از خصوصيات . قابل قبول در جراحي باز با منافع بالقوه، رواج پيدا كرده است

اي موثر در ه دار وسيلهاالستيك و بازيابي شكل حاصل از حرارت ديدن ايمپلنت حافظ فوق

.پيشبرد طرحهاي جديد بوده كه سبب پيشرفت سريع كيفيت درمان گشته است

1 Resistant corrosion 2 Estent

31

فصل چهارم

خواص مكانيكي مواد

32

خواص مكانيكي مواد -4-1

شهاي خارجي ها و يا به طور كلي هر نوع تن1العمل مواد جامد در مقابل نيروها، گشتاور عكس

وارد بر آن، اعم از استاتيكي و يا ديناميكي، در شرايط خاص محيط كار يا محيط آزمايش، رفتار

رود كيفيت موادي كه در طراحي قطعات صنعتي به كار مي. شود يا خواص مكانيكي ناميده مي

به وسيله روشهاي آزمايش . بيش از همه به خواص مكانيكي آنها بستگي خواهد داشت

.توان اعدادي را ارائه داد كه مشخص كننده خواص مكانيكي باشد شده مي 2ندارداستا

ســـرعت -2مقـــدار تـــنش، -1بـــر روي خـــواص مكـــانيكي عوامـــل خـــارجي از قبيـــل

ــنش – 3 ــدن تـ ــان وارد آمـ ــدت زمـ ــرارت -4مـ ــه حـ ــنش -5درجـ ــوع تـ ــاظ (نـ از لحـ

ــاميكي ــا دينـ ــتاتيكي و يـ ــاوب ) اسـ ــنش متنـ ــت تـ ــات -6و در حالـ ــداد دفعـ وارد تعـ

ــين ــدن آن و همچنـ ــايش -7آمـ ــورد آزمـ ــاده مـ ــراف مـ ــيط اطـ ــيميايي محـ ــر شـ اثـ

ــذارد تــاثير مــي ــد تــا حــد . گ ــه بتوان ــاب شــود ك ــد طــوري انتخ شــرايط آزمــايش باي

ــيط ــاص مح ــرايط خ ــت ش ــم تح ــار آن جس ــه رفت ــع ب ــحي راج ــات واض ــان مشخص امك

ــتا ــك كريس ــه جــز ي ــد ب ــي ان ــواد ايزوتروپ ــد م ــه ده ــار را ارائ ــه ك ــا ك ــا خــواص در آل ه نه

.ناهمسانگردند مكانيكي متفاوت است

ــانگردي ــي (ناهمســ ــواص ) ان ايزوتروپــ ــزايي روي خــ ــاثير بســ ــتال تــ ــك كريســ تــ

تــك كريســتالها و مــواد چنــدين كريســتالي بــا كريســتالي . مكــانيكي خواهــد داشــت

بــا كريســتالهاي جهــت دار، بــا مرزهــا يــا ذرات جهــت دار فــاز دوم و همچنــين مــواد

هـــاي زنجيـــره اي جهـــت دار، جـــزء مـــوادي بـــا خـــواص مكـــانيكي پليمـــري بـــا مولكول

ــي ــوب مـ ــات محسـ ــام جهـ ــت درتمـ ــر يكنواخـ ــوند غيـ ــواص . شـ ــري خـ ــدازه گيـ درانـ

1 Torque 2 Test standard

33

ــود ــرداري شـ ــه بـ ــه نمونـ ــواد بايـــد از جهـــات مختلـــف قطعـ ــانيكي ايـــن گونـــه مـ . مكـ

ــا ــبترين و نامنـ ــنعتي مناسـ ــاربرد صـ ــابراين در كـ ــاظ جهـــت بنـ ــات، از لحـ ــبترين جهـ سـ

.ود خواهد داشتتنش اعمال شده، وج

ــه ــاختار شيش ــا س ــا ب ــكل ي ــي ش ــواد ب ــام م ــدين ك تم ــواد چن ــع اي و م ــا توزي ــتالي ب ريس

داراي خـــواص مكـــانيكي تقريبـــاً بـــي نظـــم دانـــه هـــا بـــا جهـــات كريســـتالي گونـــاگون

ــات هســتند ــواختي در تمــام جه اكنــون بــراي آشــنايي بيشــتر بــا مفهــوم تــنش . يكن

] .4[پردازيم اختصار به تعريف آن مي به طور

تغيير شكل االستيك-4-2

در صورتي كه . آيد هر گاه به جسمي تنشي وارد شود، تغيير شكلي در آن جسم به وجود مي

تنش وارد بر آن از نوع تنش كششي باشد، تغيير شكل ايجاد شده در جهت نيرو به صورت

، اگر شود و چنانچه تنش وارده، تنش فشاري باشد به صورت كاهش طول ظاهر مي ازدياد طول

.كل به صورت تغيير زوايا استباشد، تغيير ش) برشي (تنش وارده، تنش مماسي

وارد (F)ايجاد شده با نيروي ) L(شود كه تغيير شكل موقعي صحبت مي از خاصيت االستيك

روي جسم تغيير و همزمان با حذف نيرو از ) F~L(برجسم به صورت خطي متناسب باشد

.شكل ايجاد گرديده برطرف شده و جسم به حالت اوليه خود برگردد

مدول االستيك-4-3

يا به عبارت ديگر تغيير شكل برگشت پذير به وسيله بطه بين تنش و تغيير شكل االستيكرا

. قانون يا رابطه هوك داده شده است

34

عوامل موثر بر روي مدول االستيك-4-4

يستالي جهات كر-4-4-1

مدول ) ان ايزوتروپي(ردي لها به علت وجود غير يكنواختي جهتي يا ناهمسانگدر تك كريستا

كه از تعداد زيادي 1در جهات مختلف كريستال متفاوت است، ولي در پلي كريستالها االستيك

دانه هاي كريستالي تشكيل شده و هريك از دانه ها از لحاظ ساختار شبكه كريستالي از نظر

خواص االستيك . اند ي قرار گرفتهماري بدون هرگونه نظم و ترتيب خاصي در جهات مختلفآ

اي به جهت كريستالي ندارد و تا حدودي داراي خاصيت تقريباً يكنواختي بستگي قابل مالحظه

موادي كه كه براي مشخص كردن رفتار االستيكبه طوري . در تمام جهات كريستالي است

و يا مدول برشي كافي تالي است، تعيين يك مدول االستيكانه هاي كريسداراي تعداد زيادي د

در بعضي موارد در نتيجه عملياتي از قبيل نورد، دانه هاي يك قطعه چندين بلوري . خواهد بود

تواند در يك جهت خاصي قرار گرفته و جهت دار شود يا به عبارتي تكستور يا تكسچر مي

در فاوت در مقابل تغيير شكل االستيكبب ايجاد رفتاري متخاصي پيدا كند، كه اين پديده س

براي مثال خاصيت مغناطيسي يك نمونه فوالدي با دانه هاي جهت دار . شود جهات مختلف مي

.يابد مناسب، به اندازه قابل مالحظه اي افزايش مي

درجه حرارت-4-4-2

تگي داشته و عمدتاً تحت مواد به قدرت اتصاالت اتمي در شبكه كريستالي بس مدول االستيك

كه با ازدياد درجه )در نتيجه ارتعاشات غير متفارن شبكه(تاثير مقدار متوسط فواصل اتمي

1 Polycristals

35

با افزايش از اين رو مدول االستيك) 1- 4(شكل. يابد، قرار خواهد گرفت فزايش ميحرارت ا

ها نسبتاً كم و يابد، اين وابستگي به درجه حرارت براي فلزات و سراميك درجه حرارت كاهش مي

همان ابتداي وارد در ساختارهاي مولكولي مانند الستيكها از .شود در مواد مصنوعي بيشتر مي

خطي بين تغيير شكل و تنش برقرار نيست، زيرا كه االستيسيته تنها آمدن تنش رابطه

شود، بلكه به كشش و برش زنجيرهاي مستقيماً به تاثير متقابل اتمهاي همسايه مربوط نمي

.مولكولي نيز بستگي دارد

. اثر درجه حرارت در تغيير شبكه كريستالي. 1- 4شكل

عناصر آلياژي-4-4-3

موادي كه از تعدادي اتمهاي متفاوت يا از چند نوع مولكول تشكيل در بررسي مدول االستيك

.شده باشند، بايد بين فازهاي محلول و غير محلول تفاوت قائل شد

36

مدول برشي-4-4-4

و تغيير شكل نسبي )(بين تنش برشي Eرابطه مشابهي با در محدوده االستيك

وجود دارد، )(برشي به دست آمده توسط آن

G.

نوضريب پواس-4-4-5

تغيير شكلي نيرو تحت تاثير نيروي تك محوري در امتداد ن با تغيير شكل االستيكهمزما

. گيرد هم در جهات ديگر نمونه صورت مي

تغيير شكل پالستيكي مواد-4-5

اهميت دارد و در مقابل ي تنها محدوده االستيكمعموالً در طراحي اجزاي ماشين آالت صنعت

بدين منظور . گيرد تنشهاي اعمالي هيچ گونه تغيير شكل برجاي ماندني نبايد در قطعه انجام

ندن تغيير شكل در محدوده ي مايي جهت باقبراي حفظ ابعاد هر قطعه ضريب اطمينان باال

با وجود اين، بررسي رفتار اين گونه قطعات در مقابل تنشهايي . شود در نظر گرفته مي االستيك

برجاي گذرد و همچنين كاربردهايي كه عمدتاً مربوط به تغيير شكل كه از حد االستيكي مي

. شود، از اهميت خاصي برخوردار است ماندني مي

37

(Ni)نيكل -4-6

نيكل رنگ سفيد نقره اي براق دارد و فلزي است سمي ، شكننده كه از قابليت پوليش خوبي

و نقطه ذوب 93/8ص برخوردار است اين فلز جز ء فلزات غير آهني سنگين با جرم مخصو

.يار مقاوم بوده و به وسيله آهن ربا جذب مي شودمي باشد و در مقابل خوردگي بس 1455

.همچنين در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبي نشان مي دهد

موارد استفاده آن شامل پوشش محافظ در آبكاري فلزات ، توليد فوالدهاي آلياژي و غيره مي

ين افزايش در دماهاي پاي را اي راحتي در فوالدهاي ساختماني، نيكل مقاومت ضربه .باشد

را افزايش ) چقرمگي(نيكل كاربيدزا نبوده و با تشكيل محلول جامد استحكام و سفتي . دهد مي

نيكل با گسترش ناحيه آستنيت در فوالدهايي كه داراي مقدار % 7مقدار بيش از . دهد مي

شود كه در درجه بااليي از كرم بوده و پايدار در مقابل واكنشهاي شيميايي است سبب مي

فوالدهاي . تر از دماي معمولي محيط ساختار آستنيتي پايدار باقي بماند ارتهايي پايينحر

زيرا كه درجه حرارت تبلور . مقاومت حرارتي بااليي دارد Cآستنيتي در دماهاي بيش از

ت مشخص، قابليت هداي. اين فوالدها عمالً قابليت مغناطيس پذيري ندارد. مجدد آنها باالست

. شود، براي مثال ضريب انبساط حرارتي پايين سبب پايدار شدن خواص فزيكي معيني مي

38

(Ti)تيتانيم -4-7

تيتانيم فلزي است نقره فام مايل به خاكستري و جزء فلزات غير آهني سبك است و جرم

مقاومت در مقابل خوردگي و سايش و . مي باشد 1670و نقطه ذوب آن 5/4مخصوص آن

استحكام زياد آن موجب كاربرد در ساخت قطعات هواپيما ، سفينه فضايي ، لوازم نظامي و

آلياژهاي تيتانيم دار فلز اصلي ساختمان هواپيماي مافوق صوت را تشكيل . جراحي شده است

پزشكي بسيار مؤثر عمل مي كند ، عالوه بر اين با توجه به تيتانيوم بر خالف نيكل در. مي دهد

خواص بسيار خوب مكانيكي براي اصالح دندان هاي كج و همچنين ترميم استخوان هاي

.آسيب ديده كاربرد فراوان دارد

آن به اكسيژن و ازت، گوگرد و كربن يك احيا كننده، ازت زدا و گوگردزداي به دليل تمايل زياد

به طور وسيعي در فوالدهاي مقاوم در مقابل . قوي و همچنين تشكيل دهنده قوي كاربيد است

اي به خوردگي به عنوان تشكيل دهنده كاربيد براي پايدار كنندگي در مقابل خوردگي بين دانه

تيتانيم محدوده آستنيت را شديداً . شود آن سبب ريز شدن دانه ها ميعالوه بر . رود كار مي

انجام ) رسوب سازي و پيرسختي(كند و به ازاي مقدار زياد فعل و انفعاالت جدايشي تنگ مي

گيرد و به دليل نياز به نيرو و حوزه مغناطيسي باال جهت مغناطيس زدايي به آلياژ هاي مي

تيتانيم تمايل شديدي به تشكيل تركيباتي با ديگر عناصر و .شود مغناطيس دائمي افزوده مي

.دهد تيتانيم در نتيجه تشكيل نيترايد هاي خاص مقاومت خزشي را افزايش مي. جدايش دارد

39

آلياژهاي تيتانيم-4-8

لي در مقابل خوردگي استحكام ويژه باال و خواص مكانيكي تيتانيم به دليل داشتن مقاومت عا

اما در دماي باالتر از . در دماهاي نسبتاً باال، اهميت صنعتي يافته است خوب، به ويژه

c شود و اتمهاي كوچكي مانند كربن، اليه نازك محافظ تجزيه و در هم شكسته مي

اي نيم، ايجاد تركيبات ترد و شكنندهاكسيژن، نيتروژن و هيدروژن با نفوذ در شبكه تيتا

در دماهاي پايين و hcpتايمي يكي از فلزات چند شكلي است، با شبكه كريستالي تي. كنند مي

عناصر آلياژي باعث تغيير دماي تبديل ساختاري Cدر دماي باالتر از bccبا ساختار

تيتانيم خالص به دليل مقاومت ممتاز آن در مقابل خوردگي اهميت يافته . شوند تيتانيم مي

آلياژ هاي تيتانيم با ريز ساختاري شامل هر دو فاز . است پايدار در دماي معمولي ,

با . يكي از آلياژهاي متداول از اين نوع آلياژهاست V4% - AI 6 % - Tiآلياژ . اند محيط توليد شده

ي به خواص توان با عمليات حرارتي و كنترل ريز ساختار تا حد زياد وجود اين دو فاز مي

.مكانيكي مورد نظر در آلياژ رسيد

توان به تركيبي از انعطاف پذيري باال، خواص يكنواخت و استحكام خوبي با آنيل كردن مي

از اينكه حرارت داده و قبل تا دمايي درست پايينتر از تبديل ابتدا آلياژ را. دست يافت

باقي بماند، براي جلوگيري از رشد دانه آلياژ را تبديل شود و مقدار كمي بهتمامي

ساختار دانه . شود مي كنيم، سرد كردن آرام باعث شكل گيري دانه هاي هم محور سرد مي

40

د و جوانه زني تركهاي وش شكل پذيري خوب آلياژ ميهاي هم محور منجر به انعطاف پذيري و

. سازد خستگي را مشكل مي

سوزني ، منجر به تشكيل فاز سرد كردن سريعتر، به ويژه از دماي باالي محدوده

مسير پيچ و خم داري تواند راحت تر انجام گيرد، اما تركها براي رشد بايد تركهاي خستگي مي

رشد ترك خستگي )سرعت (بدين علت آهنگ . طي كنند و را در امتداد دانه ها بين

.يابد فنش شكست و مقاومت خزشي افزايش ميكاهش و تا

بعضي از . دارد آلياژ هاي تيتانيم در ساخت اسكلت هواپيما، راكتها، موتورهاي جت كاربرد

% 100توانند تا رفتار سوپر پالستيك دارند و مي، V4 % - AI6 %-Tiآلياژهاي تيتانيم، مانند

باشد، به طوري Cدر صورتي كه حداكثر دماي موقعيت كاري زير.ابندتغيير شكل ي

خوبي براي تامين كردن تواند انتخاب كه اليه نازك اكسيد پايدار باقي بماند، تيتانيم مي

از اين رو تيتانيم خالص تجارتي بهترين مقاومت به . مقاومت به خوردگي در دماهاي باال باشد

. سازد خوردگي را فراهم مي

سازد و براي ما پذيري و قابليت جوشكاري را برآورده مي بنابراين تيتانيم همچنين شروط شكل

تيتانيم خالص نتواند استحكام الزم و كافي را داشته اگر فكر كنيم . انتخابي منطقي خواهد بود

با مقاومت به خوردگي باالتر كه توانيم براي اطمينان بيشتر از يك آلياژ تيتانيم باشد مي

يابد استفاده شكل پذيري و قابليت جوشكاري هم دارد و استحكام آن نيز مقداري بهبود مي

.كنيم

41

1:محرك دموا-4-9

اين . شوند ند سازه ها با محيط خود سازگار شوند مواد محرك ناميده ميوش موادي كه باعث مي

توانند شكل، سفتي، مكان، فركانس طبيعي و ساير مشخصات مكانيكي را در پاسخ به مواد مي

عمده امروه چهار نوع ماده محرك به طور . دما و يا ميدان هاي الكترو مغناطيسي تغيير دهند

، مواد مغناطيسي سخت و 2د كه آلياژهاي حافظه دار، سراميكهاي پيزو الكتريكوش استفاده مي

آلياژهاي حافظه دار موادي هستند كه بعد . باشند مايعات الكترورئولوژكال و مگنتورئولوژيكال مي

در . گردند از اينكه تحت كرنش قرار گرفتند در يك دماي خاص به شكل اصلي خود برمي

تواند نيروي زيادي توليد كند كه جهت آلياژ مي ”به ياد مانده “يند برگشت به شكل فرآ

.اين آلياژها در بيش از پنجاه سيستم آلياژي توسعه يافته اند. تحريك مفيد است

تيتانيم است كه اولين بار در آزمايشگاه ناوال –ترين آنها خانواده آلياژ ها نيكل برجسته

مشهور شده دو حرف اول آن در (Nitinol)اي كه تحت نام نيتينول ماده. دساخته ش 3اوردنانس

ارتباط با نيكل، دو حرف بعدي مربوط به عنصر تيتانيم و سه حرف آخر در رابطه با آزمايشگاه

اين آلياژ مقاومت قابل توجهي در برابر خوردگي و خستگي از خود . باشد ناوال اوردنانس مي

.برگيرنده و پوشش دهنده تغيير شكلهاي بزرگ خواهد بوددهد ضمناً در نشان مي

تواند درصد طول آلياژ باشد مي 8در اين آلياژها كرنشي كه افزايش طول مربوط به آن باالتر از

مكانيزم اصلي كه . به وسيله حرارت دادن مثالً به وسيله جريان الكتريكي برگشت پيدا كند

. كند در رابطه با تغيير ساختار كريستالي آلياژ است ميخواص آلياژهاي حافظه دار را كنترل

1 Dynamic materials 2 Pizoelectric 3 Naval Ordnance Lab

42

به اين معني كه ساختار مارتنزيتي در دماي از پيش تعيين شده با افزايش دما به )2-4( شكل

. رد كردن فرايند عكس رخ خواهد دادشود و در هنگام س ساختار آستنيتي تبديل مي

. تغيير ساختار با افزايش دما. 2-4شكل

سياري از مواد، استحاله مارتنزيتي دارند ولي چيزي كه نيتينول را نسبت به آلياژهاي ديگر ب

باشد در حاليكه مواد ديگر به نمايد قابليت مارتنزيت اين آلياژ در دوقلو شدن مي متمايز مي

يابند، نيتينولها به وسيله تغيير جهت ساده وسيله لغزش و حركت نابجائيها تغيير شكل مي

العمل نشان ار كريستالهاي خود از طريق مرزهاي دو قلوئي به تنشهاي اعمال شده عكسساخت

سيمهاي نيتينول كه درون مواد مركب قرار مي گيرند، جهت بهبود خواص ارتعاشي . دهند مي

اين مواد به وسيله تغيير دادن سختي، تغيير حالت تنش در سازه ها، و در نتيجه . اند موثر بوده

با وجود اينكه . ندوفركانس طبيعي ماده مركب، سبب بهبود خواص ارتعاشي ميش جابجا كردن

.مرتعش كننده خارجي به ارتعاش درآيند ها توسط هر رسد سازه بعيد به نظر مي

43

بزرگ يب يك سازه تواند در بعضي از مواقع حتي سبب تخر است فرايند تشديد مي معلوم شده

تيتانيم در سال –حافظه داري در آلياژهاي نيكل از زمان كشف خاصيت .مانند پل گردد

نپزشكان در به كارگيري اين پزشكان، جراحان و دنداو مهندسان عالقه فراواني توسط 1962

هاي درماني نيمه تهاجمي ايجاد شده آلياژهاي جالب، بعنوان محصوالت طبي بخصوص در روش

.است

خصوصيات كلي استحاله مارتنزيتي- 4-10

تمام استحاله هاي فاز در حالت جامد، استحاله مارتنزيتي داراي خصوصياتي است كه در ميان

.سازد هاي ساختاري مواد متمايز مي را از ساير استحاله آن

دها، آستنيت يا فاز براساس استحاله مارتنزيتي در فوال....) رسوب گذاري، نفوذ، اكسيداسيون و (

.ماند تنزيت حاصل از آن در دماي پايين پايدار ميمادر در دماي باال پايدار و فاز مار

. شوند پنج مورد از خصوصيات استحاله مارتنزيتي به ترتيب زير بررسي مي

. باشد تغيير فاز در حالت جامد كه عامل آن تغيير شكل غير االستيك شبكه كريستالي مي -1

نسبت به پارامترهاي اين تغيير شكل حاصل تغيير مكان جمعي اتمها در فواصل نسبتاً كوتاه

.شبكه كريستالي خواهد بود

به عبارت ديگر سرعت . شود عدم حضور فرايند نفوذ موجب فوري بودن تغيير حالت مي -2

الزم به ) متر بر ثانيه 103.( توليد فاز مارتنزيت قابل مقايسه با سرعت صوت در جامدات است

.مورد نظر به طور همزمان حضور دارندذكر است در حالي كه فرآيند استحاله ادامه دارد دو فاز

44

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

:افتد اتفاق مي

)در آلياژهاي حافظه دار(ـ تغيير حجم قابل اغماض

.ـ لغزش زياد سطوح كريستالي در يك جهت معين

و يك استحاله ) Bainتغيير شكل بن (ستالي اين تغيير شكل حاصل يك استحاله شبكه كري

مي باشد مكانيزم اخير موجب توليد نوعي ريز ساختار داخل (Invarient)بدون تغيير شبكه

....)دو قلويي، نابجايي، عيوب انباشتگي و (شود مارتنزيت مي

جهت به حداقل رساندن انرژي فصل مشترك مارتنزيت تشكيل شده و آستنيت باقيمانده، -4

نشيني و يا سطح اصلي بين دو فاز، سطح هم. اند منه هاي مارتنزيت شده اغلب عدسي شكلدا

اين سطح براي گروه آلياژهاي مختلف كامالً تعريف شده است و سطح . سطح پيوند نام دارد

دار، جهت برش، عمالً در اين سطح قرار در رابطه با آلياژهاي حافظه. برش مارتنزيت نام دارد

به دليل توازن كريستالي فاز مادر تعداد زيادي سطح ). ر حجم قابل اغماض استتغيي. (دارد

مجموعه سوزنهاي . همنشيني در تك كريستال در حال استحاله بطور همزمان وجود دارند

.مارتنزيت نام دارد 1داراي سطح همنشيني مشترك و جهت برش مشترك واريانت

ديگر، درجه حرارت و تنش، متغيرهاي در استحاله مارتنزيتي مانند هر تغيير حالت -5

در آلياژهاي حافظه دار استحاله مارتنزيتي با . باشند ترموديناميكي خارجي موثر بر استحاله مي

.شود دهد و از اثر فشار هيدرواستاتيك صرف نظر مي حجم تقريباً ثابت رخ مي

. باشد ش ها مياصوالً نقش ابتكار عمل پيشرفت استحاله به عهده عوامل منحرف كننده تن -6

:استحاله مارتنزيتي داراي دو محدوده وسيع كاربرد است

1 Variant

45

زيرا مارتنزيت حاصل از سريع . در عمليات حرارتي فوالدها كاربرد بسيار گسترده دارند ـ

در اين نوع كاربرد تغيير . العاده سخت است سردكردن فوالدها يك ساختار خارج از تعادل فوق

مارتنزيت عامل تردي آلياژ خواهند بود كه در رابطه با توليد شكلهاي همراه با تشكيل فاز

.باشد هاي داخلي مي تنش

دهد كه رخ مي هاي حافظه دار استحاله مارتنزيتي با تغيير درجه حرارت و تنش در آلياژ ـ

تغيير شكل مربوط به اين استحاله داراي يك شكل درجه حرارت باال و يك شكل درجه حرارت

.درصد است 10تا 5در اين رابطه تغيير شكل بازگشتي در حدود . دباش پايين مي

سينماتيك استحاله مارتنزيتي- 4-11

تعداد زيادي از فرآيندهاي مربوط به آلياژهاي حافظه دار، حاصل تشكيل و توسعه مارتنزيت

تي تغيير شكل بازگش(و تغيير شكل االستيك ) انبساط (در اينجا از تغيير شكل حرارتي . است

زيرا اين نوع تغيير شكل نسبت به تغيير شكل استحاله . شود صرف نظر مي) شبكه كريستالي

) .3-4(شكل .باشند مارتنزيتي بسيار جزئي مي

46

.سينماتيك استحاله مارتنزيتي. 3-4شكل

47

:فصل پنجم

بررسي آلياژهاي حافظه دار

48

ياژهاي حافظه دارروشهاي بررسي آل-5-1

بي تغيير حالت مستقيم يا برعكس، اندازه گيري درجه حرارتهاي تغيير حالت يا كالً جهت ارزيا

. شوند اي آلياژهاي حافظه دار روشهاي عملي متعددي بكار گرفته مي فهم مكانيزمهاي پايه

: ارتند ازها عباين روش. شوند بعضي از اين روشها بطور دائم در متالورژي فيزيكي استفاده مي

يا الكترون، اندازه گيري سختي در اشل x، تفرق اشعه 1كترونيميكروگرافي نوري يا ال

.....ميكروسكوپي، ديالتومتري،

از جمله امواج . اند روشهاي ديگري به خصوص در رابطه با آلياژهاي حافظه دار توسعه يافته

آزمايشات (DSC)اضلي روبشي آكوستيك، اندازه گيري مقاومت الكتريكي، كالريمتري تف

در درجه حرارت ثابت و يا متغير روشهاي پايه اي ...) كشش، پيچش، خمش (مكانيكي معمولي

. باشد جهت بررسي واكنشهاي ترمومكانيكي اين آلياژها مي

حاصل از تنش و توسعه ) امواج مكانيكي( 2پايه آن ثبت امواج اولتراسونيك: امواج آكوستيك ـ

كي انرژي داخلي حاصل يامواج اولتراسونيك در ارتباط با بخش دينام. رتنزيتي استسوزنهاي ما

جهت آناليز اين امواج از . باشد نتها ميدركنش بين واريانتها و آستنيت و بين خود واريا از ان

فعاليت اولتراسون بر حسب . شود يك گيرنده پيزو الكتريكي همراه با آمپلي فاير استفاده مي

.شود تحاله اندازه گيري ميپيشرفت اس

1 Electroni 2 Ulterasonic

49

بشي عبارت از اندازه گيري مقدار گرماي حاصل از واكنش اگرزترميك كالريمتري تفاضلي روـ

باشد، ضمناً انرژي مكانيكي تلف شده بصورت و يا گرماي جذب شده در واكنش برعكس مي

ين حالت واكنش، درا. باشد گرما در استحاله همراه با هيسترزيس نيز قابل اندازه گيري مي

در هنگام سرد و يا گرم شدن مقدار گرماي جذب و يا دفع شده . هميشه اگزوترميك خواهد بود

Q شوند و يك نمونه با استحاله مقايسه مي) مرجع(يك نمونه بدون استحاله.

انواع آلياژهاي حافظه دار و خواص مربوط به آنها-5-2

اي استحاله مارتنزيتي باشند آلياژ حافظه دار نيستند، بلكه براي حافظه دار همه موادي كه دار

خيلي ) هيسترزيس(بودن آين آلياژها الزم است استحاله مارتنزيتي بازگشتي باشد و پس ماند

اند در حال حاضر در بعضي مواد مانند پليمرها و فوالدها كه داراي حافظه. زياد نباشد

ولي در اينجا تنها از سه خانواده آلياژهاي حافظه داري كه به . هستندآزمايشگاهها تحت بررسي

] .4[.شود اند و كاربردهاي آنها توسعه يافته است صحبت مي مرحله توليد صنعتي رسيده

خواص آلياژهاي حافظه دار خصوصاً آنچه مربوط به استحاله مارتنزيتي است قوياً به تركيب

به همين دليل تغييرات جزئي در تركيب . بستگي داردشيميايي، ساختار و مكانيك مواد

به موازات مساله .شود اله به ميزان چندين درجه ميشيميايي موجب تغيير درجه حرارت استح

تري در شرايط مشكل...) نورد، كشش سيم، (تركيب شيميايي، استحاله در طي شكل دهي

نقش مرزدانه ها و بافت كريستالي در تغيير شكل سرد، . شود نسبت به مواد معمولي انجام مي

هاي پلي است كه نشانه اثر دانه بر طبيعت واريانتهاي فعال و اندركنش بين واريانها بررسي شده

توان استنباط كرد كه براي مي. كريستال بر پاسخ ترموديناميكي آلياژهاي حافظه دار است

50

بعضي مشكالت وابسته به هاي آستنيت در حل كاربردهاي مختلف، استفاده از تك كريستال

.شكل پذيري ضعيف پلي كريستالها يا گستره قابل توجه استحاله در اين مواد مفيد است

حافظه دار آلياژهاي يخواص ترمومكانيك-5-3

درصد و تغيير 1/0در يك فلز معمولي در حدود ) پذير بازگشت(تغيير شكل االستيك خطي

با حرارت دادن فلز تغيير شكل . ه دهها درصد برسدتواند ب مي) غير بازگشتي(شكل پالستيك

حذف عيوب (شود، حالت داخلي آن به حالت تعادل نزديك مي) تا دماي بازيابي و يا آنيل(يافته

تغيير . كند ولي شكل ظاري بدست آمده پس از تغيير شكل پالستيك تغيير نمي) ساختاري

درصد به ازاي هر درجه 001/0د درجه حرارت موجب تغيير شكل حرارتي بازگشتي در حدو

واكنش آلياژهاي حافظه دار در مقابل بارگذاري ترمومكانيكي نسبت به فلزات . خواهد شد

بر حسب تعداد، ماهيت توالي سيكلهاي بارگذاري ترمومكانيكي . معمولي كامالً متفاوت است

رتنزيتي دخالت واكنشهاي مربرط به مكانيزمهاي فيزيكي مختلف كه در همه آنها استحاله ما

: اين مكانيزمها چهارنوعند. شوند كند متمايز مي مي

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

آستنيتي

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

آستنيتي

تها توسط تنش خارجي نجهت يابي مجدد غير بازگشتي واريا -3

يابي جزئي و بارگشتي واريانتها توسط تنش خارجي جهت -4

51

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

:شوند مي

فوق «يا » فوق حرارتي «از خصوصيات آن بدست آمدن تغيير شكل : فوق ترمواالستيسيته ـ

د چند درصد استدر حدو» االستيك

عبارتست از ظرفيت يك آلياژ حافظه دار جهت پيدا كردن شكل اوليه : حافظه يك جهتي ـ

. گيرد ل چند در صد تغيير شكل كه در سرما صورت ميخود با گرم كردن، بعد از اعما

عبارت است از ظرفيت آلياژ حافظه دار جهت آموزش به طريق بازگشتي از : حافظه دو جهتي ـ

كل در درجه حرارت پايين به شكل درجه حرارت باال با گرم كردن و يا سرد كردن، يك ش

.تغيير شكل توصيف كننده تعويض شكل بين حالت دما باال و دماي پايين است

در رابطه با حركت بازگشتي واريانتهاي مارتنزيت است كه تردي كمتر آلياژ : اثر كائوچويي ـ

استحاله مارتنزيتي داراي . رساند ل االستيك معمولي را ميحافظه دار نسبت به مواد با مدو

ميرايي مكانيكي را توصيف مكانيزمهاي مختلف اتالف انرژي است كه توانايي مهم آلياژ در

. كند مي

توان چنين استنباط كرد كه حافظه شكل در آلياژهاي حافظه دار تنها يكي از وجوه رفتار مي

گيرد كاربردهاي آلياژهاي حافظه دار كه در بخشهاي در بر مي ترموديناميكي متنوع و مختلف را

. شود اين رفتار متنوع را توصيف خواهد كرد بعدي بحث مي

52

فوق ترمواالستيسيته در آلياژهاي حافظه دار-5-4

تغيير شكل فوق ترمواالستيسيته در رابطه با تشكيل مارتنزيت جهت يافته توسط تنش اعمال

.تكميل استحاله با تغيير تنش و يا درجه حرارت امكان پذير استادامه و . است شده

شود، در نخستين استفاده مهم صنعتي از اين پديده كه در آلياژهاي حافظه دار مشاهده مي

جم زيرا در صنايع فضايي يكي از محدوديتهاي مهم ح. بود (NASA)صنايع فضايي آمريكا

مخابراتي حجم عظيمي دارد، كه با استفاده از آلياژهاي ماهوارهاي مثالً آنتن . باشد تجهيزات مي

.گيرند مراحل به ترتيب زير انجام مي. شود حافظه دار ساخته مي

شود كه در اين دما آلياژ بصورت ساخته مي C650تيتانيم در دماي –حلقه سيم نيكل -1

.باشد مي) ( فاز بتا

.شود آغاز مي C60زيتي با استفاده از سرد كردن حلقه در حدود استحاله مارتن -2

.شود استحاله مارتنزيتي كامل مي C52در دماي -3

.شود آنتن در فاز مارتنزيت ساخته مي -4

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

پس از قرار ) C71=ASدر دماي (شروع استحاله مارتنزيت به آستنيت در اثر گرم كردن -6

سيستم گرم كننده به همراه . گيرد ن ماهواره در مدار كه توسط يك گرم كننده انجام ميفتگر

.شود ساير تجهيزات ارسال مي

نيتي كامل شده و آنتن شكل اوليه و مطلوب خود را باز استحاله آست) C77(در دماي -6

.يابد مي

53

درآلياژهاي حافظه دار كظرفيت استهال-5-5

معروف است، حاصل استحاله غير » اصطكاك داخلي« استهالك مكانيكي اين مواد كه به

باشد بارگشتي انرژي مكانيكي به انرژي حرارتي تلف شده مي

. شود است نشان داده مي Fكه عكس Qسيله فاكتور كيفيت اغلب به و Fاصطكاك داخلي

اصطكاك داخلي به درجه حرارت، فركانس، ميزان تغيير شكل، مواد و حالت داخلي آن بستگي

در رابطه با آلياژهاي حافظه دار برحسب تغيير شكل سه محدوده كه در آنها اصطكاك . دارد

.است هداخلي مقادير مختلفي پيدا خواهد كرد شناخته شد

حافظه دارآلياژهاي درتضعيف خواص -5-6

آنها كاركرد اربردهاي گسترده است كه در اكثرستثنايي آلياژهاي حافظه دار داراي كخواص ا

اين استحاله هاي . شود مي هاي استحاله هاموجب تحمل تغييرات تكراري فازآلياژ سيستم

.باشد مي حافظه دارآلياژهاي تكراري مرجع تغييرات قابل توجه در رفتار

همچنين در طي . مقاومت به خستگي يكي از مشكالت اساسي مشاهده شده در اين مواد است

تحت تاثير اين مواد زمان عدم استحاله، كه آلياژ در حرارت مشخص قرار دارد خصوصيات اوليه

اژ در دومين مشكل كه مربوط به پيرشدن است محدوديتهاي مهمي را براي آلي. گيرد قرار مي

.برخواهد داشت

54

مقاومت به خستگي در آلياژهاي حافظه دار -5-7

در مواد كريستالي معمولي مرجع خستگي فرآيند هاي مكانيكي مربوط به تغييرات سيكلهاي

تحليل توسط ميكروسكوپ الكتروني نقش تغييرات ساختاري در رفتار را ثابت . بارگذاري است

و حضور مرزدانه ها در مواد پلي ...ها، نظم گرفتن نابجايي ها افزايش چگالي نابجايي. است كرده

: اند دو نوع شكست متمايز شده. كريستال مرجع ديگري جهت شروع شكاف و اشاعه آن است

زمهاي نيبر حسب وضعيت ساختاري آلياژ مكا. شكست بين دانه اي - 2اي شكست ميان دانه -1

مكانيزم خستگي معمولي فاز آستنيت در دامنه اولين مدل. شوند مختلف شكست، فعال مي

پايداري آن است، مدل دوم در رابطه با تشكيل فاز مارتنزيت تحت تنش و مدل سوم در رابطه

.يابي مجدد واريانتهاي مارتنزيت در دامنه پايداري اين فاز است با مكانيزم جهت

حرارتي تحت تنش سيكل مثالً. در اغلب اوقات مكانيزمهاي مختلف همزمان دخالت دارند

. شود نتيجه اينكه تحليل فرآيندهاي خستگي پيچيده مي. اعمال شده يكي از اين موارد است

و ، تغيير شكل، تنش اعمال شدهTدما : الزم است چند متغير به حساب آوده شوند

. MSدماي اوليه استحاله

ثابتهاي آنيزو تروپي االستيك، رسوب (صوصيتهاي متالورژيكي نيز دخالت دارند همچنين خ

با توجه به تعداد زياد پارامترهايي كه بر طول عمر خستگي آلياژهاي حافظه ... ) فازهاي ترد و

. دار موثرند توصيف عجوالنه اين رفتار گمراه كننده خواهد بود

55

دار محاسبه سازه ها در آلياژهاي حافظه-5-8

كاربرد آلياژهاي حافظه دار در جامد داراي شكل هندسي ساده مثل نمونه آزمايش كشش و

اغلب اوقات با شكلهاي هندسي . بارگذاري تك محوري يا حالت يكنواخت دما نادر است

پالستيك اگر چه در قطعات با رفتار االستو. پپيچيده تحت تغييرات ترمومكانيكي سرو كار داريم

حله اول هدف محدود نمودن تنشها به منظور پيشگيري از شكست ناگهاني در اثر سنتي در مر

خستگي يا انهدام االستوپالستيك است، هنگام محاسبه سازه ها در آلياژهاي حافظه دار الزم

توانند به طور همزمان به عنوان اين مواد مي. است پاسخگويي به اهداف بزرگتري حاصل شود

شايسته است بتوان با بيشترين دقت ممكن پاسخ . ستفاده شوندگيرنده و فعال كننده ا

را توصيف ) افزايش طول يا چرخش (و متغير سينتيك مزدوج ...) نيرو، دما،(ترمومكانيكي

.كرد

يك فنر حلزوني و يك تير منعطف در حالت اول رابطه رفتار : دو حالت ساده را در نظر بگيريم

اين . است Tو دما F، نيروي اعمل شده باط افزايش طول فنر براي استفاده كننده رابطه ارت

:رابطه به عوامل زير بستگي دارد

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

در رابطه g, B A(f)، پارامترهاي Mfو MSدماي : ـ رفتار مواد حافظه دار

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

56

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

اين امر خود در بروز يا محدود نمودن فرآيندهاي .شوند، تعيين گردند ماكروسكوپي مهار مي

بحث تير منعطف نيز به همين نتيجه . شكست خستگي يا پير شدن ترمومكانيكي موثر است

:متغيرهاي ماكروسكوپي توصيف كننده سيستم عبارتند از) 1-5(شكل . شود منتهي مي

. T، دماي Aتير در S، پيكان Aبه تير در Fـ نيروي اعمال شده

.متغيرهاي ماكروسكوپي توصيف كننده سيستم . 1- 5شكل

عنوان سازه هاي اوليه حافظه دار فنر و تير به

تعيين پارامترهاي مورد استفاده در سازه ها –

نيم حافظه دار دوتايي نيكل تيناي فرآيندها و كنترل كيفيت آلياژها

مواد حافظه دار در در حالت حاضر مهمترين NiTiس سيستم بين فلزي آلياژهاي دوتايي براسا

اين واقعيت ها آشكارا . اغلب خصوصيات نيتينول به شدت، به دما بستگي دارد .بازار هستند

دهند، زيرا در ، براي آلياژهاي نيكل تيتانيم را نشان مي اهميت مفهوم كنترل كيفيت پيشرفته

57

موضع بازار براي اين مواد منحصر به صورت دستيابي به تولرانسهاي سفت و دقيق، موقعيت و

.هاي پزشكي بسيار جالب و اميدوار كننده خواهد شد فرد در زمينه ايمپلنت

توليد و پردازش نيتينول-5-9

(FIM)1در خالء ل امروزه با فرآيندهاي ذوب مرسوم، مانند ذوب القاييتوليد محصوالت نيتينو

استفاده از مواد اوليه با درجه خلوص باال با(VAM) 2و يا ذوب قوس الكتريكي در خالء

هاي توليد شده توسط ذوب القائي شمش. گردد مخصوصاً عاري از كربن و اكسيژن انجام مي

مزيت اصلي فرآيند ذوب القائي . شوند درون بوته گرافيتي و يا بوته خنك شونده با آب، ذوب مي

. شود سمت ذوب شده انجام ميها است كه به واسطه جريان همرفتي، در ق يكنواختي شمش

همچنين آناليز تركيب شيميايي مذاب در طي فرآيند ذوب به وسيله نمونه گيري از قطعه

تنظيم دماي در اين صورت آلياژ كردن نيكل و تيتانيم براي تعديل و. گردد امكان پذير مي

] .5[شود استحاله ميسر مي

ن عناصر آلياژي در هنگام فرآيند ذوب در فرآيند ذوب قوس الكتريكي به وسيله اضافه كرد

توان دماي استحاله را به خوبي شود، مي مجدد، كه براي يكنواخت كردن شمش انجام مي

به واسطه استفاده از بوته و امكان ذوب مجدد، شمشهاي حاصل از ذوب قوس . تنظيم نمود

راي درجه خلوص الكتريكي در رابطه با ناخالصي هاي فلزي نسبت به شمشهاي ذوب القائي دا

شوند، كار هايي كه در شمشهاي نيكل تيتانيم مشاهده مي مهمترين ناخالصي. باشند بهتري مي

.باشند، و بايد با دقت كنترل شوند، كار بايدها معموالً بسيار ترد هستند بايدها و اكسيدها مي

1 Vacunm induction melting 2 Vaxuum arc melting

58

اين ذرات باعث آغاز شكست در قطعه . شدبا و باالتر مي m10، در حد ابعاد ذرات آنها بزرگ

سازند كه مسائل جدي را در طول فرآيند ساختن اشكال شده و خواص مكانيكي را متاثر مي

.كنند مختلف مانند سيم و يا لوله هاي جدار نازك ايجاد مي

معموالً در . باشند يو به شكنندگي كار بايدها نم m5-1اكسيدها از نظر ابعاد كوچكتر هستند

ولي اين امر اهميت . توان جلوگيري كرد فرآيندهاي استاندارد توليد، از ظاهر شدن اكسيدها نمي

از طرف . باشد زيادي ندارد، زيرا اثر اكسيدها بر خواص مكانيكي بسيار كمتر از اثر كار بايدها مي

را تحت تاثير قرار دهند، زيرا آنها توانند تعادل شيميايي در آلياژ ديگر، اكسيدها و كاربايدها مي

عث و به دليل تغيير تركيب شيميايي با) بيشتر از نيكل( كنند تيتانيم را از زمينه آلياژ خارج مي

مثالهاي فوق، اهميت كنترل مقدار ناخالصي به همراه تعادل . گردند كاهش دماي استحاله مي

د با كيفيت معمولي داراي كمتر ازشمشهاي استاندار. دهند شيميايي آلياژها را نشان مي

ppm 600 - 500 اكسيژن كمتر ازppm 300 د كه وش است در نهايت چنين استنباط مي

اولويت كنترل تركيب شيميائي جهت بدست آوردن شمشهاي با تركيب شيميايي مورد نظر

.ضروري است

شيميائي آلياژهاي شود كه بخواهيم دامنه تغييرات تركيب تر مي اين ضرورت هنگامي روشن

نيتينول را جهت مقايسه با بازه تغييرات دماي استحاله در نظر بگيريم، و به حساسيت باالي

اتمي در % 1/0نيتينول نسبت به كوچكترين انحرافات در تركيبات شيميايي پي ببريم، تغيير

به . خواهد شد C15- 5تيتانيم باعث تغيير دماي استحاله شمش به اندازه/ نسبت نيكل

ت ضروري است كه آلياژهايي با به نيازهاي به نيازهاي بدن انسان بعضي از اوقا منظور رسيدن

.و يا حتي كمتر ساخته شوند cتلراسهاي دماي استحاله

59

. شود مي سازه ريخته گري شده نيتينول در تغيير شكل گرم، مانند نورد و آهنگري شكل داده

ادامه % 45شود اين فرآيند به وسيله كارسرد حداكثر تا انجام مي C950و C850اين كار بين

).2-5(شكل .يابد مي

. مراحل توليد سيم نازك از شمش نيكل تيتانيم . 2- 5شكل

اال و تجارتي ، از روش ذوب و ريخته گري استفاده براي توليد آلياژ هاي حافظه دار درتناژهاي ب

.مي شود

عمليات ترمومكانيكي و خواص مربوط به آن- 5-10

از نقطه نظر متالورژي عمليات ترمومكانيكي در كنار تركيب شيميايي يكي از مهمترين

ي عمليات ترمومكانيك. باشد فاكتورها براي كنترل خواص و عملكرد آلياژهاي حافظه دار مي

شامل تغيير شكل سرد در طول نورد سرد و يا كشيدن سيم و عمليات حرارتي متعاقب

گامهاي بعدي ممكن بعنوان مثال، يش كرنش گذاري و سري فرآيند آموزش در . باشد مي

60

به منظور مشخص كردن فرايند ترمومكانيكي عوامل . باشد ساخت آلياژ حافظه دار دو جهته مي

:ند از جملهوش بسياري در نظر گرفته مي

.درجه تغيير شكل در طي كار سرد -1

مدت و دماي عمليات حرارتي -2

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

...)ها و رسوب

). در طول سري فرآيندهاي آموزش(ترتيب عمليات حرارتي نهائي و مراحل تغيير شكل -4

ابزار پزشكي، خواص عملكردي ممكن است بسيار متغيير و پيچيده باشد براي يك ايمپلنت و يا

ضروري است كه تعداد كل خواص عملكردي به موارد زير محدود شوند كه در بسياري از

:شوند كاربردهاي پزشكي استفاده مي

دماي استحاله -1

االستيك هم در دماي بدن و هم در دماي اتاق تنش ماكزيمم اثر فوق -2

يمم هم در دماي بدن و هم در دماي اتاق كرنش ماكز -3

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

الزم به ذكر است، عمليات ترمومكانيكي به كار رفته به طور قوي خواص ساختاري مانند خواص

همانطور كه تعداد خواص عملكردي . دهد عملكرد يك تركيب نيتينول را تحت تاثير قرار مي

د برسد، محدود نمودن موارد تقاضا براي كاربرد مربوطه اهميت ورم 10است به بيشتر از ممكن

دهند و اين امر مخصوصاً در آلياژهاي غني از نيكل كه رسوب سختي نشان مي. كند پيدا مي

هاي پيچيده ريز ساختاري دارند، صحت دارد اين فرآيندها با مرحله ترمومكانيكي شروع واكنش

هاي تركيبي آستنيت را بر پايه بسيار مهم است زيرا شناخت انواع مختلف واكنش شوند، كه مي

:نمايد وجود يا عدم وجود موارد زير، امكان پذير مي

61

بنابجايي هاي محل جوانه زني رسو -1

محلول جامد فوق اشباع -2

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

استحاله فاز -4

از پارامترها همديگر را به شدت تحت تاثير قرار ) و حتي مقداري بيشتر (وارد تمام اين م

اثرات ريز ساختاري ممكن است همزمان يا به طور متوالي ظاهر شوند وهر يك از آنها . دهند مي

.عامل ايجاد خواص عملكردي متفاوتي باشند

تعريف عبارات- 5-11

طه با محصوالت صنعتي مانند صنايع پزشكي، آلياژهاي حافظه دار در موارد مختلفي در راب

تجهيزات بسيار حساس مانند ميكرو سيستمها، ماهواره ها و يا كامپيوترها و حتي در موارد كم

به همراه مردم، دانشگاه ها، . روند اهميت تر مانند اسباب بازي يا كاالهاي مصرفي به كار مي

د، اين امر اغلب باعث آشفتگي در تعريف مراكز تحقيقاتي و توليدي با نيتينول سروكار دارن

زيرا ارتباط بين برداشتهاي گروه هاي مختلف فني در رابطه با اين مواد مشكل . گردد عبارت مي

شوند و ممكن است تفسيرها در رابطه با است بسياري از اثرات با يك عبارت واحد ناميده نمي

مدول يانگ يك ماده فوق االستيك براي مثال . بسياري از خواص مواد تطابق نداشته باشد

توان به وسيله انجام يك آزمايش كشش ساده روي ماده تعيين و تعريف نمود نيتينولي را نمي

گردد كه مشخص مي. زيرا مدول يانگ در مقايسه با آلياژهاي مرسوم، شكل پيچيده تري دارد

دادن مدول يانگ دو شكل احتمالي در شرح و بيان مدول يانگ وجود دارد و همه در جلوه

62

كنند و هيچ كدام از آنها احساس درستي را در هنگام استفاده در معادالت براي كمك مي

.دهند تركيبات نيتينولي بدست نمي

اندازه گيري خواص عملكردي وابسته- 5-12

هاي خواص عمكلردي مهم، مانند دماي استحاله، كرنش استحاله به منظور تضمين اندازه گير

دو آزمايش مختلف . اند ر بودن اندازه گيري و يافتن معيار صنعتي واحد، استاندارد شدهقابل تكرا

هاي گرماسنجي عالوه بر روش. روند براي اندازه گيري دماي استحاله نيتينول به كار مي

از روشهاي انبساط سنجي، اندازه گيري مقاومت و حتي (DSC)) كالريمتري روبشي تفاضلي (

در زمينه تجهيزات پزشكي اندازه گيري دماي آستنيتي براي . دهند ست ميتست مختلفي را بد

اين امر، تعداد پارامترهاي . است مشخص كردن خواص گرمايي بصورت وسيعي پذيرفته شده

اگر چه در زمينه كاربردهاي پزشكي روشهاي آزمايش . دهد ا به طور موثر كاهش ميروابسته

اده شده كه روش عملي و قابل اطمينان، روش اندازه مختلفي وجود دارند در گذشته نشان د

. دهد باشد كه تحوالت قطعه نيتينولي در مقايسه با قطعه مرجع را نشان مي مي (DSC)گيري

كند كه در رابطه با در طي استحاله فاز دماي نمونه نيتينول در مقايسه با نمونه مرجع تغيير مي

هاي خمش در شرايط نهايي ماده همچنين آزمايشباشد مشخصه درون گرمايي استحاله فاز مي

خم Mfقطعه در دماهاي كمتر از . شود روند كه معموالً در حمام آب گرم انجام مي به كار مي

، بازيافت شكل Asهنگام رسيدن به دماي فعال . شود شده وبا گراديان دمايي ثابت گرم مي

DSC يهاولي حتي اگر اندازه گيري .شود كامل مي Afافتد، و تا رسيدن به دماي اتفاق مي

قطعات در آزمايشگاه هاي مختلف انجام شود اختالفات جدي در نتايج به وجود خواهد آمد، كه

63

اصوالً غير قابل پذيرش هستند بنابراين ضروري است، اندازه گيري دماي استحاله فعال با

با A ري دماي آستنيتاستفاده از روشهاي خمش يا انبساط سنجي، و هم زمان با اندازه گي

.در شرايط نهايي ماده، انجام شود DSCاستفاده از روش استاندارد

تيتانيم روئين شده –مقاومت خوردگي و سازگاري زيستي نيكل - 5-13

داراي مجموعه اي منحصر به فرد از ) نيتينول(تيتانيم، با در صد اتمي مساوي –آلياژ نيكل

وجه باشد كه براي كاربردهاي پزشكي مورد ت ظه شكلي مياالستيسيته و حاف خواص، شامل فوق

نپزشكي و ارتوپدي براي تيتانيم به عنوان ايمپلنت در دندا –نيكل. خاص قرار گرفته است

مينه ها تاثير چندين دهه گذشته به كار رفته است و در بهبود و پيشرفت هاي اساسي در اين ز

نيكل هستند كه براي تغذيه و ppm 1/0بافت هاي انسان تقريباً شامل . بسزايي داشته است

.باشد تعادل بيولوژيكي بدن ضروري مي

تيتانيم براي ايمپلنت هاي پزشكي به واسطه -محدوديتهاي موجود در مورد استفاده از نيكل

مقاالت مرجعي است كه مقاومت خوردگي متوسط و سازگاري در كشت سلولي را گزارش

–اند، اگر چه مطالعه دقيق اين مراجع روشن ساخته كه تاريخچه فرآيند توليد نيكل هداد

. اند تيتانيم و شرايط سطح اين آلياژ اغلب به خوبي ارائه نشده

تيتانيم مستلزم –بديهي است كه بهينه سازي خواص مكانيكي و حرارتي در آلياژهاي نيكل

يا ترمو مكانيكي مقاومت خوب به ازي فرآيندهبهينه س. باشد كنترل فرايندهاي توليد مي

هاي مورد مصرف در 1كند تا ضروريات ايمپلنت بستگي و خواص مكانيكي عمومي را تامين مي

1 Emplent

64

به طور مشابه، به منظور باال بردن مقاومت خوردگي و تطابق . سازه هاي پزشكي بدست آيند

.باشد ميزيستي ماده، عمليات تغيير سطح با هدف سازگاري آن ضروري

آزمايش خوردگي فعال- 5-14

معموالً اطالعات و دانش فني در رابطه با رفتار خوردگي مواد جديد بر پايه مقايسه تجربي آن با

اما . شوند موادي است كه در حال حاضر براي كاربرد خاصي در بدن مناسب بوده و استفاده مي

كترو شيميائي مواد جديد، به صورت در واقع هر آزمايش خوردگي، يك مقايسه محدود خواص ال

با ماده اي است كه در حال حاضر مورد استفاده (in vitro)آزمايشگاهي در خارج از بدن انسان

.كلينيكي قرار گرفته است

پتانسيو استات يك اسباب الكترونيكي با تقويت كننده تفاضلي و وسايل پيچيده الكترونيكي

را در مقايسه با الكترود ) نمونه تحت آزمايش (لكترود است كه اجازه مي دهد تا پتانسيل ا

سينگنال ورودي به پتانسيو استات يعني اختالف . مرجع در هر مقدار دلخواه ثابت نگهداريم

و الكترود مرجع، با پتانسيل داده يا ) الكترود كنترل كننده يا كار كننده (الكترود پتانسيل بين

اگر اختالف بين دو پتانسيل از . شود گردد، مقايسه مي مي پتانسيلي كه توسط فرد عامل انتخاب

مشخص شده تجاوز كند، جريان خروجي الزم 1نسيو استات ولتي كه براي پتا حد چند ميلي

توسط پتانسيواستات بين الكترود عمل كننده و الكترود كمكي يا الكترود شمارشگر بر قرار

. ار مورد نظر ثابت باقي بماندشود تا پتانسيل الكترود عمل كننده در مقد مي

1 Petansiostat

65

با قرار دادن . شود اين عمل، براساس نوع پتانسيواستات در چند ميلي يا ميكرو ثانيه انجام مي

توان جريان آمپر سنج يا دستگاه اندازه گيري، جريان مناسب در مدار الكترود كمكي، مي

جريان دقيقاً، معادل سرعت اين. الكترود را بطور پيوسته در هر پتانسيلي اندازه گيري نمود

كه همان (E-I)پتانسيل –براين منحني جريان افتد و بنا فرايندي است كه در الكترود اتفاق مي

. است رسم خواهد شد 1منحني پالريزاسيون

:پالريزاسيون ممكن است به سه روش مختلف زير انجام شود

.شود زمان رسم مي -الكترود در پتانسيل ثابت قرار گرفته و تغييرات جريان -1

پتانسيل الكترود را مقداري افزايش داده و مقدار جريان را دقيقاً پيش از افزايش پتانسيل -2

.معروف است2استاتيك نسيو اين روش تحت عنوان روش پله اي پتا. رسم كنند

پتانسيل را بطور پيوسته تغيير داده و مقدار جريان را در ضمن تغييرات پتانسيل رسم كنند -3

.مشهور است3بعنوان روش پتانسيل مداوم يا گاهي اوقات پتانسيو سينتيك كه

آيد، با هر دو نوع منحني پالريزاسيون كه توسط روشهاي پله اي يا مداوم بدست مي

توانند اطالعاتي هاي پالريزاسيون مي منحني. هاي پالريزاسيون حقيقي مشابه هستند منحني

چگالي جريان براي هر پتانسيل معين، نشانگر سرعت . ارنددرباره ناحيه روئين دراختيار بگذ

روش پالريزاسيون پتانسيو استاتيك براي بررسي . باشد اكنشي است كه در حال انجام ميو

چهار ناحيه مهم در منحني پالريزاسيون وجود دارد در . خوردگي بسيار با ارزش است

فلز بعنوان كاتد بوده و جريان منفي پتانسيلهاي بسيار منفي ناحيه تصادعد هيدروژن است كه

1 Polarization 2 Petansiostatick 3 Petansiosinitick

66

شود، جريان كاهش يافته و مي) مثبت(وقتي كه پتانسيل بتدريج نجيب . كند از آن عبور مي

شود پتانسيل مدار باز يا پتانسيل خوردگي در نقطه اي واقع است سرانجام آندي يا مثبت مي

هيچگونه جريان خارجي در اين نقطه وجود. كند كه منحني، خط شدت جريان صفر را قطع مي

) انحالل فلز(افتد، زيرا سرعت كل اكسيداسيون شود ولي خوردگي هنوز اتفاق مي مشاهده نمي

.برابر است) احياء يون هيدروژن به گاز هيدروژن(با سرعت كل احياء

ال نيستند بنابراين منتجه جريانيفعبا توجه به اينكه در اين نقطه هيچكدام از فرايندهاي فوق

با افزودن بيشتر پتانسيل، جريان . شود در منحني پالريزاسيون پتاسيو استاتيكي مشاهده نمي

شويم كه در آن انحالل آزاد فلز بصورت يون اتفاق فعال وارد مي) ب(افزايش يافته و به ناحيه

رسد الكترود داراي وقتي كه پتانسيل به مقدار پتانسيل ابتدائي روئين شدن مي. افتد مي

گردد كه ماكزيمم سرعت واكنش فلز در آن محلول، مخصوص ترين مقدار چگالي جريان ميباال

شويم كه شدت جريان بسيار سرانجام در پتانسيلهاي بسيار نجيب به ناحيه اي وارد مي. است

. دوش كم است، ناحيه روئين كه در آن ناحيه، با تغيير پتانسيل تغييري در جريان مشاهده نمي

يابد ناحيه باره افزايش مي اي بسيار نجيب تر در اثر تصاعد گاز اكسيژن جريان دوه در پتانسيل

شود اما ماوراء روئين شدن كه براي مثال در تصاعد اكسيژن غالباً ناحيه ماوراء روئين ناميده مي

عبارت از يك قله بلند آندي است كه به آرامي بطرف . شود مورد فوالدهاي ضد زنگ مشاهده مي

.يابد صاعد اكسيژن تمايل ميناحيه ت

بررسي شكل منحني پالريزاسيون پتانسيو استاتيك اطالعات مفيد فراواني در رابطه با چگونگي

قسمت خطي منحني جريان پتانسيل يا ناحيه تافل بعنوان . گذارد انجام واكنش در اختيار مي

. شود تافل ناميده ميرفتار تافل معروف است و شيب منحني پالريزاسيون در اين ناحيه ثابت

شيب نواحي كاتدي و آندي در نزديكي پتانسيل مدار باز يا پتانسيل خوردگي نشانگر نوع

67

به اين معني كه واكنش، تحت كنترل آندي يا كاتدي و يا . د باش كنترل بكارگرفته شده، مي

.تركيبي از اين قرار دارد

رفتار خوردگي غير فعال- 5-15

توان ر حالت غير فعال در محيط فيزيولوژيكي شبيه سازي شده ميهاي انحالل د با بررسي

تاثير محيط بر روي ابزار و . شروع فرآيند خوردگي و انتشار آن را بررسي و تشخيص داد

تواند با ارزيابي ظاهري و يا تصوير برداري بوسيله ميكروسكوپ الكتروني نمونه ها ايمپلنت مي

همچنين تاثير وسيله بر روي . اند، انجام گردد دا شدهكه در فواصل زماني معين از محيط ج

تواند توسط آناليز محصوالت يوني حاصل شده از ابزار، با روشهاي پالسماي القائي و محيط مي

.يا طيف جذبي اتمي انجام شود

تاثير اليه سطحي بر مقاومت خوردگي- 5-16

دهد اليه تيتانيم روئين شده نشان مي –نتايج تحقيقات انجام شده در رابطه با سطح آلياژ نيكل

است و مشابه آن چيزي است كه در آلياژهاي تيتانيم (TiO2)سطحي ترجيحاً اكسيد تيتانيم

انرژي آزاد تشكيل رابطه با اختالف شود اين مطلب با تئوريهاي ترموديناميكي در يافت مي

TiO2يم مطابقت دارد اين اليه اكسيد نسبت به اكسيد نيكل و يا ساير اكسيدهاي تيتان

:كند سطحي دو هدف را تامين مي

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

68

ايجاد سد فيزيكي و شيميائي بر سر راه اكسيداسيون نيكل با بستن گذرگاه هايي كه ممكن ) 2

.است نيكل از آنها عبور كند

نيكل و سازگاري زيستيآزاد سازي - 5-17

از آنجا كه آزاد سازي نيكل در طي كاربرد آلياژهاي نيكل دار در محيط هاي زنده يكي از

باشد، چندين طرح مطالعاتي موضوعات مهم براي استفاده اينگونه مواد به عنوان ايمپلنت مي

ثال بارت و براي م. اند عهده دار بررسي و اندازه گيري ميزان نيكل حل شده در محيط شده

كه به وسيله توليد كننده ارائه (تيتانيم –هاي خميده نيكل سازي نيكل از سيمزاد آ بيشارا

هاي آزمايشگاهي به اين ل را مورد بررسي قرار داده اند و در طي يك مطالعه در مد) است شده

، بيماران نتيجه رسيدند كه وسايل و ابزار آالت فوالد زنگ نزن و نيكل در يك مطالعه ثانويه

تيتانيم استفاده شده بود، غلظت نيكل در خون آنها براي مدت –ارتودنسي كه از وسايل نيكل

اين مدت در خون ماه اندازه گيري شد، نتايج هيچگونه افزايش مشخصي از نيكل را در طي 5

شد نن در محيط ردر يكي مطالعه مقايسه اي رشد سلول انساني به وسيله ريها.نشان نداده است

L316تيتانيم و فوالد ضد زنگ –ئوبالست، آزاد سازي نيكل از نيكلفيبرو بالست و است

تيتانيم در روز اول بيشتر –در هر دو محيط ، مقدار نيكل گروه نيكل . بررسي گرديده است

روز به همان مقدار 8بوده كه به سرعت بصورت تابعي از زمان كاهش يافته و بعد از گذشت

الزم به ذكر است اگر چه در اوايل آزاد سازي نيكل درگروه نيكل . رسيده است فوالد ضد زنگ

تيتانيم باالتر بوده، ولي به مقدار سمي نرسيد و تكثير سلولها يا رشد آنها در نزديكي سزح –

تيتانيم تنها به وسيله روش مكانيكي بدون هيچ نوع –ايمپلنت متاثر نشده اند در ادامه نيكل

69

عال سازي اضافي سطح، عرضه گرديده است، در عوض فوالد زنگ نزن طبق فرآيند غير ف

.شده اند 1دستورهايي كه به توليد كنندگان داده شد الكتروپوليش

تواند به سادگي توسط قابليت آن براي پذيرفته شدن در بدن سازگاري زيستي يك ماده مي

عنوان ايمپلنت با واكنش بدن در از آنجا كه بسياري از مواد در صورت استفاده به. تعريف شود

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

هر . نمايد ني را ارائه ميدهد تا عكس العمل هر سلول در محيط فيزيولوژيكي و سيستم ايم مي

. شوند تيتانيم، انجام مي –درك بهتر پاسخ بيولوژيكي به نيكلدو نوع آزمايش براي

مطالعات اخير بصورت آزمايشگاهي ، تفاوت خاصي بين رفتار رشد سلولي در نزديكي سطوح

يكي و فوالد پوليش مكان )تيتانيم –تيتانيم و نيكل(نشان نداده است، ايمپلنت هاي مواد مختلف

آناليز ميكروسكوپي نشان داده كه سلولها بسيار نزديك به . اند الكتروپوليش شده L316ضد زنگ

اند در حاليكه سلولهاي در حال رشد به تيتانيم رشد كرده –سطح آلياژهاي تيتانيم و نيكل

تيتانيم توان نتيجه گرفت كه نيكل به طور خالصه مي. اند فوالد زنگ نزدن كمتر نزديك بوده

دهد و پتانسيل بسيار بااليي براي كاربردهاي سازگاري زيستي خوبي را از خود نشان مي

همچنين نيكل تيتانيم غير فعال شده هيچگونه اثر سمي، . آزمايشگاهي و پزشكي دارد

.دهد بر روي خوك گينه نشان نمي memحساسيتي و يا فعاليت سم زايي را بر پايه تست

. غير فعال شده بدست آمده است L316اي گروه كنترل شامل فوالد زنگ نزن نتايج مشابهي بر

تيتانيم رفتار –در يك مطالعه ديگر تنها، تطابق ژني ماده، مورد بررسي قرار گرفت و نيكل 1 Electropolish

70

در كروماتين سلولي از خود نشان L316سازگاري زيستي مشابهي مانند تيتانيم و فوالد زنگ نز

.داده است

تيتانيم را در موش براي –ها به سيم ايمپلنت زير جلدي نيكل ترايت پاسخ بافتدر نهايت كا

روز بعد از كار گذاشتن ايمپلنت آغاز شده و 3هفته مورد مطالعه قرار داده، پاسخ فوري 9مدت

هفته مشاهده گرديده كه شامل شكل گيري كپسول فيبري در 2 -1فرآيند بهبود بعد از

هاي فوالدي ضد زنگ اين واكنشها، مشابه واكنش در مقابل سيم. ه استاطراف دو ايمپلنت بود

تيتانيم غير فعال شده را با قرار دادن –عالوه بر اين كاستلمن تطابق زيستي نيكل . باشد مي

ماه مورد ارزيابي قرار داد تحليل بافت 17تا 3ورقهايي در استخوان ران سگهاي تازي به مدت

كبالت - تيتانيم و كرم –ف ايمپلنت هيچ تفاوت مشخصي را بين نيكل اي در اطرا شناسي عضله

ل سازي نوترون در نزديكي ايمپلنت ها بيانگر عدم وجود نيكل فلزي آناليز فعا. نشان نداده است

بر پايه مشاهدات، آنها نتيجه گرفتند، اين ماده براي تست بعدي . در اطراف عضله بوده است

.باشد كامالً بي خطر مي

. تيتانيم انجام داده است –خيراً ترپانير يك مطالعه بر روي استنت هاي غير فعال شده نيكل ا

تا 3اي خرگوش و مطالعه واكنش عفوني آن براي يك دوره ايمپلنت مواد در عضله فوق مهره

آناليز كپسولهاي فيبري . تيتانيم ارائه داده است –هفته اي پاسخ بيولوژيك خوبي از نيكل 12

يك مطالعه . تيتانيم كاهش ضخامت با زمان را نشان داده است –طراف استنت هاي نيكل در ا

هاي نرم انجام هفته اي بر روي موشها براي ارزيابي اثر مواد مختلف بر روي بافت 26ادامه دار

تيتانيم پوليش شده مشابه –است در اين مطالعه، تطابق زيستي كوتاه مدت براي نيكل شده

Ti-6Al-4v اين مواد در تماس با . پوليش شده و فوالد ضد زنگ الكتروپوليش شده بوده است

71

اين نتايج، تطابق زيستي اميد بخشي را در ارتباط با بافت . عضله و بافت هاي عصبي بوده اند

.كند هاي نرم بيان مي

ه تيتانيم غير فعال شده مقاومت خوردگي بهتري را نسبت ب –براساس مقاالت فراوان، نيكل

نيكل تيتانيم به وسيله يك اليه اكسيد تيتانيم از خوردگي . باشد فوالد زنگ نزدن دارا مي

اين رفتار خوب در مقابل خوردگي از كاهش كيفيت اين ماده در محليطهاي . شود محافظت مي

براساس نتايج مطالعات . نمايد ئيد مي زيستي جلوگيري كرده وبنابراين تطابق زيستي آن را تا

. باشد تيتانيم در محيط بيولوژيك، بسيار كم مي –زان نيكل آزاد شده از آلياژ نيكلشده ميانجام

تر از مقدار سمي كه بسيار پايين(يابد حالليت نيكل به سرعت از يك مقدار ماكزيمم كاهش مي

. رسد و بعد از چندين روز شناوري درمحلول فيزيولوژيكي به مقدار غير قابل رديابي مي) است

تواند حتي با عمليات سطحي مختلف مانند الكترو پوليش تيتانيم مي –ومت خوردگي نيكل مقا

. گردد، بهتر شود كه باعث ايجاد يك اليه يكنواخت اكسيد مي

تيتانيم سازگاري زيستي خوبي –دهند كه نيكل ي و حيواني نشان ميمطالعات در مدلهاي انسان

هاي فيزيولوژيك اثرات سمي يا مسموميت ژني دهد و هنگام تماس با محيط را ارائه مي

تيتانيم غير فعال يا عمليات سطحي شده، –بنابراين نيكل . كند ايجاد نمي) ژنوتوكسيك(

تواند بعنوان ماده ايمپلنت بيولوژيك بي خطر با خواص مكانيكي منحصر به فرد مورد توجه مي

.قرار گيرد

تيتانيم -ظه دار نيكلقابليت باالي استهالك در آلياژهاي حاف- 5-18

. نيكي استتالف انرژي مكانيكي در سيستم هاي مكانات يكي از نمونه هاي بارز ااستهالك نوسا

رسد كه در نگاه اول به نظر مي. فرآيند استهالك براي مدت طوالني تحت مطالعه بوده است

72

در محاسبات اوليه العملي ديگر كوچك باشند و ني در مقايسه با نيروهاي عكسنيروهاي نوسا

ولي بايد توجه داشت كه در مواردي اثرات آنها به مراتب بيشتر از ساير . شوند در نظر گرفته نمي

كنند، ممكن است با پديده هاي خطرناكي نيروهاست و اجزاي ماشين كه تحت نوسانات كار مي

:توان به موارد زير اشاره كرد مواجه شوند كه از جمله آنها مي

دن عمر ابزارهاي مكانيكيكوتاه نمو -1

درعمل مشاهده شده . باشند نوسانات، عامل اصلي توليد تنش متغير در اجزاي مكانيكي مي

است كه تنش هايي به مراتب كمتر از تنش شكست قطعه، كه به صورت متناوب بر سازه وارد

اثر تنش اين امر به صورت شروع و رشد ترك در قطعه در. اند اند عامل شكست قطعه بوده شده

.شود متغير و در نهايت شكست نهايي قطعه توجيه مي

)تشديد(اثر رزونانس -2

هر سازه مكانيكي داراي فركانس طبيعي خاصي است كه اگر نيروي متناوبي با اين فركانس به

سازه اعمال شود دامنه نوسانات به شدت باال رفته و احتمال شكست و خرابي به شدت افزاش

.يابد مي

هاي بدن انسان ر بر ارگانيسماثرات مض -3

نوسانات در وسايط نقليه و ساير دستگاههاي مكانيكي كه انسان به طور مستقيم با آنها سروكار

لذا يكي از اهداف طراحان سيستم . هاي بدن داشته باشد تواند اثرات مضري بر ارگانيسم دارد مي

با توجه به اثرات مخربي كه . دباش ها، كنترل نوسانات منتقل شده به بدن مي تعليق اتومبيل

كنند، در مواقع ضروري طراحان با استفاده از هاي مكانيكي اعمال مي نوسانات بر سيستم

البته مستهلك كننده ها نيز انواع . نمايند ها اين نوسانات را مستهلك مي مستهلك كننده

تهالك ارائه مختلفي دارند كه تمام سعي طراحان بر اين است كه راههاي طبيعي براي اس

73

زيرا استفاده از . نمايند تا از كاربرد مستهلك كننده هاي مصنوعي تا حد امكان خودداري شود

تر كرده و همچنين خود مستهلك كننده ها ها را گران هاي مصنوعي پروژه مستهالك كننده

يده اين كار نيازمند دانش كمل در مورد پد. شوند باعث ايجاد اشكاالت فني در سيستم ها مي

توان از نظر فني مي. استهالك و اتالف انرژي مكانيز مهايي است كه تحت نوسانات قرار دارند

:كرد پديده هاي مستهلك كننده را به گروههاي زير تقسيم بندي

استهالك داخلي - 1- 5-18

شود كه اصوالً در رابطه با اين نوع استهالك به سازه داخلي ماده در حال نوسان مربوط مي

در اين پديده اثراتي مانند . صطكاك داخلي در بين ريز ساختارهاي تشكيل دهنده ماده استا

نفوذ مولكولي در داخل شبكه كريستالي و حركت نسبي بين كريستالها دخالت دارند استهالك

دهند، كه كمترين ها زياد نيست و فلزات استهالك كمي از خود بروز مي داخلي در اغلب سازه

موادي مانند چوب، بتون و پالستيك خواص . شود با شبكه بلوري ساده مشاهده مي آن در فلزات

1960نوعي از آلياژهاي جديد و خاص كه در دهه . دهند استهالكي بيشتري را از خود بروز مي

اند كه هدف اصلي اين اند نيز ميزان بااليي از اين نوع استهالك را از خود نشان داده كشف شده

در حالت كلي براي اين نوع . ن نوع استهالك و پارامترهاي موثر بر آن استفصل، بررسي اي

توان گفت ميزان استهالك به بزرگي تنش بستگي دارد و اتالف انرژي به صورت استهالك مي

همچنين استهالك داخلي به شدت، تحت تاثير دما . يابد غير خطي با افزايش تنش افزايش مي

تال استهالك داخلي به نوع عمليات حرارتي، تغيير شكل پالستيك كريس در مواد پلي. قرار دارد

. و شرايط سطح بستگي دارد

74

اي استهالك سازه- 2- 5-18

اين اجزا . پردازد اين قسمت به اتالف انرژي در سطوح تماس اجزاي سازه در محل اتصاالت مي

. شوند روسكپي ميبه دليل االستيسيته ماده و قابليت تغيير شكل آن دچار لغزش هاي ميك

محاسبات مربوط به استهالك به وسيله فرضيات ساده در تئوري مقاومت ماده، و اثر اصطكاكي

هاي تواند تاثير بسيار بزرگي بر روي سيستم اي مي استهالك سازه. شود كلمب انجام مي

ر به فرد هاي ابزار اين نوع استهالك تنها منبع منحص در بسياري از ماشين. مكانيكي داشته باشد

اي قوياً فركانس نوسانات را تحت بر خالف استهالك داخلي، استهالك سازه. استهالك است

.دهد تاثير قرار مي

استهالك در اتصاالت لغزنده - 3- 5-18

توان در اتصاالت با حركت نسبي مانند ياتاقان ها و خطوط راهنما اين نوع استهالك را مي

اين نوع استهالك . آيد خشك بدون روانساز به وجود مي مشاهده نمود اين حالت در اصطكاك

.شود به صورت خطي است كه در صورت افزودن روانساز به حالت غير خطي تبديل مي

استهالك هيدروديناميك و آيروديناميك - 4- 5-18

نيروي مقاوم به . شود حركت يك جزء در داخل مايع و يا گاز به وسيله اين اثر مستهلك مي

خواص چسبندگي مايعات را نيز بايد در . شود ود هوا در اغلب موارد ناديده گرفته ميواسطه وج

75

استاتيك استاتيك و آيرو هاي هيدرو ياتاقان هاي لغزشي، مستهلك كننده. نظر گرفت

.هايي از كاربرد اين نوع استهالك هستند نمونه

عوامل ريز ساختاري اصطكاك داخلي- 5-19

توان بوسيله مطالعات فيزيكي و تستهاي مكانيكي اك داخلي را ميعوامل ايجاد كننده اصطك

سرانجام . مانند اندازه گيري قابليت استهالك و در ادامه، تست ميكروگرافي قطعات بدست آورد

. گيرد تحليل نهايي به منظور بررسي ارتباط بين ريز ساختار و قابليت استهالك مواد انجام مي

:توان به صورت زير تقسيم بندي نمود شوند، مي اخلي ميكه باعث اصطكاك د راعواملي

مولكولها و اتمها تحت بارگذاري تمايل دارند به آرايش :در شبكه كريستالي ييبجاآرايش نا) الف

.تعادلي جديدي دست يابند

.وجود مولكولهاي خارجي در شبكه كريستالي) ب

).واص شبه چسبنده داردمنطقه سطح مشترك بين دانه ها خ(لغزش مرزدانه ها ) ج

گيرد، اگر دما در نقاط هنگامي كه يك نمونه تحت بارگذاري قرار مي :ماكروترمواالستيسته) د

اين بدين . مختلف بارگذاري اندازه گيري شود ممكن است تغييرات قابل مالحظه داشته باشد

. معني است كه جريان گرما و اتالف گرما به شدت به اتالف انرژي بستگي دارد

گيرد، هنگامي كه يك جسم تحت بارگذاري يا تنش سيكلي قرار مي: ميكروترمواالستيسيته) هـ

.شود در سطح مشترك مرز دانه ها شارژگرما مشاهده مي

76

توانند به آساني تحت الكترون هاي آزاد مخصوصاً در دماي پايين مي :اثرات الكتريكي) و

در اين حالت به واسطه مقاومت الكتريكي مواد بارگذاري و ايجاد پتانسيل تنش جابجا شوند و

.آيد در برابر جريان، حرارت به وجود مي

هاي گردابي اين اثر به صورت تغييرات ميدان مغناطيسي مواد جريان :اثرات مغناطيسي) ز

نيز در استهالك موثر است 1االستيسيته همچنين اثر مگنتو. باشد مي

.حركات نابجايي ها) ح

انرژي در طول بارگذاري سيكلي اتالف- 5-20

شان داده ن) 3-5(كرنش همانطور كه در شكل –منحني هيسترزيس شبه االستيك تنش

. كنند است از حالت هيسترزيس قابل توجه در طول بارگذاري و باربرداري پيروي مي شده

يير شكل بنابراين انرژي آزاد شده در طي باربرداري مشخصاً كمتر از انرژي اعمال شده براي تغ

اين رفتار اختصاصي هنگامي كه قرار است دامنه هاي . ماده است و اتالف انرژي كامالً باالست

يكي از كاربردهاي . تر است بسيار جالب) < 10-2(بسيار باالي نوسانات كرنش مستهلك شوند

هاي خواهند ساختمان ها و پل ها را در مقابل خرابي مهم مهندسي سازه اين است كه مي

شكل و ظرفيت ذخيره سازي همراه با ظرفيت باالي استهالك و . صل از زلزله مقاوم كنندحا

هاي انرژي سفتي مواد، خواص بسيار مهمي براي مواد بكار رفته در عايقهاي كف و جذب كننده

.باشند در ساختمان مي

1 Magneto Elasticity

77

استهالك الزم است جابجايي هر دو هاي شبه االستيك در ارتباط با ل در كاربرد حلقه بهر حا

قسمت مرتفع منحني در اثر افزايش دما و تنش به طرف مقادير باالتر كه موجب كاهش نسبي

همچنين دامنه و فركانس نوسانات اعمالي اثر قابل . گردد به حساب آيد توان استهالك مي

. توجهي بر ظرفيت استهالك دارد

.كرنش –ستيك تنش منحني هيسترزيس شبه اال. 3- 5شكل

تنش بحراني، c. رفتار تغيير شكل شبه االستيك طي اعمال تنش بر آلياژهاي حافظه دار

psel وel به ترتيب كرنش هاي شبه االستيك و اال ستيك هستند.(

78

استهالككرانش با –رابطه نمودارهاي تنش - 5-21

يابد، بعد از باربرداري به در مواد معمولي هنگامي كه جسم به صورت االستيك تغيير شكل مي

حالت اوليه برگشته و تمام انرژي خود را كه در اثر بارگذاري در آن ذخيره شده بود باز

. كرنش در حالت رفت و برگشت بر هم منطبق هستند –در اين حالت منحني تنش . گرداند مي

.شوند ونه بارز اين امر هم منطبق هستند و فنرها براين اساس طراحي و ساخته مينم

كرنش نشان دهنده –گيرد، مساحت زير نمودار تنش اي تحت كشش قرار مي هنگامي كه ميله

.انرژي پتانسيل ذخيره شده در واحد حجم ميله است

)5 -1(

o ff d.w

لذا اگر تنش در . انرژي ذخيره شده در واحد حجم ميله در هنگام بارگذاري است Wfكه در آن

: توان نتيجه گرفت نشان داده شود مي 6bمنحني باربرداري با

)5 -2(

o bb d.w

:در اينصورت ميزان انرژي غير بازگشتي بدست خواهد آمد

)5 -3 (

O bfbf d)(WWW

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

79

)5 -4 (

O f

O bf

d.

d)(

W

WQ

. كرنش برابر انرژي ذخيره شده است –مساحت زير نمودار تنش . 4- 5شكل

نكته اي كه بايد مورد توجه قرار گيرد اين است كه روابط فوق براي ميله اي كه تحت بارگذاري

ولي در مواردي مانند خمش تيرها كه تنش در . ادق استو باربرداري كششي قرار دارد ص

توزيع )5-5(در شكل . گردد حاالت االستيك و پالستيك متغير است وضعيت پيچيده تر مي

به منظور تحليل رابطه استهالك . تنش االستيك و پالستيك در مقطع تير نشان داده شده است

با توجه به رابطه حاكم بر . كنيم ميداخلي و تنش دو نقطه را در راستاي عرضي تير فرض

.تيرها داريم

.توزيع تنش االستيك و پالستيك در مقطع تير . 5- 5شكل

80

توزيع تنش در حاالت االستيك و پالستيك در مقاطع تير

)5 -5 (I

MYx

از تار خنثي در تير Yتنش كششي و يا فشاري در نقطه اي است كه به فاصله كه در آن

حال اگر . افتد ممان دوم سطح حول محوري است كه در آن خمش اتفاق مي Iو . قرار دارد

مقطع تير توزيع كرنش ها كوچك بوده و بصورت خطي در تير توزيع شده باشند تنش نيز در

:خطي خواهد داشت و با توجه به رابطه

E )5-6 (

باال نتيجه مي كرنش كششي تير است، از مقايسه روابط مدول االستيسيته و Eكه در آن

:شود

)5 -7 (EI

MY

و اين بدين معني است كه در تار خنثي كرنش كششي صفر و در مقاطع دورتر كرنش بيشتري

كه مدول Eبا توجه به تعريف . ثابت است Eكه در رابطه باال فرض شده است. وجود دارد

االستيسيته كششي يك ماده است، اگر نيروي كششي در ميله تحت كشش كه مساحت مقطع

Lتغيير كند و در اثر اين تغيير نيرو طول اوليه به اندازه Fمي باشد، به اندازه Aآن

:توان نوشت يافزايش يابد م

)5 -8 (

EAE

F

EA

FLL

81

:گردد در حالت حدي رابطه باال به حالت زير تبديل مي

)5 -9 (

d

dE

لذا هنگامي كه . باشد دهد كه مدول االستيسيته شيب نمودار تنش كرنش مي و رابطه نشان مي

گردد، مدول االستيسيته نيز در اي از حالت االستيك خارج شده و وارد حالت پالستيك مي ماده

ي فتاده است لذا در تير در حالتهر نقطه به صورت تابعي از كرنش است كه در آن نقطه اتفاق ا

گيرد، با توجه به اينكه كرنش در هر نقطه اي تابع فاصله آن نقطه از كه تحت خمش قرار مي

مثالً )6-5(شكل تار خنثي است،

)5 -10 ( )y(

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

)5 -11 (

)(EE

يعني . خواهد بود yمي توان نتيجه گرفت كه مدول االستيسيته نيز تابع

)5 -12 ( )y(EE

ك نمودار مدول االستيسيته بر حسب كرنش براي كرنش غير االستي: ب نمودار تنش بر حسب كرنش: الف

82

.نمودار تنش ومدول االستسيته برحسب كرنش .6- 5شكل

اي تحليل بيشتر تير حافظه دار كه تحت خمش قرار دارد با توجه به اينكه طبق روابط باال بر

مدول االستيسيته تابع فاصله از محور خنثي است، مقطع تير را با يك تير چند اليه مدلسازي

كنيم كه مدل رياضي با نمونه واقعي مطابقت داشته ها را تا حدي زياد مي كنيم و تعداد اليه مي

را در Ni-Tiو Cu-Zn-Alدر گذشته تالش زيادي انجام شده تا آلياژهاي مارتنزيتي نظير .شدبا

بكار برند، ولي هيچ يك از اين طرحها به موفقيت .... كتهاي تنيس و تيغ اره و ابزارهايي نظير را

يكي از داليل اصلي عدم موفقيت اقتصادي اين است كه آلياژهاي حافظه. اقتصادي دست نيافت

.اي بكار روند دار هنوز بسيار گرانتر از آن هستند كه به عنوان مواد سازه

همچنين . عالوه بر اين ماشينكاري اين مواد مشكل و جوشكاري آنها تقريباً غير ممكن است

. تواند به مواد منتقل شود محدود است كاهش انرژي به واسطه محدوديت انرژي مكانيكي كه مي

هاي جديدي در رابطه با خاصيت استهالك مواد حافظه دار به وجود آمده در عوض اخيراً جاذبه

در آن به كار رفته است Cu-Zn-Alهاي يك توليد كننده سوئيسي اسكي را كه اليه. است

در اينصورت . اي كمي باالتر از صفر درجه دارند اليه هاي بكار رفته دماي استحاله. آزمايش نمود

با اين روش . استحاله مارتنزيتي رخ خواهد داد Cu-Zn-Alهاي هنگام تمام با برف در اليه

همچنين جاذبه .دهد نوسانات مستهلك شده، و اسكي رفتار مناسب و بهتري از خود نشان مي

زيرا دامنه باالي . نظامي در اين مواد براي ساخت ضربه گير و ضد گلوله نمودن وجود دارد

دهد تا خواص استهالكي بااليي را از دار اجازه مي كرنش درتركيب با ضربه خاص به مواد حافظه

خود بروز دهد جهت گيري مجدد مارتنزيت و فوق االستيسيته نيز يكي ديگر از زمينه هاي

به طور مشابه، كاربردهاي عمراني مواد حافظه دار نيز اخيراً توجه . كاربردي اين مواد است

83

محافظت ساختمانها و پلها در مقابل زلزله و مخصوصاً براي. است فراواني را به خود جلب نموده

.نوسانات حاصل از آن جاذبه زيادي وجود دارد

تيتانيم –آلياژهاي نيكل 1خوردگي و رفتار الكتروشيميايي- 5-22

سازگاري بيوشيميايي بين محلول فيزيولوژيكي و ايمپلنت هاي فلزي، اصوالً به وسيله واكنش

-كاربردهاي پزشكي و مهندسي آلياژهاي نيكل. شود خص ميهاي الكتروشيميايي بين آنها مش

تيتانيم، در طيف وسيعي از بررسيها روي خواص الكتروشيميايي و فساد تدريجي آنها با در نظر

محلول هاي آبي، آب رودخانه و H2SO4,K2SO4ZnCI2گرفتن محلولهاي خورنده مختلف مانند

خاصيت غير فعال بودن بااليي را در ، Mo با NiTiآلياژهاي . است دريا، شبيه سازي شده

باعث افت Al, Mn, Fe ,Cuبا NiTiدهند آلياژهاي نشان مي HCIو NaClمحلولهاي آبي

به ميزان ، NiTiشوند رفتار الكتروشيميايي آلياژهاي پايه ناچيزي در مقاومت خوردگي مي

.خلوص اجزاي آلياژي و فرآيند ذوب و قالب گيري بستگي دارد

اتمي را در محلول % NiTi 50حققين خواص خوردگي و الكتروشيميايي تيتانيم خالص و آلياژ م

اند به ويژه مشخص شد كه عمليات بررسي كرده NaCl% 5/1و محلول آبي HCl%1آبي

منجر به افزايش ) C100(گرم NaClدر الكتروليت Ni-Tiمقدماتي سطحي روي آلياژ

اين فيلم به طوري موثر . گردد مي m3 -1به m 01/0فيلم اكسيد تيتانيم از ضخامت

بنابر اين باعث كاهش فعاليت انحالل . كند مراكز انحالل آند روي سطح نمونه را مسدود مي

.شود از آلياژ مي NiTiعناصر 1 Electrochimical

84

اي در مهندسي استخوان به عنوان مادهتيتانيم متخلخل –جايگاه نيكل- 5-23

، با توجه به مزيت1بسياري از محققين نيتينول را به عنوان آلياژي حافظه دار و سوپر االستيك

. اند هايي ويژه به عنوان ايمپلنت در كنار بافتهاي موجود زنده بطور كامل مورد بررسي قرار داده

اخيراً ) با درصد اتمي برابر از نيكل و تيتانيم(ار تيتانيم متخلخل حافظه د –همچنين آلياژ نيكل

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

است نيتينول متخلخل را كي بكار گرفته شدهديگر، در رابطه با هزاران بيمار، بصورت كليني

تيتانيم گداخته و توليد –توان به روشهاي گوناگون توليد كرد كه شامل تف جوشي نيكل مي

باشد مي احتراقي انتشاري در دماي باال

ها براي كنترل ميزان يا درصد تخلخل، اندازه حفره ها و همچنين نحوه ارتباط از اينگونه روش

خاصيت . شود به منظور مشابه سازي استخوان طبيعي استفاده مي) از يا بسته بودنب(حفره ها

فوق االستيسيته و استحكام باالي نيتينول، انتخاب و كاربرد آن را براي ايمپلنتهاي ارتوپدي

كند تا بدون آسيب رساندن اضافي به اطراف ايمپلنت در معرفي نموده، به جراح كمك مي

همچنين . سازي نمايد حتي خود ايمپلنت آن را در محل صدمه ديده جااستخوان مورد نظر و

خاصيت حافظه داري اين آلياژ سوپر االستيك، امكان شكل گيري طبيعي آن را با توجه به

.كند شكل و ابعاد مواضع صدمه ديده طي فرايند جذب دوره اي فراهم مي

1 Superelastic

85

آن را در mPA 865)لت باز پخت شده در حا(نيكي باالي اين آلياژ عالوه بر آن استحكام مكا

مقاوم مي ) شود كه مثالً در طي جويدن در استخوان آرواره ايجاد مي(برابر تنشهاي وارده

.نمايد

گيرند داراي مدول عموماً فلزات و سراميكهايي كه در موارد ارتوپدي مورد استفاده قرار مي

اين كميت با مدول استخوان . اشندب گيگا پاسكال مي 400تا 100االستيسيته اي در حدود

براي Gpa 20(تطابق ندارد چرا كه مدول االستيسيته استخوان از اين مقدار كمتر است

NiTiمدول االستيك ). استخوان غشائي با حدود دو سوم ماده معدني در صد ماده خشك

استخوان كه تقريباً به مدول االستيك (گيگا پاسكال است 41تا 28مارتنزيتي در حدود

گيگا پاسكال، 20الي 14تخلخل تقريباً 50%و مدول ظاهري نيكل تيتانيم با ) نزديك است

.ل استخوان استيعني كمتر از مدو

مقايسه نيكل تيتانيم با ديگر مواد بيولوژيكي- 5-24

مالحظات مكانيكي - 1- 5-24

به اين (Wolfs low)شود ييكي از روابط مقدماتي مهندسي استخوان كه از قانون و لف منتج م

هنگامي كه يك . معني است كه استخوان بايد در صورت عدم بارگذاري به جذب ادامه دهد

گيرد، رفتار مكانيكي باعث ايمپلنت با مدول االستيسيته باالتر از استخوان مورد استفاده قرار مي

پلنت را سبب و پايداري ايم) اي تنش جداره(جذب محيط اطراف نسبت به استخوان شده

شايد درست نباشد كه به مدول االستيك نيكل تيتانيم جامد مقدار مشخصي را نسبت . گردد مي

86

به عنوان . دهيم چرا كه در اين مورد مدول االستيك بصورت غير خطي به دما وابسته است

: آيد مثال مدول االستيك مارتنزيت از معادله كالزيوس كالپيرون بدست مي

)5 -13 ( T/HM/ sa

كرنش در راستاي اعمال oدماي استحاله مارتنزيت، Msتنش اعمال شده، aكه در آن

بنابراين گروهي از منحني . باشد درجه حرارت محيط مي Tو گرماي نهان استحاله Hتنش،

در صورتيكه . كرنش كه به دما بستگي دارند براي هر نمونه وجود خواهند داشت –هاي تنش

. اي ايمپلنت باشد پيچيدگي باز هم بيشتر خواهد شد تخلخل تعيين كننده مدول سازه

مالحظات شكل گيري - 2- 5-24

شوند، ولي سطح اين مواد معموالً بصورت متخلخل توليد نمي CoCrو Ti6Al4Vفلزاتي مانند

تواند با استفاده از روكش سطحي با پودرهاي فلزي، طي فرايند اسپري پالسمايي پودر فلز و مي

يا سراميك روي سطح قطعه، يا طي فرايند تف جوشي دوگانه دانه هاي فلزي به اليه هاي

m 300-150شوند در اينصورت ابعاد حفره ها بين زيرين فلز حرارت داده شده متخلخل

در حاليكه روكش متخلخل . باشد خواهد بود كه بيانگر تخلخلي بين بيست تا چهل درصد مي

كند، از آنجائيكه پيوند بين استخوان با روكش متخلخل بهتر از تطبيق استخوان را بهتر مي

87

ممكن است بين روكش ايمپلنت و اليه زيرين در سطح پيوند پوشش و سطح قطعه است،

.مشترك آنها فاصله ايجاد شود

آلياژهاي حافظه دارماشينكاري - 5-25

مالحظات ماشينكاري به هنگام مقايسه اين مواد بايد در نظر گرفته شود چرا كه براي جايگيري

از . روي آن انجام گيرد درست ايمپلنت در فضاي آسيب ديده استخوان بايد عمليات ماشينكاري

اين نظر سراميكها بسيار شكننده بوده و ماشينكاري آنها مشكل است و اين مطلب قابليت شكل

همچنين براي فلزات متخلخلي كه بوسيله تف جوشي يا پاشش . دهد پذيري آنها را كاهش مي

وند با توجه به ش پودرهاي فلزي با پالسما و يا پيوند نفوذي فيبرها به فلز زمينه ساخته مي

تر بودن اليه سطحي نسبت به اليه هاي زيرين آنها امكان شكستگي و يا صدمه ديدن متخلخل

. پوشش هنگام ماشينكاري زياد است

88

:فصل ششم

كاربردهاي آلياژهاي حافظه دار

89

:كاربرد هاي آلياژهاي حافظه دار -6-1

آلياژهاي حافظه دار در حين سرد و گرم شدن ) : استفاده از حركت ( بي آزاد كاربرد با بازيا -1

. آورد بدون اينكه تنش بيروني از اين كار ممانعت به عمل . شكل اوليه خود را بازيابي مي كنند

مثل آنتن هاي سفينه فضايي

نها يك به كاربردهايي اطالق مي شود كه در آ) : استفاده از نيرو ( كاربرد با بازيابي مقيد -2

در اين حالت هيچ كرنشي بازيابي . نيروي خارجي جلوي بازيابي كرنش در آلياژ را مي گيرد

مثل چفت و بست ها . ولي مقدار زيادي تنش ايجاد مي شود . نمي شود

هم تنش و هم كرنش حين گرم شدن ) : استفاده از كار ( هايي با بازيابي تحت فشار كاربرد -3

كار مكانيكي ايجاد مي شود بازيابي مي شوند و

فنر برابر فوالدهاي 15رفتار االستيك ) : ذخيره انرژي مكانيكي ( كاربردهاي ابر كشساني -4

.است

مهار ارتعاشات در سازه هايي كه تحت ارتعاشات شديد : خاصيت ميرا كنندگي ارتعاشات -5

اييمثل صفحات آزاد ميرا كننده ارتعاشات در سفينه هاي فض. هستند

Cu-Al-Znها از جنس اتصاالت لوله) 6

Ni-Tiهاي نيرو در مدارهاي الكتريكي از جنس كنندهفعال) 7

Cu-Zn-Alنشاني از جنس شيرهاي ايمن آتش) 8

شيرهاي كنترل سيال ) 9

90

هاي شكلي، ميكرو ماشينها، سازه دار هاي باهوش، بافتهاي حافظه هواپيماهاي هوشمند، خانه

و با تجاري شدن اولين مواد 1992سال گهاي نانويي متغير كلماتي هستند كه ازخودآرا و رن

رود كه بسياري از نيازهاي آنها انتظار مي اند و از هاي مواد شده هوشمند وارد لغتنامه

] 6[. سازند را برآورده 21تكنولوژيك قرن

. تصور ناسا از يك هواپيماهاي هوشمند .1 -6شكل

ر شرايط با تغيير شكل د تواند مي تصور ناسا از يك هواپيماهاي هوشمند كه) 1-6(شكل

رهبري اولين تغييرات در زمينه پرواز ماوراء ناسا بر روي كند مختلف به صورت بهينه عمل

وزارت دفاع آمريكا مواد هوشمند را . كرده است اي باز واد هوشمند حساب ويژهصوت توسط م

تاثير به سزايي داده است و از ابزارهاي هوشمند تا "سربازهاي آينده"در سناريويي به نام

در سوي ديگر طيف كاربردهاي اين مواد نيز . كرده است لباسهايي شبيه به مارمولك ياد

.نام برد ...ابزارهاي روزمره و ا،بازيه توان به اسباب مي

91

سال قبل از ميالد، و دوران 300هوشمند به شايد برايتان جالب باشد كه بدانيد سابقه مواد

توانايي توليد طال وجود نداشت اما فعاليتهايي براي در آن زمان اگر چه. گردد كيمياگري باز مي

ي از مواد مورد استفاده آنها را محتلف صورت گرفت كه برخ تغيير رنگ و خصوصيات فلزهاي

.دانست توان از مواد هوشمند مي

اي كه در برابر كند،شيشه شود، عروسكي كه در اثر گرما حركت ميلباسي كه بلند و كوتاه مي

همه مي شوند، بلند كه آستين آنها با گرما و سرما كوتاه و دهد و لباسهايي نور تغيير رنگ مي

).2-6(شكل .اندهاي هوشمند ساخته شدهستند؛ اين كه از مادهها در يك چيز مشترك هاين

. هوشمند مواد .2 -6شكل

موليبدن، كاربردهاي پزشكي –تيتانيم –آلياژهاي حافظه دار نيكل -6-2

با ساختار B2تيتانيم استحاله –در آلياژهاي حافظه دار با درصد اتمي تقريباً يكسان نيكل

كه مارتنزيت نام دارد كامالً ) منو كلينيك (كج وجهي B19به فاز ) فاز مادر(الي مكعبي كريست

از دياد طول . در اين استحاله ازدياد طول و هيسترزيس بسيار زياد است . است شناخته شده

92

192برخالف استحاله . باشد مي K 50و هيسترزيس حدود % 7حدود BB ازدياد طول و ،

RRيسترزيس كه در استحاله ه افتد، براساس اتفاق مي) رومبو هدرال(لوز وجهي

است انجام گزارش شده K 2درصد و هيسترزيس 8/0ازدياد طول . گزارشات كم بوده است

RBاستحاله در آلياژهاي مختلف توسط فرايندهاي زير امكان پذير است :

تيتانيم –با درصد اتمي تقريباً مساوي نيكلل گرمايي در آلياژهاي سيك .1

تيتانيم غني از نيكل –باز پخت آلياژهاي نيكل .2

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

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

RBاستحاله تيتانيم –كي آلياژهاي حافظه دار نيكلارزش فراواني براي كاربردهاي پزش

) 3- 6(شكل.بوده و دماي استحاله پايدار استدارد زيرا هيسترزيس استحاله بسيار كم

كاربردهاي باشد كه براي هيسترزيس كم استحاله به معني پاسخ سريع به تغييرات محيطي مي

در بسياري از ايمپلنت هاي آلياژهاي حافظه دار، الزم است بازيافت شكل .پزشكي مهم است

در دمايي، نزديك به دماي بدن اتفاق بيفتد، بنابراين ضروري است دماي پايان استحاله معكوس

(Af) براي ايمپلنت هاي حافظه دار، نزديك به دماي بدن باشد.

93

. ي پزشكي آلياژهاي حافظه داركاربردها .3-6شكل

RBهمانطور كه قبالً توضيح داده شد روشهاي زيادي براي عملي ساختن استحاله در

ن و به رسد اضافه نمودن موليبد در بين آنها به نظر مي. تيتانيم وجود دارد –آلياژهاي پايه نيكل

ن به دليل مقاومت خوردگي عالي براي موليبد –تيتانيم –عبارت ديگر آلياژهاي نيكل

. تر باشند كاربردهاي پزشكي جذاب

:كاربرد آلياژهاي حافظه دار درمهندسي پزشكي-6-3

كاربرد پزشكي آلياژ هاي حافظه دار به عنوان يك عملگر با اثر باقيمانده در داخل بدن قابل

اعضاي آنها بكار گرفته شده است بررسي است آلياژي كه در بدن افراد براي بهبود رفتار باليني

نبايد مولد هيچ گونه حساسيتي باشد عالوه بر آن آلياژ بكارگرفته شده نبايد به صورت ذراتي از

94

جنبه هاي متعددي شامل شاخص .يون آن ماده وارد خون شخص گيرنده اين گونه آلياژها شود

نند ايي مواد هماهاي مزاجي افراد همچون سن ، قواي بدن و سالمتي و خصوصيات شيمي

خوردگي ، تخلخل پذيري سطح ، تأثيرات سمي و عناصر موجود در مواد به منظور پذيرش مواد

تحقيقات متعددي در مورد توليد و بكارگيري . مذكور در بدن افراد بايد مورد بررسي قرار گيرند

]7[ .ت انجام پذيرفته اس Ni-Tiآلياژهاي حافظه دار با كاربرد پزشكي با پايه عنصري

در كاربرد و استفاده، نسبت به بقيه آلياژها از Ni-Ti اين تحقيقات نشان مي دهد كه آلياژ

با بررسي خواص جداگانه نيكل و Ni-Ti تحليل خواص آلياژ. موقعيت خوبي برخوردار است

. تيتانيم امكان پذير است

:Ni-Tiزشكي از آلياژ پموارد استفاده -6-4

ي مربوط به قلب و عروق كاربردها -6-4-1

فيلتر سيمون نسل جديدي از وسايل استفاده شده براي جلوگيري از انسداد جريان خون مي

باشد افرادي كه قادر به استفاده از داروهاي ضد انعقاد خون نمي باشند، استفاده كننده هاي

مي باشد و فيلتر هدف استفاده از اين وسيله تصفيه خون داخل رگ . اصلي اين فيلتر مي باشند

ما نصب فيلتر در ا )4-6(شكل .سيمون كمك مي كند لخته هاي بوجود آمده در خون حل شود

داخل بدن اشخاص با به كار گيري از تأثيرات آلياژهاي حافظه دار امكان پذير است براي اين

سوند جريان محلول نمكي در داخل .با تغيير شكل برروي سوند قرار مي دهند منظور فيلتر را

95

موجب تثبيت دماي فيلتر با درجه حرارت معمولي مي شود و زماني كه فيلتر در محل تعيين

شده قرار گرفت با توقف جريان محلول نمكي در داخل سوند درجه حرارت باال مي رود و فيلتر

خود بر مي گردد در اين زمان فيلتر از نوك سوند ) اوليه(تغيير شكل داده شده به شكل اصلي

] .7[. جدا شده استنيز

Catheterمراحل بازيافت شكل اوليه و جدايي از )ب شكل اصلي فيلتر ) الف

.يلترفشكل اصلي ومراحل بازيافت .4- 6شكل

از اين وسيله براي مسدود كردن سوراخ ديواره دهليزي : مسدودكننده سوراخ ديواره دهليزي

.)5- 6 (شكل .و راست ايجاد مي شود استفاده مي گردد كه بين دو دهليز چپ

. مراحل مسدود كردن سوراخ ديواره دهليزي. 5- 6شكل

96

بايد توجه داشت وجود اين سوراخ غير عادي است و اميد ادامه زندگي را براي افراد كاهش مي

بخيه سپس عمل و دهد در روش جراحي معمول ، رفع اين عيب مستلزم شكافتن سينه بيمار

كردن سوراخ صورت مي گيرد ، كه به طور طبيعي خطرات ناشي از عمل جراحي و همچنين

امكان بروز حوادث غير منتظره در حين جراحي اجتناب ناپذير بوده و راه حل آن استفاده از اثر

.آلياژهاي حافظه دار مي باشد

روي آن نصب شده است، اين وسيله از سيم هايي با خاصيت حافظه داري و فيلم ضد آب كه

براي نصب اين وسيله در داخل قلب ابتدا نيمه اول آن وارد بطن چپ شده وبه . تشكيل مي شود

شكل اوليه خود بر مي گردد و در ادامه نيمه دوم كه در بطن راست قرار مي گيرد تغيير شكل

به . ي متصل شده اند در انتها هر دو نيمه به ديواره بطن. يافته ، به شكل اوليه خود بر مي گردد

هاي باز 1استنت .طوري كه از ورود جريان خون از دو بطن به يكديگر جلوگيري مي شود

شونده خودكار نيز از جمله وسايل مهمي است كه در حفظ قطر داخلي رگ هاي تنگ شده و

استنت ها به شكل استوانه هاي توري ساخته مي . كاهش قطر و بسته شدن آنها كاربرد دارد

).6-6(شكل قطار متفاوتي مي باشندانوع و محل كاربرد داراي وند و متناسب باش

. به شكل استوانه هاي تورياستنت ها . 6- 6شكل

1 stent

97

از جمله محل هاي مورد استفاده از استنت ها سرخرگ ، سياهرگ، رگ هاي خوني ،مجاري ،

زيتي از شكل اصلي به حالت براي نصب در داخل عروق ابتدا فاز مارتن. ي و مري مي باشدوصفرا

. متراكم شده تبديل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شكل خود بر مي گردد

كاربردهاي ارتوپدي -6-4-2

بين مهره هاي ستون فقرات در spacerبه عنوان فضا گير يا ) SMA( از آلياژهاي حافظه دار

بين دو مهره در حين بهبودي بعد حين عمل جراحي استفاده مي شود كه موجب استحكام ما

سمت چپ مهره تغيير ) 7-6(در شكل .جراحي اسكوليدز مي شود از تغيير شكل ايجاد شده در

شكل يافته در فاز مارتنزيتي است كه پس از جايگزيني در محل مورد نظر به حالت سمت

. بر مي گردد) شكل اوليه (راستي

سمت چپ مهره فشرده شده وسمت راست شكل اوليه مهره) ب ستون فقرات ) الف

.كاربردهاي ارتوپدي .7- 6شكل

98

. مي باشدترميم و بهبود شكستگي استخوان از ديگر كاربردهاي ارتوپدي آلياژ هاي حافظه دار

با خاصيت حافظه داري در ترميم شكستگي يا ترك استخوان ساخته انواع مختلفي از بست ها

با كمك . بست ها به صورت باز شده در محل شكستگي يا ترك معموالً پيچ شوند .شده است

گرما بست ها به گونه اي تغيير شكل مي يابند كه دو طرف شكستگي يا ترك را با هم يكي

. كرده و مي فشرند

نيروي ايجاد . گرماي ايجاد شده را مي توان به كمك يك وسيله خارجي به آلياژ منتقل كرد

).8-6(شكل ا ترك مي انجامد ثر تغيير شكل آلياژ به بهبود سريعتر شكستگي يشده در ا

. با خاصيت حافظه داري در ترميم شكستگي ارتوپدي بست هاي .8-6شكل

عموماً از اين بست ها در مواقعي استفاده مي شود كه محل شكستگي يا ترك را نتوان گچ

فره چشم از جمله محل هاي مورد كاربرد گرفت، مانند نواحي صورت شامل، بيني ، فك و ح

. مي باشند

99

(A بستSMA برروي استخوان آروارهB (جزئيات مربوط به بست وپيچ ثابت كننده

با خاصيت حافظه داري در ترميم شكستگي ارتوپدي بست هاي .9-6شكل

ضالت ضعيف مي باشد از ديگر كاربردهاي ارتوپدي اثرات آلياژ هاي حافظه دار در فيزيوتراپي ع

دستكشي را نشان مي دهد كه سيم هايي باخاصيت حافظه داري بر روي ناحيه ) 9-6(تصوير

كه موجب تقويت حركت عضالت و برقراري دامنه مناسب . انگشتان دستكش واقع شده است

حركات مفصلي با استفاده از خاصيت حافظه داري سيم هاي دستكش استفاده مي شود به

گرم كردن سيم طول سيم ها كوتاه شده و انگشتان به داخل خم مي شوند و با طوريكه با

. ً كشيده مي شوند سردكردن طول سيم ها زياد شده و انگشتان كامال

) .10- 6(شكل .اين پديده براي به كار انداختن مفاصل نيمه ثابت استفاده مي شود

100

گرم شدن وجمع شدن انگشتان)ب . پس ازسردكردن انگشتان كامال كشيده شده اند) الف

.مورداستفاده خاصيت حافظه داري دوطرفه درفيزيوتراپي عضالت ضعيف . 10-6شكل

كاربرد آلياژ هاي حافظه دار در وسايل جراحي - 6-4-3

در راستاي توليد وسيع ابزارهاي جراحي در سال هاي اخير ابزارهاي جراحي حافظه دار قابل

] .8[ .د شده است كه به شرح تعدادي از آنها پرداخته مي شودتوجهي تولي

. نه و صفراوي مورد استفاده قرار مي گيرد سبد حافظه دار براي خارج كردن سنگ هاي مثا -1

. آورده شده است )11- 6(مراحل نصب آن شبيه فيلتر سايمون مـي باشد كه در شكل

.ه شده با آلياژحافظه دار براي جمع آوري سنگ مثانهمراحل بازيابي شكل اوليه سبد ساخت.11- 6شكل

101

براي جلوگيري از مسدود شدن رگ هاي )12-6( كاربرد پمپ بالوني داخل آئورت شكل

پالستي مي شود اين وسيله داري تيوب با اثر حافظه داري است وعملكرد خوني در هنگام آنژيو

.قايسه استآن با مواد پلي مري كه خاصيت ارتجاعي دارند قابل م

.پمپ بالوني براي جلوگيري از مسدودشدن رگ حين آنژيوگرافي .12- 6شكل

ر و پنس مورد استفاده قيچي دا نبرك هايانواع انبرك هاي شامل ا )13- 6(شكل

.دقت و نرمي در حركت از جمله خصوصيات اين ابزار مي باشد. الپاراسكوپي را نشان مي دهددر

.ركهاي گيره اي وپنس مورداستفاده در الپاراسكوپيانواع انب. 13- 6شكل

102

موليبدن –تيتانيم –مشخصات تغيير شكل آلياژهاي نيكل -6-5

تيتانيم – براي آلياژهاي دو تايي نيكل K298كرنش در دماي –نمونه اي از منحني هاي تنش

تمام قطعات در .نشان داده شده است )5- 6( موليبدن در شكل - تيتانيم - و آلياژ سه تايي نيكل

از ببراي مدت يك ساعت K 823اند و سپس در دماي كشيده شده% 25حالت سرد تا ميزان

تيتانيم قبل از اينكه –درجه سانتيگراد، آلياژ دوتايي نيكل 25در دماي . پخت شده اند

تنش يابد، بنابر اين صاف بودن منحني استحاله مي B19 بارگذاري انجام شود به فاز مارتنزيت

.بستگي دارد B19 بر حسب كرنش به نحوه آرايش متغيرهاي فاز ماتنزيتي

وجود دارد و بنابراين پله موجود R درصد موليبدن، قبل از بارگذاري تنها فاز 5/0در آلياژ با

. شود حاصله از تنش مربوط مي R-B19 در منحني به استحاله

به طور همزمان قبل از بارگذاري Rو فاز B2ر درصد اتمي موليبدن، فاز ماد 7/0در آلياژ

RBهاي وجود دارند، و لذا پله موجود به استحاله وR-B19 حاصل از تنش مربوط

كرنش در –منحني تنش كه به پله Pشود تنش همانطور كه در شكل ديده مي. شود مي

–موليبدن بستگي دارد، كمتر از مقدار تنش براي آلياژ دوتائي نيكل - تيتانيم -آلياژ نيكل

است، كه تنش الزم براي آرايش مجدد اين يك واقعيت كامالً شناخته شده. تيتانيم است

همانطور . تر از تنش الزم براي ايجاد استحاله مارتنزيتي است متغيرهاي مارتنزيت بسيار پايين

موليبدن -تيتانيم –كرنش آلياژ نيكل –در منحني تنش pكه قبالً توضيح داده شد پله

در منحني تنش pاست، در حاليكه B19 استحاله مارتنزيتي) القاي (تنش الزم براي ايجاد

بدان اين . تيتانيم تنش الزم براي آرايش مجدد متغيرهاي مارتنزيتي است –نيكل كرنش –

–ل تر از آلياژهاي دوتائي نيك موليبدن بسيار آسان -تيتانيم –معني است كه آلياژهاي نيكل

103

در هنگام اعمال تنش باالتر از تنش مربوط به تنش پله اي، فاز يابند تيتانيم تغيير شكل مي

يابد و سپس تغيير شكل االستيك تغيير شكل مي حرارتي حاصل از تنش، بطور B19مارتنزيت

شود، هنگامي كه كشش سيم شروع مي. شود شروع مي Mپي پالستيك در تنش واكروسكم

.افتد مقدار زيادي تغيير شكل پالستيك به صورت لغزش اتفاق مي

تغيير شكل لغزشي ) كشش سرد(در رابطه با كشش سه آلياژ ذكر شده در باال در دماي اتاق،

هنگام آزمايش منحني هاي . افتد اتفاق مي B19فاز مارتنزيت توسط تغيير شكل پالستيك

-تيتانيم -در آلياژهاي نيكل Mمعلوم شده كه تنش )3- 5(كرنش در شكل –تنش

تيتانيم است با توجه به اين نتايج –براي آلياژهاي دو تايي نيكل Mموليبدن كمتر از تنش

از موليبدن كمتر - تيتانيم - الزم براي كشش سيم آلياژهاي نيكل Mرود كه تنش نتظار ميا

را براي dتنش ) 12-6(شكل . تيتانيم باشد –تنش الزم براي آلياژهاي دوگانه نيكل

.دهد نشان ميموليبدن –تيتانيم –تيتانيم و نيكل –آلياژهاي نيكل

موليبدن –تيتانيم –تيتانيم نسبت به آلياژ نيكل –براي آلياژهاي نيكل dواضح است كه

–توان نتيجه گرفت قابليت كارپذيري آلياژهاي نيكل بنابراين به طور خالصه مي. بزرگتر است

شي بر قطعه، همانطور كه در شكل با اعمال باركش. شود تيتانيم با افزودن موليبدن بهتر مي

.افزايش طول پيدا كنند% 30توانند تا شود صرفنظر از تركيب شيميايي، آلياژها مي مشاهده مي

104

.K298كرنش در دماي –منحني هاي تنش .12- 6شكل

105

موليبدن، به دليل هيسترزيس گرمايي كم، بستگي كم دماي –تيتانيم –آلياژهاي نيكل

پذيري و مشخصه ط كشيدن سيم، مقاومت خوردگي باال، قابليت باالي كاراستحاله به شراي

.حافظه شكلي در كاربردهاي پزشكي جاذبه زيادي دارند

ها موليبدن مانند گيره ها، بست –تيتانيم –براي كاربردهاي پزشكي آلياژهاي حافظه دار نيكل

دن شرايط بهينه كشيدن سيم، به منظور بدست آور. شوند و استنت ها، به صورت سيم توليد مي

موليبدن، قابليت كشش و –تيتانيم –ضروري است در رابطه با آلياژهاي حافظه دار نيكل

بدست آمده K823دماي بهينه بازپخت . حافظه شكلي به طور همزمان مورد توجه قرار گيرند

ه شكلي و شبه شود كه براي خواص حافظ اي اكسيدي تشكيل مي است در باالتر از اين دما اليه

باشد و اثر آن بعد از كار سرد نيز باقي خواهد ماند، اين در حالي است كه االستيسيته مضر مي

موليبدن با افزايش دماي بازپخت افزايش –تيتانيم –قابليت كشش پذيري آلياژهاي نيكل

.يابد مي

ابزار و ايمپلنت هاي پزشكي -6-6

.پزشكيابزار و ايمپلنت هاي . 13- 6شكل

106

:مقدمه -6-6-1

امروزه نيتينول فوق االستيك يكي از مواد مهندسي معمول و شناخته شده در صنايع پزشكي

در حاليكه قابليت انعطاف باالي آن موجب كاربرد وسيع آن گشته است، بسياري از . است

يل كمتر دراين فصل هفت دل. مزاياي اين آلياژ براي ابزار آالت پزشكي كمتر شناخته شده است

عالوه بر اين چندين كاربرد جديد . بديهي ولي بسيار مهم موفقيت نيتينول بحث خواهد شد

، به ويژه اينكه استنت يمكن داليل توسعه سريع و درخواست تكنولوژي استنت ها را توصيف مي

بيت خاصي االستيك نيتينول داراي جذا ها به دليل دارا بودن خاصيت هيسترزيس ترمو

.باشند مي

هاي تيتانيم به سرعت در حال تبديل به موادي براي انتخاب در استنت –آلياژهاي نيكل

انبساط، سيستم هاي حمايت از گرافيت، فيلترها، سبدها و ساير ابزارهاي مختلف براي جراحي

بسياري از شركت هاي توليد كننده . باشند سكوپي ميوهاي نيمه تهاجمي و محصوالت اند

اي پزشكي در حال حاضر پيشنهاد مي كنند از خواص منحصر به فرد ويژه اين مواد در ابزاره

) .13- 6(شكل .پزشكي استفاده گردد

االستيسيته و اثر حافظه شكلي آنها، تحت تاثير گرما آلياژهاي نيتينول معموالً به دليل فوق

لت شكلي از قبل براي توصيف پديده برگشتن به حا» حافظه شكلي «واژه . شناخته شدند

.رود برنامه ريزي شده در اثر حرارت بعد از اعمال تغيير شكل پالستيك بكار مي

فوق االستيسيته اين مواد بيشتر از ده برابر االستيسيته بهترين فوالد ضد زنگ مورد استفاده در

ين باشند ولي ا باشد اگر چه هر دو پديده فوق جالب و تماشايي مي صنايع پزشكي امروز مي

107

در اين بخش بعضي از . بدان معني نيست كه اين دو خاصيت تنها خواص مهم اين مواد هستند

خواص مهم ابزار، كه براي اغلب طراحان ابزار ناشناخته است، بحث خواهد شد كه هر كدام از

د كه راه وش واص زير باعث ميخ. آنها نشان دهنده خصوصيات منحصر به فرد نيتينول است

] .8[ي براي ابزار پزشكي بدست آيدبرترحل هاي

جايگذاري االستيك(االستيسيته باال(

جايگذاري حرارتي(خاصيت حرارتي برتر(

مقاومت به تاب و گره(دوام زياد(

تنش ثابت

ممانعت ديناميكي

هميسترزيس تنش

تنش وابسته به دما

)جايگذاري االستيك(استفاده از االستيسيته -6-7

ا ب هتر و يا ساير ابزارهاي مربوطمالي نيتينول به ابزار اجازه مي دهد در طول كاالستيسيته با

توانند در داخل بدن از قطعات مذكور مي. با پروفيل كوچك به داخل بدن برده شوند و شكلها

احتماالً اولين . هاي بسيار بزرگتري تبديل شوند ابزار حمل كننده خود آزاد و باز شده، به شكل

مالوك بوده، كه راديولوژيست ها آن را براي –چنيني كه وارد بازار شده ابزار هومر محصول اين

اين وسيله شامل سيم قالب نيتينولي و لوله . اند رديابي محل غده سرطاني پستان بكار برده

108

شود و خود سوزن نيز به داخل سوزني شكل فوالدي است سيم قالب به درون سوزن رانده مي

بكارگيري . رود كه نوك آن در محل مجاور تومور قرار گيرد تا جايي جلو مي سينه رانده شده و

مفهوم االستيسته توسط يك ابزار خميده كه به يك سوزن مستقيم يا لوله متصل شده است،

ابزارهاي جديدتر راهنماهاي نوك . ترين استفاده نيتينول در ابزارهاي پزشكي باشد شايد معمول

باشند ابزار قطع عضو بافتها به همراه فركانس سوزن سوراخدار مي تيز قابل انعطاف به شكل

ساير ابزارها نظير عبور دهنده بخيه، منقبض كننده ها ، . باشد راديويي نيز به همين ترتيب مي

.در جراحي هاي اندوسكوپي بكار رفته اند 1990چنگك ها و برنده هاي منعطف از اوايل

مثالهاي . توانند از فوق االستيسيته استفاده كنند يچيده نيز ميبديهي است كه ساير ابزارهاي پ

جالب براي اين مورد، ابزارهاي انسداد شريان به منظور ترميم عيوب ديواره ها يا مجاري قلب

. باشد مي

)جايگذاري حرارتي(استفاده حرارتي -6-8

حرارتي -حافظه شكلي اغلب ايمپلنتهاي خود انبساط مانند استنت ها و فيلترها از خاصيت

، در دماي اتاق يا دماي c30برابر (Af)يك ابزار با دماي اسحاله . كنند نيتينول استفاده مي

نرسد به همان حالت c30اين ابزار تا زماني كه دما به باالتر از . شود پايين تر فشرده مي

ر صورت رسيدن به دماي باالتر ابزار منبسط و به شكل كنوني خود د. فشرد، باقي خواهد ماند

ولي اگر اين ابزار در طي ورود به بدن به صورت سرد نگهداري شود، تا زماني . باز خواهند گشت

109

توانند به صورت فشرده باقي بمانند و كه ابزار به محل مورد نظر در بدن نرسيده باشند مي

البته انجام اين عمل . دماي بدن گرم شده و منبسط گردندسپس با جريان سرد كنند، توسط

لذا تمام ابزارهاي خود انبساط در يك سيستم معين بارور شده و نگهداري . قدري مشكل است

.شوند تا از فعال شدن بي موقع آنها جلوگيري شود مي

مقاومت به تاب و گره -6-9

شود در ارتباط با ي نيتينول حاصل ميقسمتي از خواص اين طرح كه از فوق االستيسته باال

هنگامي كه كرنش بطور موضعي در زير كرنش حد . كرنش است –شكل خاص منحني تنش

د كه كرنش ها وش اين امر باعث مي. كنند افزايش يابد، تنش ها بطور مشخصي افزايش پيدا مي

نتيجه در اثر در . به جاي اينكه به حد ماكزيم برسند، در قسمتهاي كم كرنش تقسيم شوند

كرنش يكنواخت، از كرنش محلي يا تاب خوردن كه در مواد مرسوم وجود دارد جلوگيري

اولين كاربرد براي اين خاصيت سيمهاي راهنما بودند كه بايد در طول مسيرهاي پرپيچ . شود مي

قابليت رانده شدن، هدايت شدن، تحمل گشتاور و به . كردند م بدون تاب خوردن عبور ميو خ

ارت ديگر قابليت انتقال پيچش از يك انتهاي سيم راهنما به انتهاي ديگر بدون گره خوردن، عب

حتي تغيير شكلهاي . گيرند مستقيماً به وسيله صافي سيم و خواص سيم تحت تاثير قرار مي

دائمي بسيار كوچك باعث خواهند شد كه سيم صدمه ديده و قابليت جلو رانده شدن آن در

مقاومت به تاب خوردن در سيمهاي نيتينولي نقش . چ و خم كاهش يابدداخل مجاري پريي

يكي ديگر از كاربردهاي جديد . كند اي ايفا مي بسيار حياتي در راديولوژي و كار ديولوژي مداخله

با شفت هاي نيتينولي مقاوم در برابر تاب، قابل )برگشتي(اين خاصيت در سبدهاي بازيابي

110

... شده در قسمتهاي اصالح پذير، مانند مجاري، صفرا، مثانه كليه و رقابت با سبدهاي استفاده

هاي پليمري دهد كه ابعاد ابزار در مقايسه با ساير لوله استفاده از نيتينول اجازه مي. باشد مي

كاهش پيدا كند و قابليت انعطاف و مقاومت در برابر تاب و گره در مقايسه با طرحهاي فوالدي

.ايش يابدافز) فوالد ضد زنگ(

اي مشكالتي را تاب خوردن ديواره نازك فوالد به هنگام استفاده در بسياري از ابزارهاي مداخله

ده از فوالد زنگ نزن ابزارهاي بسيار ش مثالً فورسپس هاي بافت برداري ساخته. كند ايجاد مي

نيتينولي ولي ابزارهاي . شوند بجا خراب مي ظريفي هستند كه در صورت كمترين استفاده نا

. توانند به طور جدي خمش را بدون كمانش، تاب و يا تغيير شكل دائمي تحمل كنند مي

ب خوردن، و قابليت بازيافت له شدگي خواص بسيار مهمي براي استنت هاي مقاومت در برابر تا

به وسيله دهند اين استنت ها در مجاري سطحي استفاده شده و نيتينولي هستند كه اجازه مي

به هنگام استفاده . باشد شريان كاروتيد يكي از نمونه ها مي. هاي خارجي تغيير شكل يابندنيرو

از استنت هاي بالوني قابل اتساع، اين خطر قابل مالحظه وجود دارد كه استنت ها در اثر

نيروهاي خارجي به صورت دائم تغيير شكل يابند و اين امر منجر به انسداد موضعي ياكلي

.نمايد كه تنش اعمال شده از تنش حد باالتر رود اين اتفاق در صورتي بروز مي. شدمجرا خواهد

اگر چه استنت هاي نيتينولي نوعاً مقاومت فوالد را در برابر كمانش دارا نيستند، لكن اين مزيت

يعني . توانند به طور دائم توسط نيروهاي خارجي تغيير شكل يابند را دارند كه اصوالً نمي

توانند به طور كامل فشرده و حتي له شوند و هنگامي كه بار خارجي اي نيتينولي مياستنت ه

).14-6(شكل شود به حالت اوليه خود باز گردند برداشته مي

111

. مقاومت به تاب و گره .14- 6شكل

تنش ثابت - 6-10

ري آنها هاي بارگذاري و باربردا يكي ديگر از خصوصيات برجسته نيتينول اين است كه منحني

همين امر طراحي ابزارهايي را كه در بازه وسيعي از . باشد در گستره وسيعي از كرنش صاف مي

دنسي اولين وهاي خميده ارت سيم. سازد تغيير شكل تنش ثابتي را اعمال كنند، امكان پذير مي

. نمودند تبعيت مي) تنش ثابت در باربري(محصوالتي بودند كه از اين خاصيت

شوند هاي مرسوم مرتباً توسط دندانپزشك محكم مي الد زنگ نزدن و ساير سيمهاي فو سيم

كنند و نيروي اعمال شده كند دندانها حركت مي هنگامي كه فشار در طي زمان ادامه پيدا مي

اين كار انجام عمل تغيير . رود توسط فوالد زنگ نزن با توجه به قانون هوك به سرعت از بين مي

ولي سيمهاي نيتينولي قادرند به همراه دندان . كند كت دندانها را كند ميشكل و در نتيجه حر

حركت كنند و نيروي ثابتي را در گستره وسيعي از زمان به منظور تصحيح مكان دندان اعمال

112

تنش ثابت در طي بارگذاري بيش از حد در چنگك ها و فور سپس هاي ) 13-6( شكل .نمايند

ابزارهاي بدون لوال از يك فنر . آيد ساخته شده اند، بدست ميبدون لوال كه از جنس نيتينول

كنند تا فكهاي انبركها و يا تيغه هاي جراحي را االستيك به جاي اتصاالت لواليي استفاده مي

امروزه نسل جديدي از ابزارهاي بدون لوال به وجود آمده است كه نيتينول . باز و بسته نمايند

در ) به منظور باز و بسته شدن در يك فاصله معين(يك سيستم االستيك را براي تحريك فوق

تواند به جاي برند در بسياري از موارد نوك عمل كننده مي اي شكل بدن بكار مي اعضاي لوله

اينكه چند قطعه ماشينكاري شده دقيق از مواد معمولي باشد، يك قطعه يكپارچه از جنس

وشد كه قطعات از پروفيل هاي ساده طراحي مياين امر باعث . نيتينول فوق االستيك باشد

عالوه بر اين ، تنش ثابت نيتينول ، نيروي بازگرداننده ثابتي را در هنگام گرفتن قطعات . شوند

كند و از ايجاد بار بيش از حد جلوگيري نموده و سبب كاهش خطر بزرگ و كوچك تامين مي

.گردد نابودي بافت مي

)پويا(ممانعت ديناميك - 6-11

گردد و ممانعت ديناميكي به طبيعت بازه گسترده تنشهاي قابل تحمل توسط نيتينول بر مي

برخالف . توان آن را با بكار بردن يك استنت خود متسع شونده آشكار نمود براي مثال مي

استنت هاي فوالد ضد زنگ متسع شونده توسط بالون، استنت خود متسع شونده نيتينولي

از طرف . گردند به دوباره پيچاندن، به شعاع از قبل تعيين شده خود برمي همواره بدون نياز

هاي قابل اتساع بالوني، بايد بيش از حد انبساط يابند تا در نتيجه بازگشت خيز، به ديگر استنت

.صورت االستيك، قطر مورد نظر بدست آيد

113

انبساط بيش از حد . اين بازگشت فنري، يك پيچش سريع بوده و يك پديده ناخوشايند است

عالوه بر اين اگر قطر مجرا با . ممكن است مجرا را تخريب نموده و باعث انسداد مجدد شود

شده و يا دچار تشنج موضعي شود استنت هاي فوالدي ديواره ) ريلكس(گذشت زمان بازيافت

هش يافته و ممكن است استنت در اين حالت تنش تماسي كا. مجرا را دنبال نخواهند كرد

ولي استنت هاي نيتينولي بعد از بكارگيري به فشار خود . انعقاد و لخته شدن خون گرددوجب م

ها به سمت بيرون ادامه خواهند داد و حركات ديواره را دنبال نموده و از آن پيروي بر ديواره

بزرگتر از قطر مورد نظر mm 2 -1نوعاً قطر از پيش تعيين شده استنت نيتينولي . كنند مي

يابد، قطر استنت نيتينولي تا جايي از آنجا كه ابعاد مجرا در راستاي قطر افزايش مي. استمجرا

.يابد كه به اندازه نهايي از پيش تعيين شده خود برسد افزايش مي

1)هيسترزيس تنش(منحني بازگشت پذير - 6-12

اغلب مواد يكي از خواص ويژه آلياژهاي نيتينول هيسترزيس تنش در آنهاست در حاليكه در

مهندسي تنش به همراه كرنش در طول بارگذاري به صورت خطي افزايش يافته و در باربرداري

بدين صورت كه در طي . يابد، نيتينول مشخصاً رفتار متفاوتي دارد در همان راستا كاهش مي

يابد، بعد از اولين نقطه تسليم، ، تنش به طور خطي افزايش مي%1بارگذاري، ابتدا تا كرنش

انتهاي قسمت صاف . تواند توسط افزايش بسيار كم در تنش به وجود آيد چند نقطه كرنشي مي

بعد از آن يك بار ديگر تنش . شود نمايان مي% 8در كرنش حدود ) در منحني بارگذاري(منحني

.يابد به صورت خطي افزايش مي 1 Histerziss stress

114

ور سريع كاهش پيدا شود كه تنش به ط شروع باربرداري از انتهاي منحني بارگذاري باعث مي

در اين منطقه . حاصل شود) قسمت صاف در باربرداري( كند، تا جايي كه يك قسمت صاف

در بخش انتهايي منحني . شود كرنش به همراه تغييرات بسيار اندك در تنش باز يافت مي

تنش بازيابي در اين . شود باربرداري، تغيير شكل نهايي به صورت يك قسمت خطي بازيافت مي

مسلماً مزاياي هيسترزيس . باشد) تنش بارگذاري % 25در حد (تواند كم مي) باربرداري(طقه من

. تواند در ابزارهاي پزشكي مختلف مورد استفاده قرار گيرد تنش مي

سفتي وابسته به دما - 6-13

زار در نتيجه اب. منحني هاي تنش در دماي باالتر از استحاله آلياژ وابستگي شديدي به دما دارند

االستيك براي يك دماي سفتي ابزار فوق. شوند فوق االستيك با افزايش دما سفت تر مي

تواند با استفاده از عمليات حرارتي و تغيير دماي استحاله تا مشخص مانند دماي بدن مي

. حدودي بهبود يابد

تحليل حرارتي - 6-14

وسايل وابسته به توان خروجي كه معموالً محرك هاي آلياژ حافظه دار، در ماشينهاي حرارتي و

عالوه بر اين دركاربردهاي پزشكي در داخل . روند سنجد بكار مي حرارت از دست رفته را مي

لذا هر دو مورد به تحليل حرارتي دقيقي . بافت ممكن است حرارت به ساختار بافت صدمه بزند

.نياز دارند تا از آنها طرحهاي موثر و ايمن بدست آيد

. كنند ايل و ابزار پزشكي از دماي بدن براي بازگشت به حالت اوليه خود استفاده مياصوالً وس

ف دماي بدن و دماي محيط كم است و ممكن است غلب موارد اختال الزم به ذكر است كه در ا

115

يكي از راه حلهاي . قطعه قبل از اين كه در بدن ايمپلنت شود، در آن پديده بازيافت اتفاق افتد

بي باالتر استفاده شود و پس از جايگذاري به منظور ينست كه از آلياژ با دماي بازيااين مشكل ا

به هر حال ممكن است بافت حتي در دماي . گرم نمكي شسته شود لانبساط قطعه با محلو

يك راه حل . لذا محدوده تغييرات دما كم خواهد بود. دچار تخريب گردد cپايين مانند

گرم شود تا ) پالسي (هتر براي ابزارهاي كوچك اين است قطعه با استفاده از جريان متناوب ب

).15-6(شكل. اتالف حرارت به سمت بيرون ايمپلنت، يعني بافت كم شود

.آلياژهاي حافظه دار تحليل حرارتي .15- 6شكل

116

تحليل به روش المان محدود - 6-15

تواند براي طراحي اجزاي آلياژهاي مي (FEA)) انهاي محدودالم(روش تحليل اجزاي محدود

. رود حافظه دار به كار رود تا اطمينان حاصل شود كه كرنش از حد قابل بازيافت باالتر نمي

هنگام طراحي براي بازيابي شكل بوسيله گرما، بهتر است از روش المانهاي محدود به منظور

رفتار آلياژ حافظه . كرنشهاي قابل برگشت استفاده شودبهينه كردن طرح براي استفاده كامل از

به همين دليل الزم است . دار به شدت غير خطي است و تغيير شكلهاي آن اغلب بزرگ هستند

روش المان محدود كه دردانشگاه داندي . كه از روش خاص المان محدود استفاده شود

(Dundee) ن محدود تجاري طراحي شده است به نحوي است كه با برنامه الما(ANSYS)

خواص االستيك غير خطي مورد نظر حاصل از اعدادي است كه با آزمايش تنش . سازگار است

.آيند كرنش بدست مي –

شود المان ساخته مي) هگزاهدرال(در اين روش، مدل سه بعدي طرح بوسيله المانهاي بلوكي

. و تغيير شكل باال را داشته باشند تا قابليتهاي كرنش ANSYS)( در نرم افزار SOL ID 95نوع

كرنش با انتخاب يك مدل االستيك كه در چند قسمت خطي است –رابطه غير خطي تنش

در واقع يك تابع غير خطي با چند تابع كه در بازه هاي كوچكتر خطي . شود سازي مي مدل

ت كشش، هم كرنش نمونه آلياژ حافظه دار از تس –مقادير مربوطه تنش . شود هستند مدل مي

با استفاده از اين روش دمايي كه .آيند در حالت بارگذاري و هم در حالت باربرداري بدست مي

شوند، با شود، دماي تغيير شكل اوليه و دماي بازيافت شكل تحليل مي در هنگام توليد ايجاد مي

117

كرنش –تنش انجام محاسبات براي بارگذاري و باربرداري از قطعه و استفاده از داده هاي كافي

.شود براي هر قسمت، با سازگاري رفتار هيسترزيس مواد اثبات مي

تحقق خواهند 2015ساير كاربردهاي مواد هوشمند كه احتماالً تا سال - 6-16

:يافت عبارتند از

هاي اطالعات تعامل اند، با سيستمهايي كه به شرايط مختلف آب و هوايي حساسلباس -

كنند، قادر به ترشح مواد دارويي هستند و جراحات را به طور ا كنترل ميدارند، عالئم حياتي ر

. كنندخودكار محافظت مي

.كنندهايي كه خود را با شرايط آب و هوايي سازگار ميايرفويل -

.كنندهايي كه خود را با شرايط آب و هوايي سازگار ميساختمان -

. كنندرا مرمت ميهايي كه ترك را احساس و آن ها و جادهپل -

. كنندسيم آشپزي ميهايي كه با دستورات بيآشپزخانه -

.كننداستفاده مي "واقعيت مجازي"هاي ها و مراكز تفريحي كه از تكنيكتلفن -

البته سطح پيشرفت )احتماالً در تعامل مستقيم با مراكز درماني( تشخيص پزشكي شخصي -

ندگي روزمره بيشتر به ميزان استقبال مشتريان بستگي دارد ها با زو عجين شدن اين تكنولوژي

.هاي فنيها و پيشرفتتا به توسعه

118

ها عالوه بر عملكردهاي تجسس و شناسايي كه ذيل مواد هوشمند تشريح شد، توسعه روبات

تري براي كشف و تخريب مواد منفجره و قاچاق و عمليات در منجر به حسگرهاي نو و قوي

) هامثل باتري(افزايش عملكرد مواد، چه در منابع انرژي . ر خطرناك خواهد شدهاي بسيامحيط

سازي اين عملكردها با قدرت پذيري و همچنين يكپارچههاي حسگري و تحريكو چه قابليت

.محاسبات كامپيوتري، راه ظهور كاربردهاي ياد شده را هموارتر خواهد ساخت

اطالعات حسگري و . هايي نيز به همراه خواهد داشتها و تنشاين روندهاي بالقوه، دغدغه

. كنندهايي را پيرامون حريم خصوصي افراد ايجاد مياي، نگرانيهاي دادهدسترسي به پايگاه

هاي بازار گذاري و پيشرانسرانجام اينكه، آهنگ توسعه مواد هوشمند احتماالً به سطوح سرمايه

هاي آني ناشي از كاربرد مواد جوييفع و صرفهدر بسياري موارد منا. بستگي خواهد داشت

هوشمند، پيشران توسعه خواهند بود، اما نبايد ترديد داشت كه تحقيقات نامتعارف مواد،

.تر استهاي بلند مدتگذارينيازمند حمايت افكار عمومي و ايمان به سرمايه

119

:فصل هفتم

ايج و پيشنهاداتنت

120

:گيري نتيجه -7-1

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

ل استفاده از توان آلياژهاي حافظه دار در سيستمهاي پيچيده و فعاهمچنين .اند فراهم نموده

.است كننده هاي كنترل از راه دور شروع به گسترش نموده

به طريقه دوم تغيير حالت متالورژيكي در آلياژهاي حافظه دار تغيير حالت مارتنزيتي -1

جامدات مربوط بوده و در آن تغيير آرايش اتمي بدون هيچ وابستگي به زمان و تغييري در

.وابسته به دما انجام مي گيرد تركيب شيميايي فاز جديد، به صورت هماهنگ و

رفتار حافظه دار شدن با تغيير مكان به صورت شبه برشي امكان پذير مي باشد كه در آن -2

.اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شوند

حافظه دار شدن بدون تغيير درحجم نمونه اوليه درقلويي در برش ناهمگن مكانيزم دو -3

.است

.ژ خاصيت كشساني نامحدودي پيدا مي كند عي كاذب، آليادر رفتار ارتجا-4

.ي به دو صورت يك طرفه و دو طرفه در آلياژهاي حافظه دار قابل بررسي استااثر حافظه -5

121

.متالورژي پودر ساخته مي شوند -2ذوب و ريخته گري -1آلياژهاي حافظه دار به روش -6

همچون مقاومت در مقابل خوردگي ،سازگاري به دليل داشتن ويژگي هايي NiTi آلياژهاي-7

زيستي باال، قابليت توليد در اندازه هاي خيلي كوچك ، خاصيت ارتجاعي باال و توليد نيرو در

.تجهيزات مهندسي پزشكي كاربرد فراوان دارند

:پيشنهادات -7-2

توانند از ه ميصنايعي كعالوه براستفاده پزشكان از وسايل پزشكي در حال حاضر در كشور ما

در . باشند سازي مياين مواد استفاده كنند، صنعت خودرو، صنايع لوازم خانگي و ابزارهاي قالب

تاكيد كرد و آنها را به استفاده از )آليازهاي حافظه دار( اين صنايع بايد بر مصرف مواد هوشمند

بيتي شوند، جذاا باعث مياين مواد ترغيب نمود، زيرا عالوه بر اينكه كارايي باالتر محصوالت ر

كنند، موفقيت اين صنايع را به دنبال كه اين مواد در ايجاد كاربردها و خدمات جديد ايجاد مي

اي كه بر سر راه توسعه اين مواد وجود دارد، قيمت باالي اين مواد مشكل عمده. خواهند داشت

مواد گران اين الزم براي توليدهر چند مواد اوليه . گرددمحور بودن آنها برمياست كه به دانش

است ولي نقش مهمي در قيمت تمام شده آنها ندارد و قيمت آنها بيشتر به دانش فني مورد

تيراژ پايين عامل ديگري است كه باعث افزايش . استفاده براي توليد اين مواد مربوط است

ليد اين مواد مانعي آالت گران مورد استفاده براي توضمناً ماشين. قيمت اين مواد شده است

. گذاري در اين زمينه است براي توسعة سرمايه

122

ناپذير است؛ چون امري اجتناب آلياژهاي حافظه دارفضا استفاده از البته در صنايعي مثل هوا

تواند در آنجا حضور فيزيكي در اغلب اين كاربردها خصوصاً در فضا به دليل اينكه انسان نمي

ل در اين زمينه ترين مثاساده. توانند نقش مهمي ايفا كنندمي افظه دارآلياژهاي حداشته باشد،

بلكه . تواند يك ماهواره را با طول و اندازة واقعي خود به فضا پرتاب كنداين است كه بشر نمي

بايد در ابتدا ابعاد آنرا كوچك كند تا بعد از قرارگرفتن ماهواره در مدار خود، ابعادش گسترش

.ممكن نيست )آلياژهاي حافظه دار( ر جز با استفاده از مواد هوشمنداين كا. يابد

123

نابعم

مجله فني و مهندسي ساخت و توليد، آلياژهاي حافظه دار] 1[

مجموعه مقاالت اولين همايش سيستم هاي دفاعي هوشمند آلياژهاي حافظه دار و ]2[

كاربردهاي آنها در ساختارهاي هوشمند

[3] Y.Q.Fu, etal, "Micro mirror structure actuated by NiTi shape

memory thin films", Journal of micromechanics and micro

engineering, vol 15, 2005, pp 1872-1877.

[4] K.Otsuka, X.Ren, "Physical metallurgy of TiNi based shape

memory alloys", progress in materials science, vol 50, 2005, pp 511-

678.

مجموع مقاالت چهارمين همايش مهندسي مواد و متالورژي دانشگاههاي ايران] 5[

[6] S.Miyazaki, A.Ishida, "Martensitic transformation and shape

memory behavior in sputter-deposited TiNi base thin films", Materials

Science and Engineering, vol 273A, 1999, pp 106-133.

[7] Medical applications of SHAPE MEMORY ALLOYS, L.G.

Machado1and M.A. Savi2

[8] Duerig TM, Pelton A & Stöckel D (1999). An overview of nitinol

medical applications. Materials Science and Engineering A, 273-

275:149-160.

124