Bu nasl eski haline dnyor? Bu hafzal metal hangi elementlerin bileimidir? Szn ettiiniz hafzal metal, nikel titanyum alam. Bilindii gibi, ayn metal deiik scaklklarda farkl kristal yaplarna sahip olabiliyor. rnein NiTi alam, oda scaklnda martensit yapda iken, 50 Cden daha yksek scaklklarda ostenit yapya brnyor. Ostenit yap daha youn olmakla beraber, martensit yapdan daha yumuak. Dolaysyla, alama nce 50 Cnin zerinde iken belli bir ekil verdiimizi, sonra da oda scaklna kadar souttuumuzu dnelim. Metali oluturan danelerin (grain) kristal yaps, ostenitten martensite dnm, fakat metalin ekli deimemitir. imdi, bu daha sert olan martensit yapdaki metalin eklini, eip bkerek farkl bir hale getirelim. Bu ekil deitirme sreci; kristal yapdaki danelerin arasnda bulunan atomlarn ya da dorusal veya dzlemsel atom gruplarnn, birbirlerinin zerinden kayarak yer deitirmeleri (dislokasyon) anlamna geliyor. lgin olan husus u ki; ekli deimi olan metal tekrar 50 Cnin zerine kadar stldnda; daha nce yer deitirmi olan atom ya da atom gruplar, grece yumuam olan yap ierisinde, kolayca eski yerlerine geri kayabiliyor. Bu, metalin ilk eklini, yeniden kazanmas anlamna geliyor ve metal bylelikle, eski eklini hatrlam oluyor. Metalin eklinde kalc bir deiikliin gerekletirilmesi, yani hafzasna yeni bir eklin naklanmas isteniyorsa eer; metalin yeni ekline sokularak 500 Cnin zerine kadar stlp, ondan sonra yavaa soutulmas gerekiyor. Bu sl ilem srasnda, kristal yapdaki kusurlar, yeni eklin gerektirdii konumlara yerlemelerini salayacak enerjiyi bulabiliyor ve oralara yerleiyorlar, kalc olarak. Ve metal yeni bir ekil kazanm, onu hafzasna kazm oluyor. ekil hafzas etkisi denilen bu olgu, iki ynl olarak da alabiliyor. Byle, ekil deiikliine uratldktan sonra stldnda eski ekline dnen aygtlarn tek ynl hafzaya; belli bir scakln zerinde iken bir, daha dk bir scakln altnda iken de dier bir ekle brnen aygtlarn ise, iki ynl hafzaya sahip olduu sylenir. Szkonusu alamn, rnein banyo musluundan akan suyun belli bir

scakl amas halinde, ekil deitirerek su akn durdurmak suretiyle banyo yapann halanmasn nlemek gibi kullanm alanlar var.EKL HAFIZALI ALAIMLARAyegl AKDOAN*

Kemal NURVEREN

**

* Prof.Dr., Yldz Teknik niversitesi, Makina Fakltesi Makina Mhendislii Blm Makina Malzemesi ve malat Teknolojisi ABD. ** Ar.Gr., Yldz Teknik niversitesi, Makina Fakltesi Makina Mhendislii Blm Makina Malzemesi ve malat Teknolojisi ABD.

ekil hafzal alam terimi, uygun sl ve mekaniksel prosedrlere maruz kaldnda nceden tanml ekil veya boyutuna geri dnebilme yetenei gsteren metalik malzeme gruplar iin kullanlr. ekil hafzal alamlar kararl iki faza sahiptir. Bu fazlar ostenit olarak isimlendirilen yksek scaklk faz ve martenzit olarak isimlendirilen dk scaklk fazdr. ekil hafzal alamlar; birka yzde deerinde tersinebilir gerilme, yksek toparlanma gerilmesi retimi ve yksek g/arlk oran gibi ekici potansiyel zellikler sunar. Bu makalede, ekil hafzal alamlara ve sahip olduklar fonksiyonlara genel olarak deinilmitir. Anahtar szckler : ekil hafzal alam, ekil hafza etkisi, termoelastik martenzitik dnm, Sperelastisite, Endstriyel Uygulamalar.

The term shape memory alloy(SMA) is applied to that group of metallic materials that demonstrate the ability to return to some previously defined shape or size when subjected to the appropriate thermal and mechanical procedures. The SMAs have two stable phases - the high temperature phase, called austenite and the low temperature phase, called martensite. Shape memory alloys offer attractive potentials such as reversible strains of several percent, generation of high recovery stresses and high power/weight ratios. This text gives an overview of the SMAs and their functions. Keywords: Shape memory alloy, shape memory effect, thermoelastic martensitic transformation, superelasticity, Industrial applications.

GRMalzeme biliminde uygun bir sl prosedr ile gerek ekline veya boyutuna geri dnebilme yeteneine sahip metalik malzemeler, ekil hafzal alamlar olarak isimlendirilir. ekil hafzal alamlar sl deiimlere duyarl fonksiyonel malzemelerdir. Temel karakteristikleri, kritik dnm scaklnn zerinde ve altnda iki farkl ekil veya kristal yapsna sahip olmalardr. Nispeten dk scaklklarda deforme edilebilen bu malzemeler, daha yksek scaklklarda deformasyon ncesi ekillerine dnebilmektedirler. Bu malzemeler sadece stma halinde "tek ynl ekil hafzaya sahip malzemeler" olarak tanmlanrken, yeniden soutma halinde ise "iki ynl ekil hafzal malzemeler" olarak tanmlanmaktadrlar[1]. ekil hafzal alamlarn ou termoelastik martenzitik yap sergileyen malzemelerdir. Martenzitik

yapl ekil hafzal alam, dnm scaklnn altnda ikizlenme ve kayma mekanizmalar ile deforme edilebilir. Ana faza dnm iin stma uyguland zaman ikizlenmi olan yap eski haline dner, dolaysyla deformasyon yok edilebilmektedir Uygulamada ekil hafza etkisi gsteren ok sayda alamlarn olduu bilinmekle birlikte bunlar arasnda en ok ilgi grenler nikel-titanyum alamlar ve bakr esasl alamlardr (Tablo 1)

Tablo 1. ekil Hafzal Alamlara Ait Baz zellikler

Alam Ag-Cd Au-Cd Cu-Al-Ni Cu-Sn Cu-Zn Cu-Zn-X(X= Si,Sn,Al) In-Ti Ni-Al Ni-Ti Fe-Pt Mn-Cu Fe-Mn-Si

Kimyasal bileim 44-49 %Cd 46.5-50 %Cd 14-14.5 %Al 3-4.5 %Ni yaklak 15 %Sn 38.5-41.5 %Zn az %X 18-23 %Ti 36-38 %Al 49-51 %Ni yaklak 25 %Pt 5-35 %Cu 32 %Mn, 6 %Si

Dnm scaklk aral (C) -190~-50 30~100 -140~100 -120~30 -180~-10 -180~200 60~100 -180~100 -50~110 yak.-130 -250~180 -200~150

Yaklak dnm histerizisi (C) 15 15 35 10 10 4 10 30 4 25 100

Bu alam sistemlerinden NiTi ve bakr esasl birka alam zerine aratrmalar younlamtr.te yandan bu alamlara olan ilginin yksek olmasnn nedeni olarak, ekil deiimi esnasnda nemli byklkte kuvvet retebilmeye sahip olmalar sylenebilir.

ekil hafzal dnm ilk kez AuCd alamlarnda 1932 ylnda Chang ve Read tarafndan anlalm, 1938'de de sz konusu yapsal dnm pirin malzemede de olduu grlmtr. 1951 ylnda ise AuCd alaml bir ubukta ekil hafzas tespit edilmesinden sonra 1962'de Buehler ve arkadalar tarafndan e-atomlu nikel titanyum alamlarda ekil hafza etkisi belirlenmitir.Bunun sonunda bu alamlarn hem ticari kullanmlarna, hem de metalurjik aratrmalarna hz verilmitir.

Gnmzde ise ekil hafzal alamlar, e zamanl alglayclar ve eyleyiciler olarak kullanldndan byk ilgi ekmektedir.Bunun sonucu olarak, ok kullanlan ekil hafzal alamlarn detayl bir ekilde aklanmas bu makalede ama olmutur.

EKL HAFIZALI ALAIMLARIN GENEL KARAKTERSTKLERekil hafzal alamlarda, yksek scaklktaki ostenitik fazn uzun sren dnm sonucunda

termoelastik

martenzitin

meydana

gelmesi

ilemi

martenzitik

dnm

olarak

isimlendirilir.Atomlarn yer deitirme miktar ok byk olmamasna ramen, hepsinin birden hacimsel ynde ayn dorultuda tanmasndan dolay, dnm sonucunda makroskopik bir ekil deiimi gerekleir. Sonu olarak normal metal ve alamlardan farkl niteliklere sahip olan ekil hafza etkisi ve sperelastisite gibi esiz ve stn zellikler aa kar[3].

Her alamn katlama scakl farkl olduundan martenzitik dnm, belirli bir scaklk aralnda tamamlanmaktadr (ekil 1). Dnmn balang ve bitii gerekte geni bir scaklk araln kapsamasna ramen ou zaman dar bir scaklk aralnda meydana gelmektedir. Dnm srecinde stma ve soutma scaklklar arasnda oluan fark histerizis olarak isimlendirilir ve alam sistemine bal olarak deiir.

ekil 1. Sabit Yk Altndaki Bir Numunede Istma ve Soutma Durumunda Tipik Dnm-Scaklk Erisi. T: scaklk; Th: dnm histerezisi; Ms: martenzit balangc; Mf: martenzit bitii; As: ostenit balangc; Af: ostenit biti.

Bilindii gibi termoelastik martenzit, dk scaklk ya da gerilme deiimleri ile harekete geebilen dk enerjisine ve parlak arayzeyine gre karakterize edilir. Bunun sonucu olarak termoelastik martenzit, dnm esnasnda simetri kayb yznden snrlandrlm olarak tersinebilir.Atermal martenzitin balksrtna benzer ekildeki yaps esasen kendiliinden ekillenen nitelerin etkileimli kaym halidir (ekil 2b). niteler arasndaki ekil deiimi, nitelerin birbirini pasifletirmesine neden olduundan kk deerde makroskopik bir gerinim aa kar. Gerilme kaynakl martenzit oluumu durumunda veya gerilme ile kendiliinden yerleen bir yap durumunda bu niteler biimini deitirebilir ve uygulanan gerilme dorultusunda meydana gelen en byk ekil deiimi kararl hale gelene dek deiim devam eder. Sonu olarak ekil 2c'de grlecei zere birim nite mevcut konfigrasyonda egemen olur. Bu sre sonunda yaratlan makroskobik gerinim, tersine dnm sayesinde kristal yapnn ostenite geri dnmesi sonucu geri kazanlabilir [2].

ekil 2. T:Scaklk; (a) Beta fazl kristal; (b) Soutma ve martenzite dnm sonras kendiliinden yerleen A,B,C ve D ikizlenmi niteler; (c) A nitesi uygulanan gerilme sonunda konfigrasyonda egemen olur ve stma durumunda malzeme beta fazl yapsna dolaysyla orijinal ekline yeniden dner.

Konunun daha iyi anlalabilmesi iin ekil 3'de ise bakr esasl ve nikel esasl alamlara ait optik mikroskop altnda ekilmi yap fotoraflar verilmitir.

(a) (b)ekil 3. eitli ekil Hafzal Alamlarda Grlen Yap Grntleri. (a) Bakr esasl ekil hafzal bir alamda martenzitik yap. (b) Ti-Al bir alamda TiAl ve Ti3Al fazlara ait yapraks (lameler) yap[4].

EKL HAFIZALI ALAIMLARIN ISIL KARAKTERZASYONUekil hafzal alamlarn mekanik zellikleri, belirli bir scaklk aralnda gerekleen yapsal dnmlerine bal olarak byk lde deiir. Bu durum, nikel-titanyum alamna ait gerilmegerinim erisinde kolayca grlebilir (ekil 4).

(a) Ostenit (b) Martenzit (c) Sankielastik

(sperelastik)

davranlar

ekil 4. Farkl Scaklklarda Dnme likin Tipik Gerilme-Gerinim Erileri[3],

Bu ekil alama ait dnm scaklk aralnda, dnm scaklnn altnda ve zerinde NiTi alaml numuneye ekme testi uygulanmas sonucunda oluturulmutur.Bilindii gibi martenzit, olduka dk bir gerilme deerinde dahi birka yzde gerinim retecek ekilde kolaylkla deforme edilebilmektedir. Oysa yksek scaklk faz olan ostenit daha fazla akma dayanmna sahip olduundan kolaylkla deforme edilemez zellik gsterir. ekilde martenzit erisi zerindeki kesikli izgi gerilmenin ortadan kalkmasndan sonra stma durumunu iaret etmektedir. Numunenin malzeme yaps ostenite dntnde ekil deiiminin olmadan nceki eklini hatrlamas ile orijinal boyutlarna korunur. Ostenit fazda iken stma veya gerinme olmas geri kazanlabilir bir ekil tutumu salamaz. nk yapda faz deiimi meydana gelmemektedir. ekil 4a'da malzeme ostenit scaklnn zerinde, ekil 4b'de ostenit scaklnda incelenmitir. ekil 4c'de ise martenzit scaklnda incelenmitir. Bu scaklkta, martenzit gerilme kaynakl olabilmekte ve hemen ekil deitirmeye balayarak, AB hatt boyunca sabit bir gerilme altnda artan bir gerinim sergilemektedir. Yksz durumda azalan gerilmeye ramen malzeme CD hatt boyunca grlecei zere daha dk bir gerilme seviyesinde ostenite dnerek eklini alr. ekil kazanm s uygulanmasndan deil gerilme azalmasndan dolaydr. Bu etki malzemenin ar elastik olmasnn bir sonucudur ve sperelastisite olarak bilinir. Sperelastiklik lineer olmayp, sz konusu scaklk aralnda hem gerilme hem de gerinime bal olduundan alamn Young modlnn belirlenmesi ok zordur. ou durumlarda hafza etkisi tek ynldr. Yani soutma durumunda ekil hafzal alam, yapsal olarak martenzit fazl yapya dnmesine ramen herhangi bir ekil deiimi sergilemez. Martenzit yapdaki gerinim miktar birka yzde deerinde olup malzeme stlncaya kadar bnyede tutulur ve s uygulannca ekil kazanm gerekleir. Yeniden soutma durumunda ekil deiimi kendiliinden

olamayacandan eer ekil kazanm isteniliyorsa o zaman malzeme, harici olarak gerinmeye maruz braklr. ekil hafzal alamlarn bazlarnda iki ynl ekil hafzay grmek mmkndr. Bu tip alamlarda hem stma hem soutma durumunda ekil deiimi sz konusudur. Burada ekil deiiminin bykl daima tek ynl hafzal alamlardan elde edilene nispeten olduka azdr. Alam ok kk gerilme kullanarak dk scaklktaki ekline dnmeye alr. Istma durumunda ekil deiimi iin tek ynl alamlara gre ok yksek gerilmeler harcanabilir. te yandan yaplan sl ilemlerin ve uygulanan mekaniksel metotlarn ou iki ynl ekil hafza etkisine sahip alamlar retmeye yneliktir. Ama tam ve net bir ekil deiimi elde etmeyi salayacak olan mikroyapsal gerilmeler retmektir. Bunun iinde souk halde malzeme ekillendirilerek yapda dzgn sral, youn martenzit tabakalar oluturulmaldr. ekil 5'de nikel esasl ekil hafzal bir alamda sl ilem uygulanmadan nce ve sonra elektron tarama mikroskopunda 1000X bytme ile ekilmi yaplar grlmektedir. Alamn kimyasal bileimi, Ni 65.5%, Cr 9.2%, Co 9.1%, al 5.1%, Ti 4.5%, Mo 2.5%, Fe 0.06%, ve C