بخشی از مقاله
چکیده
آلیاژ حافظه دار NiTiبه علت سازگاری زیستی خوب، مقاومت به خوردگی بالا و انعطاف پذیری عالی و دارا بودن خواص عملکردی خاص نظیر اثر حافظه شکلی و سوپرالاستیسیته، به عنوان ماده ای هوشمند برای کاربردهای پزشکی معرفی شده است.
با این حال در محیطهای خاص از قبیل محیط های دهانی، اثرات تردی ناشی از ورود هیدروژن به داخل ساختار قطعه تحت شرایط سرویس دهی باعث افت خواص مکانیکی و طولانیتر شدن دوره درمان خواهد شد. یکی از مهمترین پارامترهای ریزساختار که روی خواص نهایی تأثیر گذار است، اندازه دانه است.
در این پژوهش آلیاژ با ترکیب اسمی Ti-50 at.% Ni به روش ذوب قوسی تحت خلاء در بوته مسی آبگرد تهیه شد. به منظور ایجاد تغییر در اندازه دانه از عملیات آنیل انحلالی در دماهای مختلف و سریع سرد کردن استفاده شد وآلیاژ با دو اندازه دانه 16 و31 میکرومتر بدست آمد.
برای ایجاد و بررسی تردی هیدروژنی درنمونههای مختلف، نمونهها در زمانهای 8و16ساعت در محلول آبی 2درصد - 0.2 mass %NaF + 0.17mass%H3PO4 - APF با Ph=5 و دمای 37درجه سانتیگراد، قرار داده شدند. به منظور بررسی اثرات هیدروژن بر رفتار شکست نمونهها، مطالعات شکست نگاری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - بر روی هر یک از نمونه ها انجام شد.
نتایج بررسی ها حاکی از آن است که ورود هیدروژن به درون ساختار موجب انتقال ناحیه جوانه زنی ترک از مغز نمونه به نزدیکی سطح آزاد نمونه میشود . با افزایش زمان، اثر تخریب ناشی از تردی هیدروژنی به مراتب بیشتر خواهد بود. هم چنین نتایج نشان می دهد که نمونه با اندازه دانه درشت تر، نسبت به تردی هیدروژنی حساس تر می باشد.
مقدمه
آلیاژ حافظه دار NiTi دسته ای از مواد هوشمندی هستند که به دلیل دارا بودن خواص منحصر به فردی مانند حافظهداری حرارتی و خاصیت سوپر الاستیسیته کاربردهای متنوعی دارند.[1]اثر حافظه داری حرارتی توانایی ماده برای بازیابی مقادیر بالای کرنش به هنگام گرمایش، پس از تغییر شکل در دمای پایین می باشد.در حالیکه اثر سوپرالاستیسیته توانایی ماده برای بازیابی مقادیر بالای کرنش بلافاصله پس از حذف بار مکانیکی می باشد3]،.[2 این خواص به همراه مقاومت به خوردگی خوب و سازگاری زیستی این آلیاژ را برای کاربردهای پزشکی و کاشتنی ها بسیارجذاب کرده است
خاصیت حافظه داری به واسطه استحاله کریستالوگرافی برگشت پذیر از فاز آستنیت با تقارن بالا که در دمای بالا پایدار است به فاز مارتنزیت با تقارن پایین که در دمای پایین پایدار می باشد، سرچشمه می گیرد.این دو فاز تحت تاثیر دما و تنش، استحاله می یابندو تغییر شکل برگشت پذیر بالایی راسبب می شوند
خواص مکانیکی و حافظه داری آلیاژ های حافظه دار نیکل تیتانیم می تواند به وسیله انتخاب مناسب ترکیب، کار مکانیکی و عملیات حرارتی بهبود یابد.کنترل فرآیند تولید به منظور رسیدن به خواص و کیفیت بهتر حایز اهمیت است.
خواص مکانیکی فلزات وآلیاژها به شدت تحت تاثیر میکروساختار است.یکی از مهمترین پارامترهای میکروساختار که روی خواص نهایی تاثیر گذار است، اندازه دانه می باشد
در مقایسه با سایر آلیاژ های حافظه دار، آلیاژ NiTi دارای خواص مکانیکی بهینه ای است. افزایش تنش شکست وکاهش کرنش پسماند طی اعمال چرخه های تنشی و بسیاری از متغییر های دیگر می توانند به طرق مختلف سبب افزایش کاربرد این الیاژها گردند
اندازه دانه می تواند به طور همزمان بر استحکام و چقرمگی اثرگذار باشد.مهمترین روش های تغییر در اندازه دانه استفاده از فرایندهای حرارتی–مکانیکی پیشرفته است. این فرایند شامل نورد سرد وانیل می باشد.به نظر می رسد که این روش در مقایسه با تغییر شکل پلاستیکی شدید و سایر روش ها در تغییر اندازه دانه، پتانسیل بیشتری برای کاربرد عملی دار اتم هیدروژن با داشتن شعاع اتمی 0/32 انگستروم، کوچکترین اتم بوده و به راحتی می تواند به داخل شبکه کریستالی نفوذ کند.
جوانه زنی وتشکیل ریز ترکهای ناشی از تردی هیدروژنی در حین اعمال بار سبب کاهش مقادیر استحکام کششی و استحکام شکست شده و شکست در مقادیر پایین تری از تنش و کرنش به وقوع میپیوندد. آسیب های هیدروژنی شامل پدیده های تردی و ترک برداری هیدروژنی، تشکیل هیدرورهای آلیاژی شکننده، تاول زدن و حمله هیدروژنی در دما و فشارهای بالای اتمسفر حاوی هیدروژن می باشند. در مورد تیتانیوم و فلزاتی که تمایل زیادی به تشکیل هیدرید دارند، هیدروژن حل شده تشکیل ترکیبات ترد هیدرید میدهد. شواهد نشان میدهد که قسمت اعظم شکستهای ناشی از تأثیر محیط در آلیاژهای تیتانیوم، ناشی از واکنش ترک در حال پیشروی با هیدروژن است
تاکنون مطالعات و تحقیقات زیادی پیرامون بررسی اثرات تخریبی هیدروژن در فلزات وآلیاژها صورت گرفته است. تاثیر هیدروژن بر حافظه داری و سوپرالاستیسیته آلیاژ نیکل-تیتانیم موضوع مطالعات پیشین بوده است وکاهش خواص مکانیکی با هیدروژن جذب شده به اثبات رسیده است
هدف از پژوهش حاضر بررسی تأثیر میکروساختار بر تردی هیدروژنی ورفتار شکست آلیاژ حافظه دار نیکل-تیتانیم میباشد.
مواد و روش تحقیق مراحل ساخت آلیاژ حافظه دار را می توان به سه بخش تولید فلز، کار مکانیکی و عملیات حرارتی تقسیم کرد. فرآیند ذوب یکی از متداولترین روشها برای تولید این آلیاژ در مقیاس صنعتی است. در این تحقیق آلیاژ حافظه دار NiTi با ترکیب Ti- 50% Ni فرآوری شد.جهت ساخت آلیاژ حافظه دار NiTi از شمش نیکل و تیتانیوم استفاده شد. مواد اولیه پس از توزین دقیق به مدت 30 دقیقه در محلول استون تمیزکاری التراسونیک شده و جهت ذوب آماده گردیدند.
به منظور ذوب از کوره قوسی تحت خلأ با قالب مسی آبگرد و الکترود دایم استفاده شد. در این روش مواد اولیه در داخل یک بوته قرار گرفته و با ایجاد قوس الکتریکی بین الکترود و مواد اولیه ، حرارت لازم برای ذوب آن ها فراهم می شود. براساس مطالب گفته شده آلودگی در مذاب در این روش به حداقل می رسد. اما به دلیل ساکن بودن حوضچه مذاب که در زیر الکترود قرار دارد، وجود جدایش ها و غیر یکنواختی در ترکیب شیمیایی آلیاژ اجتناب ناپذیر است. در ساخت این آلیاژ جهت یکنواختی ترکیب شیمیایی ،آلیاژ چهار مرتبه ذوب گردید. لازم به ذکر است که روش ذوب قوسی تحت خلأ، روشی مطمین در ساخت آلیاژ نیتینول از منظر کنترل میزان کربن جهت رعایت الزامات استاندارد - استاندارد مواد فلزی برای کاربردهای پزشکی - می باشد.
برای حصول میکرو ساختار عملیات حرارتی ویژه طراحی شد.ابتدا نمونه های کشش توسط دستگاه وایر کات برش داده شدند . به منظور به حداقل رساندن اکسیداسیون نمونه ها حین عملیات حرارتی، نمونه ها درون کپسول های کوارتزی قرار داده شد و سپس هوای درون کپسول تخلیه شد.
به منظور دستیابی به میکرو ساختار کپسول های حاوی نمونهA به مدت زمان یک ساعت، در دمای 850 و کپسول حاوی نمونهB به مدت 2 ساعت، در دمای900 حرارت داده شدند و سپس کپسول ها از درون کوره به داخل نیتروژن مایع انداخته و شکسته شد. کوینچ کردن نمونه ها از تشکیل رسوبات ناخواسته جلوگیری می کند.
برای بررسی ریز ساختار و اندازه دانهها، ابتدا نمونه ها مانت سرد شدند، گفتنی است از آنجا که دماهای استحاله مارتنزیتی و استحاله بازگشتی نمونه ها کم و در حوالی دمای محیط می باشد لذا از انجام مانت گرم خودداری شد.
