مطالعه رفتار حافظه‌داری دوسویه در آلیاژهای حافظه‌دار

STUDENT

DEGREE

YEAR

: Shape memory alloys (SMAs) have found a wide range of commercial and industrial applications (e.g. in automotive, aerospace, civil and bioengineering areas) since they reveal a reversible martensitic transformation induced by temperature, stress or a combination of the two. One of the major limitations facing the industrial use of this alloy is degradation of the material when subjected to cyclic loadings (i.e., functional fatigue). In most of the applications, structural components and devices made of SMAs work under cyclic thermomechanical loading (i.e. training) and, therefore, are susceptible to functional fatigue. Fatigue of SMAs is a big challenge for these materials and should be managed to promote their engineering applications and to utilize their unique shape memory effect (SME) as well as pseudoelasticity (PE) more effectively. On the other hand, thermomechanical cycling is an important procedure to develop two-way shape memory effect (TWSME) in SMAs. Study of TWSM strain is important because it can be an indicator of the residual stress-induced martensite (RSIM) in an SMA after the training procedure. In this study, degradation in the functional properties of CuAlBe and NiTi SMAs during different thermomechanical training cycles (i.e., functional fatigue) and the resultant two-way shape memory effect are studied using in-situ electric resistivity measurement. Three different training methods are employed to induce TWSM behavior in the specimens. The combined effects of plasticity (dislocation slip) and RSIM on development of TWSME are investigated. Particular attention is paid to the origin of residual strain during different training methods. It is found that these two mechanisms have very different influences on the thermomechanical behaviors of the alloy, including evolutions in the residual strain, development of TWSME and variations in the amount of electric resistivity, during and after training. The results of in-situ electric resistivity measurements can hence be beneficially used to better understand the deformation mechanism of simultaneous plasticity and RSIM during different training procedures. Finally, an extended macroscopic model is developed to take these aspects of the shape memory alloy behaviors into account. Keywords: Shape memory alloy, Training, Functional fatigue, Two-way shape memory effect, Residual strain, Electric resistivity

: استفاده از آلیاژهای حافظه‌‌‌دار به دلیل ویژگی‌‌‌های بسیار ارزنده و کاربردی آنها، در صنایع مختلف مانند صنایع هوایی، صنایع خودروسازی و صنایع پزشکی رو به افزایش است. یکی از ویژگی‌‌‌های بسیار جالب این آلیاژها، اثر حافظه‌‌‌داری دوسویه می‌‌‌باشد. آلیاژ حافظه‌‌‌دار بکر (آموزش ندیده) دارای اثر حافظه‌‌‌داری یک سویه بوده و فقط شکل خود را در فاز آستنیت می‌‌‌تواند بازیابد. در صورتی که آلیاژ حافظه‌‌‌دار، به وسیله بارگذاری‌‌‌های چرخه‌‌‌ای مناسب آموزش ببیند (فرآیند آموزش)، می‌‌‌تواند علاوه بر بازیابی شکل خود در فاز آستنیت، شکل خود را در فاز مارتنزیت نیز در حین سرد شدن بدون اعمال نیرو، بازیابد. از سوی دیگر، در اکثر کاربردها آلیاژ حافظه‌‌‌دار تحت بارگذاری چرخه‌‌‌ای قرار می‌‌‌گیرد و ممکن است به طور ناخواسته و در اثر اینگونه بارگذاری‌‌‌ها، اثر حافظه‌‌‌داری دوسویه در آن ایجاد شود. یکی از بزرگترین موانعی که استفاده از این آلیاژها را در کاربردهای مختلف تحت تاثیر قرار می‌دهد، شناخت کم از رفتار بارگذاری چرخه‌ای (رفتار خستگی) این مواد می‌باشد. در مورد آلیاژهای حافظه‌دار، رفتار خستگی به دو دسته کلی خستگی سازه‌ای و خستگی تابعی تقسیم بندی می‌گردد. خستگی سازه‌ای (همانند خستگی در فلزات معمولی)، شکست بر اثر جوانه‌زنی و رشد ترک در بارگذاری‌های چرخه‌ای می‌باشد. در حالی که خستگی تابعی، افت یا تنزل خواص آلیاژ (تغییر منحنی تنش-کرنش-دما)، در اثر بارگذاری‌های چرخه‌ای بوده و معمولاً نحوه اعمال بارگذاری به گونه‌ای است که ماده تغییر فاز به مارتنزیت ناشی از تنش را تجربه می‌کند. تاکنون مطالعات متعددی برای فهم دقیق رفتار خستگی تابعی در آلیاژهای حافظه‌دار صورت گرفته است. ولی هنوز با قطعیت نمی‌توان گفت که دقیقاً چه مکانیزمی و به چه صورت، منجر به خستگی تابعی این آلیاژها می‌گردد. در این رساله، بارگذاری چرخه‌ای آلیاژهای حافظه‌دار و رفتار چرخه‌ای این مواد با تاکید بر فرآیندهای آموزش مختلف، با دو هدف مهم مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اول، مطالعه رفتار خستگی تابعی، به منظور کاهش اثرات منفی آن (افت خواص ناشی از بارگذاری چرخه‌ای) می‌باشد. هدف دوم، بررسی رفتار حافظه‌داری دوسویه به وجود آمده به منظور دستیابی به فرآیند آموزش مناسب و تعداد چرخه‌های لازم برای ایجاد اثر حافظه‌داری دوسویه پایدار می‌باشد. در رساله حاضر سعی شده، بر اساس نتایج به دست آمده از رفتار حافظه‌‌‌داری دوسویه، منشاء تغییرات به وجود آمده حین بارگذاری چرخه‌‌‌ای (فرآیند آموزش) و به عبارت دیگر منشاء رفتار خستگی تابعی، مورد بحث و بررسی قرار گیرد. در این راستا، علاوه بر اندازه‌گیری پارامترهای ماکروسکوپیک متعارف (مانند کرنش باقیمانده)، مقاومت الکتریکی ویژه ماده نیز اندازه‌گیری شده، تا با استفاده از این پارامتر، بتوان نحوه تغییرات به وجود آمده حین بارگذاری چرخه‌ای و رفتار خستگی تابعی را تشریح نمود. نتایج به دست آمده برای آلیاژ پایه مس CuAlBe، نشان می‌دهد که منشاء کرنش باقیمانده به وجود آمده در این آلیاژ، مارتنزیت باقیمانده می‌باشد. این در حالی است که برای آلیاژ نایتینول، نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که منشاء کرنش باقیمانده، ترکیبی از نابجایی‌ها (کرنش پلاستیک) و مارتنزیت باقیمانده می‌باشد. با در نظر گرفتن سه فرآیند آموزش مختلف برای یک آلیاژ نایتینول، اطلاعات بسیار مفیدی در مورد رفتار خستگی تابعی و همچنین نحوه عملکرد مکانیزم ترکیبی نابجایی‌ها (تغییر شکل پلاستیک) و مارتنزیت باقیمانده، ارائه شده است. در چند حالت خاص، پس از فرآیند آموزش، کرنش حافظه‌داری دوسویه منفی مشاهده شده که این نوع کرنش حافظه‌داری دوسویه، تاکنون برای یک آلیاژ حافظه‌دار پلی‌کریستال گزارش نشده است. علاوه بر این، با استفاده از نتایج تجربی به دست آمده برای آلیاژ نایتینول، یک رهیافت نظری بهبود یافته برای مدل‌سازی فرآیند آموزش و همچنین پیش بینی رفتار حافظه‌داری دوسویه ارائه شده است. کلمات کلیدی: آلیاژهای حافظه‌‌‌دار، فرآیند آموزش، رفتار خستگی تابعی، اثر حافظه‌‌‌داری دوسویه، کرنش باقیمانده، اندازه گیری مقاومت الکتریکی ویژه