Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Kadkhodaei,Fatallah Karimzadeh
محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Farideh Jahanbazi asl
فریده جهانبازی اصل

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Experimental and Theoretical Study of Superelastic Shape Memory Alloy Coil Springs
Shape memory alloys (SMAs) have two particular well- known effects: the shape memory effect and pseudoelasticity (or superelasticity). These special effects originate from martensitic phase transformation between martensite and austenite. The shape memory effect describes restoration of the original shape of a deformed material upon heating, and it results from the phase transformation from martensite to austenite. The pseudoelastic behavior is a material response in which the original shape restores itself upon unloading after a large deformation. Pseudoelastic SMAs can be considerably deformed without being plastically distorted. Employing these two features SMA's have been used in various forms of actuators. In particular, helical spring are the most widely used SMA actuators. To fabricate SMA elements with a desirable shape from elementary products, specific treatments called "shape setting" are required. Shape setting is accomplished by deforming an SMA specimen to a specified shape, constraining the configuration, and conducting appropriate heat treatments. In this work, shape memory alloy helical springs are produced by shape setting two types of wires, one with shape memory effect (SME) and another with pseudoelastic (PE) at the ambient temperature. To achieve this goal, once the wire has been wounded and locked on a screw, shape setting is performed. Then, to reduce the transformation temperatures, especially temperature , samples are heat-treated. Annealing is performed with the use of a tube furnace under inert atmospheric (Ar). Suitable duration and temperature for heat treatment of the shape set springs must be chosen so that transformation temperatures, especially temperature fall below the ambient temperature. Since many factors affect the behavior of shape memory alloys, several conditions such cooling rate, the temperature and time of heat treatment, and also nickel- rich or titanium- rich compositions give rise to different behaviors. Phase transformation temperatures of the products are measured by Differential Scanning Calorimetry (DSC). The method of cooling or the cooling rate has the greatest impact, and time interval of the heat treatment has the less impact on the transformation temperatures. Increase in cooling rate causes reduction in transformation temperatures and increase in stiffness of springs. Mechanical properties of springs are determined by tension and compression tests at different temperatures. Numerically-predicted force-displacement response of the fabricated pseudoelastic spring are shown to be in good agreement with experimental results. Key Words:Shape Memory Alloys, Transformation Temperature, Heat Treatment, Quasi-Elastic Spring
آلیاژهای حافظه دار دسته‌ای از مواد هوشمند با دو ویژگی منحصر به‌فرد حافظه داری و شبه الاستیک می‌باشند. این آلیاژها چنان‌چه تا دمای خاصی حرارت ببینند می‌توانند کرنش‌های ماندگار ایجاد شده در اثر بارگذاری را آزاد کرده و شکل اولیه خود را در دماهای بالا به‌دست آورند. این ویژگی از آلیاژها خاصیت حافظه داری نامیده می‌شود. همچنین جبران تغییر شکل ایجاد شده با استفاده از باربرداری در این آلیاژها خاصیت شبه الاستیک نامیده می‌شود. بسته به این دو ویژگی آلیاژهای حافظه دار در فرم‌های مختلفی به‌عنوان عملگر مورد استفاده قرار می‌گیرند که فنرها یکی از پرکاربردترین این عملگرها می‌باشند. ساخت نمونه‌های حافظه دار با شکل مشخصی با استفاده از آلیاژهای حافظه دار به سادگی مواد عادی نیست و نیازمند عملیات حرارتی در شرایط دمایی و زمانی خاصی می‌باشند. چون اگر آلیاژ دارای خاصیت حافظه داری باشد پس از اعمال حرارت، نمونه به حالت اولیه خود برمی‌گردد. همچنین اگر آلیاژ دارای خاصیت شبه الاستیک باشد پس از باربرداری، نمونه مجددا به حالت اولیه خود برمی‌گردد. بنابراین برای ساخت نمونه‌های حافظه دار عملیات تثبیت شکل لازم می‌باشد. عملیات تثبیت شکل شامل تغییر شکل نمونه اولیه به شکل مورد نظر، مقید کردن نمونه و عملیات حرارتی آن می‌باشد. در این پایان‌نامه هدف ساخت فنر شبه الاستیک با استفاده از دو نوع سیم از جنس نایتینول می‌باشد که یکی دارای خاصیت شبه الاستیک و دیگری دارای خاصیت حافظه داری می‌باشد. برای تحقق این هدف پس از فنرپیچی سیم به دور پیچی با گام و قطر مشخص و مقید کردن آن با استفاده از پیچ و مهره، عملیات تثبیت شکل فنر انجام شده‌است. پس از آن به قصد کاهش دماهای استحاله مخصوصا دمای پایان تشکیل آستنیت ( )، نمونه تحت عملیات حرارتی قرار گرفت. برای عملیات حرارتی نمونه‌ها از کوره لوله‌ای شامل گاز آرگون استفاده شده‌است. دما و زمان مناسب جهت عملیات حرارتی نمونه فنر تثبیت شکل شده می‌بایست به‌گونه‌ای انتخاب شود که دماهای استحاله مخصوصا دمای پایان تشکیل آستنیتی ( ) به پایین‌تر از دمای محیط کاهش یابند. از آن‌جایی که عوامل بسیاری بر رفتار آلیاژهای حافظه دار موثر است این آلیاژها نسبت به شرایط از جمله نحوه خنک شدن، دما و زمان عملیات حرارتی و همچنین غنی از نیکل بودن یا غنی از تیتانیوم بودن رفتارهای بسیار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. دماهای استحاله نمونه‌ها با استفاده از تست DSC استخراج شدند. پس از انجام تست‌های عملیات حرارتی و استخراج دماهای استحاله فنرهای تثبیت شکل شده، ملاحظه شد که نحوه خنک کاری یا به عبارتی سرعت خنک کاری بیشترین تاثیر و مدت زمان عملیات حرارتی کمترین تاثیر را در تغییر دماهای استحاله برای این آلیاژها دارند. همچنین ملاحظه شد که هرچه سرعت خنک کاری نمونه‌ها بیشتر باشد احتمال کاهش دماهای استحاله و نیز سختی نمونه‌ها افزایش می‌یابد. همچنین رفتار مکانیکی فنرهای ساخته شده با استفاده از آزمون کشش و فشار در دماهای مختلف استخراج شدند. پس از ساخت فنر شبه الاستیک نیز نتایج حاصل از تست‌های ترمومکانیکی که همان نمایش خاصیت سوپرالاستیک می‌باشد با نتایج حاصل از مدل‌های موجود مقایسه شدند. واژه‌های کلیدی 1- آلیاژهای حافظه دار 2- دمای استحاله 3- عملیات حرارتی 4- فنر شبه الاستیک

ارتقاء امنیت وب با وف بومی