Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,Mohammad Danesh,Mahmoud Kadkhodaei
محمد مشایخی (استاد مشاور) محمد دانش (استاد مشاور) محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Pejman Shayanfard
پژمان شایان فرد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Numerical and Experimental Investigation of Electro-Thermo-Mechanical Behavior of Shape Memory Alloy Thin Wires
Shape memory alloys are a specific group of materials exhibiting special behaviors which are not seen in other materials. One of these behaviors is shape memory effect, which is related to fully recovery of inelastic strain, caused by loading, due to heating. The other outstanding behavior of these alloys is pseudoelastic effect. Pseudoelastic effect is related to fully recovery of inelastic strains, caused by loading, in the course unloading. Shape memory alloys have growing usage in several areas such as robotics, aerospace, biomechanics and military industries. The aim of this thesis is to numerically and experimentally investigate the electro-thermo-mechanical behavior of thin wires in the mode of shape memory effect. In order to numerically simulate the electro-thermo-mechanical behavior of these alloys, Mohagheghain’s electro-thermo-mechanical model is used. This model, by appending the term of thermal heating, is an extended version of Kadkhodaie’s 1D thermo-mechanical modelm which is derived in a continuum framework. Thermal heating, which has not being noticed in other constitutive models, is important because the most logical and the fastest way to heat these alloys, specially in actuator applications where time response is of importance, is applying electrical current. Simulations contain strain recovery under constant and variable stresses during electrical heating. A constant stress is applied with a dead load, and variable stresses are applied using some bias springs. In order to perform experimental tests, as there was no suitable setup, required equipment for performing electro-thermo-mechanical tests under constant and variable stresses are made. Because of the appearance of the intermediate phase during cooling in the tests, it was decided to investigate the electro-thermo-mechanical behavior of these alloys in the presence of the intermediate phase. In this manner, the performed tests led to proposing a rhombohedral phase diagram. Intermediate or rhombohedral phase plays a significant role in design of shape memory actuators, and neglecting the effects of this phase may lead to considerable errors. In the next part of the thesis, in order to eliminate this intermediate phase, samples are submerged in liquid Nitrogen to completely transform intermediate phase to martensite and therefore the initial phase in the tests would be pure martensite. In a specific pre-stress, time response of a sample in both steps of heating and cooling in three situations of pure martensite, a combination of martensite and rhombohedral phases, and pure rhombohedra are compared; Also tensile tests are carried out on the samples in both pure martensite case and mixture of martensite and rhombohedral case. Electro-thermo-mechanical tests for pure martensite case contain two steps: one at a constant stress and another at variable stresses. In both constant-stress and variable-stress cases, tests are performed with various amount of pre-stresses. Since the intermediate phase just appears during cooling stage and also the model used here can only predict martensite to austenite and austenite to martensite transformations, just the forward (heating) stage is compared to the obtained numerical simulations. Finally the ability of the proposed model in predicting the electro-thermo-mechanical behavior of shape memory alloys in the absence of intermediate phase is investigated. Keywords: Electro-thermo-mechanical model, Shape memory alloy, Pre-stress, Phase diagram, Martensite, Austenite, Rhombohedral, Intermediate phase
آلیاژهای حافظه دار دسته ای خاص از مواد می باشند که رفتارهای منحصر به فردی از خود نشان می دهند که در سایر مواد رایج در صنایع دیده نمی شود. یکی از این خواص منحصر به فرد خاصیت حافظه داری است. خاصیت حافظه داری این مواد مربوط به قابلیت بازیابی کرنش های ماندگار حاصل از بارگذاری به وسیله حرارت دادن می باشد. خاصیت منحصر به فرد دیگر این آلیاژها به قابلیت بازیابی کرنش حاصل از بارگذاری با حذف بار مرتبط می باشد. به این خاصیت آلیاژهای حافظه دار خاصیت شبه الاستیک می گویند. آلیاژهای حافظه دار به طور روز افزونی در کاربردهای مهیج در صنایع مختلف نظیر رباتیک، هوا فضا و پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند. هدف از این تحقیق بررسی رفتار الکتروترمومکانیکی سیم هایی از جنس آلیاژهای حافظه دار،که در دمای محیط از خود خاصیت حافظه داری نشان می دهند، می باشد. برای مدل سازی رفتار الکتروترمومکانیکی این آلیاژها از مدل یک بعدی الکتروترمومکانیکال محققیان در شبیه سازی ها استفاده گردیده است. این مدل بر اساس مدل یک بعدی ترمومکانیکال کدخدایی و در چارچوب مکانیک محیط های پیوسته، با اضافه نمودن ترم ناشی از حرارت دهی الکتریکی، استخراج گردیده است. حرارت دهی الکتریکی، که تا کنون در سایر مدل های ساختاری لحاظ نگردیده، از این جهت مورد اهمیت است که در کاربردهای این آلیاژها به عنوان عملگر، تنها راه منطقی و سریع برای حرارت دهی، عبور جریان الکتریکی می باشد. شبیه سازی ها شامل بازیابی کرنش در تنش ثابت و همچنین بازیابی کرنش در تنش متغییر در حین گرمادهی الکتریکی می باشد. تنش ثابت با آویختن یک بار مرده و تنش متغییر با استفاده از یک یا چند فنر بایاس به سیم های حافظه دار اعمال می گردد. در بخش آزمایشگاهی به دلیل عدم وجود یک سامانه آزمایشگاهی مناسب و مدون، تجهیزات مورد نیاز برای انجام تست های الکتروترمومکانیکی با تنش ثابت و متغییر طراحی و ساخته شد. به دلیل ظهور فاز واسطه در حین سرد کردن در نتایج تست های DSC که بر روی نمونه های موجود انجام پذیرفت، تصمیم بر آن شد که ابتدا رفتار الکتروترمومکانیکی این آلیاژها در حضور فاز واسطه مورد بررسی قرار گیرد. تست ها در این حالت در دو حالت تنش ثابت وتنش متغییر منجر به ارائه ی دیاگرام فازی فاز رامبوهدرال گردید. فاز واسطه یا رامبوهدرال نقش مهمی در طراحی عملگرهای حافظه دار دارد و در نظر نگرفتن خواص این فاز گاهاً منجر به خطاهای عمده ای می گردد. پس از آن نمونه ها برای حذف فاز واسطه در نیتروژن مایع فرو برده شدند تا کل فاز واسطه به مارتنزیت تبدیل گردد. در یکی از تنش ها پاسخ زمانی ماده در هر دو مرحله گرمایش و سرد شدن در سه حالت مارتنزیت خالص، ترکیب فازهای مارتنزیت و رامبوهدرال و رامبوهدرال خالص مورد مقایسه قرار گرفت. همچنین تست کششی در هر دو حالت مارتنزیت خالص و ترکیب فازهای مارتنزیت و رامبوهدرال بر روی نمونه ها انجام پذیرفت. تست های الکترترمومکانیکال در حالت مارتنزیت خالص نیز شامل دو مرحله تست، در تنش ثابت و تنش متغیر، می باشد. در هر مرحله تست ها با پیش تنش های متفاوت صورت پذیرفته اند. به دلیل ظهور فاز واسطه در حین سرد شدن تنها مرحله رفت(گرمایش) با نتایج حاصل از مدل سازی عددی مورد مقایسه قرار گرفتند، چراکه مدل موجود تنها شامل تبدیل فاز مارتنزیت به آستنیت و آستنیت به مارتنزیت می باشد. در انتها توانایی مدل برای پیش بینی رفتار الکتروترمومکانیکی آلیاژهای حافظه دار در غیاب فاز واسطه مورد بحث و بررسی قرار گرفت. کلمات کلیدی: 1- مدل الکتروترمومکانیکال 2- آلیاژ حافظه دار 3- پیش تنش 4- شبیه سازی 5- تست 6- دیاگرام فاز 7- مارتنزیت 8- آستنیت 9- رامبوهدرال 10- فاز واسطه

ارتقاء امنیت وب با وف بومی