الف) : کاربردهای کلی آلیاژهای حافظه شکل:
آلیاژهای حافظه دار کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارند. از جمله این کاربردها ، کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی ، هوافضا ، صنایع خودروسازی ، صنایع الکترونی و البته صنایع عمرانی می باشد.
علت کاربردهای فراوان این ماده سه خصوصیت منحصر به فرد آن است:
۱-رفتار سوپر الاستیک (ابرکشسان):همانگونه که پیشتر گفته شد اثرابرکشسان به پدیده ای اطلاق می شود که در آنSMAها (البته تحت شرائط خاص خود) می توانند مقدار زیادی از تغییرشکل های غیر الاستیک را متحمل شوند و پس از حذف بار شکل اولیه خود را بدون کرنش پسماند بازیابی کنند.این خاصیت در وسایل سوپرالاستیک که انعطاف پذیری بالا و یا قابلیت تحمل نیروی گشتاوری زیاد نیاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد. این مواد توانائی جذب مقادیر زیاد کرنش را دارند. از جمله این مواد آلیاژ NiTi می باشد.
۲-اثر حافظه شکلی: طبق تعریف قبلی اثر حافظه شکلی به پدیده ای اطلاق می شود که در آن نمونه های تغییر شکل یافته این آلیاژها به واسطه این خصوصیت منحصر به فرد در اثر اعمال یک سیکل حرارتی به شکل اولیه خود باز می گردند.این خاصیت در وسایل اثر حافظه داری برای بازیابی شکل ویژه جسم تحت دمائی بالاتر از دمای تغییر حالت استفاده می شود. از این اثر همچنین برای ایجاد نیرو یا انجام کار استفاده می شود (مثل بست ها و اتصالات)
۳- خاصیت میرا کنندگی: همان طور که گفته شد این آلیاژها مقاومت خستگی بسیار خوبی دارند و به علاوه به راحتی تغییر فرم می دهند و در نتیجه می توان از این مواد در جذب کننده های ارتعاش ، سیم های با مقاومت خستگی بالا و ابزار جراحی با خم شدن مکرراستفاده نمود .
ب) کاربرد آلیاژهای حافظه دار شکلی در مهندسی عمران:
۱-کاربرد غیر فعال [۵]: شامل سیستم های جداگر پی و سیستم های استهلاک انرژی (توسط رفتار ابر کشسان)هستند که در آن به منبع خارجی نیاز نیست و نیروهای ضربه ای و تماسی در پاسخ به حرکت سازه ها ایجاد و گسترش داده می شوند.
۲-کاربرد نیمه فعال[۶]: ابزار کنترل نیمه فعال برای تعدیل و تنظیم خصوصیات سازه ای به کار می روند مانند تغییر فرکانس طبیعی سازه. و به طور قابل ملاحظه ای انرژی کمتری از ابزار کنترل فعال مصرف می کنند.
۳-کاربرد فعال[۷]: در این کاربرد یک منبع خارجی محرک هائی را برای به کارگیری نیروهائی به سازه مورد نظر جهت کنترل وارد می کند..کاربرد این مواد با ایجاد رفتار بازگرداننده در سازه به عنوان محرک ها و حسگرها برای کنترل ارتعاشات سازه است.
اکنون به تفضیل به بررسی هریک از این کاربردها و تحقیقات عملی انجام شده درباره آنها می پردازیم.
۲-۲-۱: کنترل غیر فعال
کنترل غیر فعال سازه ها به وسیله SMAها در واقع از خاصیت ابرکشسان برای کاهش تغییرشکل های پلاستیک سازه های تحت بارگذاری شدید ، بهره می گیرد
SMA ها به طور موثر می توانند از طریق دو مکانیسم برای این هدف به کار روند سیستم های جداگر (عایق) پی و سیستم مستهلک کننده انرژی.در یک سیستم جداگر پی ، SMA ها بین بخش فوقانی سازه و زمین ، به منظور ایجاد یک سیستم مجزا و زدودن انرژی لرزه ای منتقل شده از حرکت زمین به بخش بالائی سازه نصب می شود و بنابراین خسارت وارد به بخش فوقانی (اصلی) کاهش می یابد. در سوی دیگر ، در روش استهلاک انرژی ، اجزای SMA مارتنزیتی یا آستنیتی ترکیب شده در سازه ، انرژی ارتعاشی تحمیل شده به سازه را جذب می کنند.(لازم به ذکر است که آلیاژ نیتینول دارای دو فاز به نام های آستنیت[۸] و مارتنزیت[۹] است که به تفضیل در بخش های بعدی درباره آنها بحث خواهد شد) یک جداگر SMA ، مطابق با سطوح مختلف تحریک ، میزان اتلاف انرژی و بازگردانندگی و سختی متغیری را در سازه به وجود می آورد.
۲-۲-۱-۱: ابزارهای جداگر[۱۰]
سیستم های جداگر به کار رفته شامل ابزارهای بازگرداننده سیمی SMAبرای ساختمان ها ، سیستم های جداگر فنری SMA و سیستم های جداگر تاندولی SMA برای قاب های برشی می باشند.
در اصل برای کنترل غیر فعال ارتعاشات ، فاز مارتنزیت ظرفیت میرائی بزرگتری دارد هرچند که نیازمند گرمای خارجی به منظور ایجاد یک تغییرشکل فازی برای بازگرداندن شکل اصلی سازه می باشد و از طرف دیگر SMA های سوپر الاستیک ظرفیت میرائی کمتری دارند اما یک نیروی بازگردانندگی قوی برای بازیابی شکل اولیه سازه دارند و لذا کرنش پسماند کوچکی در این نوع SMA ها باقی خواهد ماند.
به همین علت Docle و همکارانش[۴] میراگرهائی را ساختند که در آن از دو سری حلقه استفاده شده است . یک سری از این حلقه ها در حالت آستنیت برای ایجاد رفتار بازگردانندگی و حلقه دیگر در حالت مارتنزیت برای افزایش ظرفیت استهلاک انرژی به کار می روند. در این سیستم یک مفتول SMA دور سه میله پیچانده شده و به لوله هائی متصل می شود که به صورت متقابل قابل حرکت هستند. یکی از این دو لوله به سازه و دیگری به پی متصل می باشد . وقتی که جابجائی خلاف جهت هم بین سازه و پی ایجاد می شود مفتول ها افزایش طول داده و انرژی اعمالی مستهلک می شود.(شکل ۲-۱)
شکل۲-۱: مدل پیشنهادی Dole [4]
۲
-۲-۱-۲:ابزارهای اتلاف انرژی SMA[11]
ابزارهای اتلاف انرژی SMA در چند حالت دیده شده اند: در بادبندها برای سازه های قابی ، میراگر درپل های معلق کابلی و یا پل های با تکیه گاه ساده ، اتصالات و اجزای اتصال و به عنوان ابزارهای ترمیم و بهسازی برای سازه های قدیمی و تاریخی.
کاربرد SMA ها در بادبندها و پل ها به تفضیل در بخش بعدی بیان می شود.
۲-۲-۱-۲-۱: اتصالات
اتصالات در سازه های مختلف در هنگام زلزله ، مستعد تخریب هستند. می توان از اتصال دهنده های SMA به منظور فراهم آوردن میرائی و تحمل تغییرشکل های نسبتاً بزرگ استفاده نمود.
Spulveda و همکارانش [۹]۴ میله SMA به قطر ۳ و طول ۲۴۰ میلی متر را برای محل های خاص طراحی نموده و سپس مهار کردند و آزمایش ها را به صورت چرخشی انجام دادند . در طول آزمون های مختلف ، میله های به کار رفته در سیستم ، کرنش بالای ۱.۷درصد را به ازای نسبت میرائی بالای ۵.۵ درصد تحمل نموده و دوران های بالای ۰.۰۳ رادیان را بدون هیچ خرابی یا تغییر مکان های پسماند از خود نشان دادند. بعد از ۲۱۶ چرخه ، هیچ نشانه ای از افت در میله ها مشاهده نگردید و کرنش های پسماند یا بجا مانده در میله های SMA قابل چشم پوشی بود.(شکل ۲-۲)
شکل۲-۲:نمونه آزمایشی Spulveda [9]
۲-۲-۱-۲-۲: تقویت و بهسازی سازه های قدیمی
به منظورترمیم برج ناقوس کلیسای S.Gorgio در ایتالیا که به صورت جدی به وسیله زلزله ۱۵ اکتبر ۱۹۹۶ آسیب دیده بود، میله های SMA سوپرالاستیک به کار گرفته شد[۳].
به این ترتیب که از چهار میله فولادی پیش کشیده به همراه[۱۲]SMAD استفاده گردید . این میله ها در چهار گوشه برج از پی تا سقف کشیده شده و در دو انتها مهار گردید. (شکل ۲-۳)
با این روش مقدار نیروی اعمال شده به ستون ها در زلزله در سطح زیر ظرفیت باربری محوری ستون در نظر گرفته شده و مقاومت خمشی سازه افزایش می یابد.
شکل۲-۳ : بهسازی کلیسای S.Gorgio[3]
دیده شد که میله های SMA که در طول ارتفاع برج قرار گرفتند و در پی برج محکم شدند ، سازه را تقویت می کنند و فرکانس های کیفی آن را افزایش می دهند. این برج تاریخی پس از زلزله ای مشابه در سال ۲۰۰۰ سالم ماند.
۲-۲-۲: SMAها برای کنترل فعال سازه ها
در این کاربرد از ویژگی بازگردانندگی شکلی سیم های SMA سوپر الاستیک استفاده می شود.
Li و همکارانش [۷]یک تیر بتن مسلح که به طور موقت توسط سیم های SMAتقویت شده بود را مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار دادند. SMA های به کار رفته در این آزمایش با قطر ۲ میلی متر و از جنس نیکل – تیتانیوم است (شکل ۲-۴). کل فرایند آزمایش به سه مرحله تقسیم گردید: در مرحله ۱ نمونه تا زمانی که تغییر مکان وسط نمونه از مقدار تسلیم که ۵.۵ میلی متر است تجاوز کند بارگذاری گردیده و سپس باربرداری شدند. در مرحله دوم سیم های SMA به وسیله یک جریان الکتریکی ثابت که به بتن اعمال می گردید گرم شدند . نیروهای بازگرداننده موجب کاهش در تغییر طول نمونه و سپس موجب بستن شکاف های ایجاد شده در بتن گردید . در مرحله سوم نیز صفحه ای از نوع CFRP به پائین نمونه اضافه گردید (این صفحه سختی نسبتا بیشتری ازSMA به نمونه می بخشید). نتایج نشان داد که نمونه فاقد میله های تقویت کننده فولادی ، در کاهش تغییر شکل ها بهتر عمل می کنند و همچنین افرایش تعداد سیم های SMA ، تغییر شکل های پسماند را بیشتر کاهش می دهد.وبه این ترتیب به مفهوم جدیدی ازبتن تقویت شده هوشمند (IRC) می رسیم.
شکل۲-۴ : نمونه های مقاوم شده با سیم SMA [7]
۲-۲-۳: SMAها برای کنترل نیمه فعال سازه ها
در یک ابزار نیمه فعال SMA ، سختی یا میرائی در طول اجرا می تواند تغییر کند. به محض گرم کردن محرک های SMA نصب شده روی سازه ، سختی سازه به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت و بنابراین فرکانس طبیعی سازه می تواند بصورت فعالی تغییر یافته و تنظیم شود. Heinonen و همکارانش[۸] کنترل سختی یک فنر به وسیله تغییر شرایط مرزی ، با یک محرک SMA را آزمایش کردند. زمانی که حلقه به صورت عمودی فشرده می شود ، به صورت یک فنر رفتار می کند و در راستای افقی کشیده می شود. ممانعت از تغییر شکل افقی ، سختی در راستای قائم را افزایش می دهد. شکاف بین قاب و حالت محدود شده ، به وسیله گرم کردن SMA بسته می شود . به وسیله سرد کردن SMA به دمای زیر [۱۳]و تغییر شکل معکوس ، و اعمال تنش بیش از تنش تسلیم ، تغییرشکل پایدار برای ایجاد شکاف به وجود آمده و مجدداً قاب در حالت مد نرم عمل می کند که در واقع مد عملکردی وسیله ، توسط دمای رشته SMA کنترل گردید.(شکل های ۲-۵ و ۲-۶)
شکل ۲-۵ : مدهای عملکرنرم و سخت [۸]
شکل ۲-۶: نصب رشته SMA به حلقه[۸]
۲-۳:چگونگی بروز خواص آلیاژهای حافظه دار شکلی
پس از بررسی خواص آلیاژهای حافظه دار به بررسی چگونگی بروز این خواص می پردازیم.
لازم به ذکر است که منظور از آلیاژهای حافظه دار به طور خاص آلیاژ NiTi (Nitinol) می باشد.
۲-۳-۱: تعریف ها و بیان ویژگی های فاز های آلیاژ نیتینول
تعریف فاز: چینش های مختلف اتم های ماده در داخل شبکه کریستالی آن منجر به ایجاد فاز های متفاوت می شود.
آلیاژهای حافظه دار شکلی هوشمند در دو حالت کریستالی مارتنزیت و آستنیت وجود دارند.
حالت آستنیتی در دماهای بالا و تنش پائین پایدار بوده و مسئول ایجاد رفتار فوق الاستیک است. حالت آستنیت دارای سختی و تقارن بیشتری نسبت به حالت مارتنزیت می باشد و دارای ساختار بلوری مکعبی است.
