آلیاژهای حافظه داری شکلی بر پایه آهن ( Iron – based SMAs )

امروزه آلیاژهای حافظه دار شکلی بر پایه آهن به خصوص آلیاژهای از نوع Fe-Mn-Si به دلیل دارا بودن پتانسیل زیاد برای کاربرد در سازه ها توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده اند. سختی بیشتر ، هیسترزیس گرمایی بزرگ تر و هزینه کمتر Fe-SMA نسبت به Ni-Ti ، باعث برتری این آلیاژ در زمینه ساخت و ساز گردیده است. Fe-SMA هم چنین دارای مقاومت خوردگی خوب ، قابلیت کارپذیری کافی و ویژکی های جوش پذیری مناسب می باشد. کاربرد Fe-SMA به ویژه برای اعمال پیش تنیدگی در سازه ها بسیار مفید است. استفاده از اثر حافظه شکلی برای پیش تنیده کردن سازه مزیت های زیادی نسبت به روش های قدیمی تر پیش تنیدگی دارد از جمله اینکه به دلیل توزیع یکنواخت نیروی کششی در طول تاندون پیش تنیدگی از طریق مهار شدن در بتن ، کاهش نیروی پیش تنیدگی وجود ندارد و روشی مناسب برای پیش تنیده کردن اعضای بتنی منحنی شکل می باشد. هم چنین بر خلاف FRP نیاز به لوله های پیش تنیدگی و مهار کردن تاندون ها و جک های هیدرولیکی بزرگ و فضای وسیع لازم برای این جک ها نیست.
در سال ۱۹۸۲ رفتار حافظه شکلی در آلیاژهای Fe-Mn-Si شناخته شد. از آن زمان به بعد آلیاژهای حافظه دار شکلی بر پایه آهن با خاصیت حافظه دار شکلی بهبود یافته ، توسعه پیدا کرده اند. با توجه به روند توسعه این آلیازها ، پیش بینی می شود که قیمت Fe-SMA در سال های آینده بسیار کمتر از قیمت کنونی آن شده و بیش از پیش برای استفاده در صنعت ساختمان مناسب گردند.

تبدیلات فازی رفتار آلیاژهای Fe-Mn-Si

شکل زیر تبدیلات دو فاز آستنیت و مارتنزیت به هم را در اثر اعمال دما و تنش در یک نوع آلیاژ Fe-Mn-Si نشان می دهد. مطابق این شکل وقتی آستنیت تا دمایی کمتر از Mf سرد می شود ، تبدیل آستنیت به مارتنزیت ، بر خلاف آلیاژهای ترموالاستیک که تبدیل مارتنزیتی کامل دارند ، به صورت کامل انجام نمی گیرد ( مسیر ۱ در قسمت الف شکل زیر). علاوه بر این ، گونه های مارتنزیت ایجاد شده در اثر دما را نمی توان به سادگی با اعمال تنش تغییر داد. به همین دلیل ، تبدیل مارتنزیت پیچ خورده به مارتنزیت پس پیچ خورده در دمایی کمتر از M_f یا M_s ( مسیر ۲ در قسمت الف شکل زیر) عموما مورد نظر مهندسان نیست. با این وجود ، اگر دمای اولیه /الیاژ بین A_s و M_s باشد ، مارتنزیت ایجاد شده تحت تنش قابل دستیابی است ( مسیر ۲ در قسمت ب شکل زیر ) ؛ اگر چه باز هم تبدیل آستنیت به مارتنزیت ، کامل صورت نمی گیرد. طی باربرداری ( مسیر ۳ در قسمت ب شکل زیر ) ، تبدیل مارتنزیتی معکوس رخ نمی دهد زیرا که در این ناحیه هر دو فاز پایدارند. هر چند در برخی موارد ، مقداری اثر فوق الاستیک بسته به دمای محیط ، مشاهده شده است که نشان دهنده مقدار جزئی تغییر فاز طی باربرداری است. این محدوده دمایی به دلیل بزرگ بودن هیسترزیس گرمایی Fe- SMA ، نسبتا گسترده می باشد. گرم کردن آلیاژ تا دمای بالای A_f ( مسیر ۴ در قسمت ب شکل زیر  ) باعث تبدیل فاز مارتنزیت به آستنیت خواهد شد که عامل اصلی در ایجاد تنش و کرنش بازگردانی است. ذکر این نکته ضوری است که در این مرحله همه کرنش اولیه قابل بازگشت نخواهد بود.
رفتار فوق الاستیک در آلیاژهای Fe-Mn-Si مشاهده نمی شود زیرا با اعمال تنش به این آلیاژها در دمایی بالاتر از A_f ، به طور غیر قابل بازگشت پلاستیک می شوند ( مسیر ۷ در قسمت ج شکل زیر ). با این حال امروزه انواعی از Fe-SMA با خاصیت فوق الاستیک نظیر Fe-29Ni-18Co-5A1-8Ta-0.01B و Fe-36Mn-8Al-8.6Ni تولید شده اند.

تنش بازگردانی آلیاژ Fe-Mn-Si

هنگام استفاده از تاندون ای پیش تنیده Fe-SMA ، اندازه تنش بازگردانی نقش اساسی در کارایی تاندون ها دارد. عمل آوری مکانیکی تاثیر بسزایی در افزایش مقدار تنش بازگردانی دارد. دیگر عوامل موثر بر اندازه تنش بازگردانی عبارتند از : مقدار کرنش بازگدانی ، ترکیب آلایژ ، ریز ساختار آلیاژ همچون اندازه دانه ها و مقدار و نحوه توزیع ذرات زیر ، حضورت رسوبات VN یا VC.

مقایسه تنش بازگردانی دو آلیاژ Fe-Mn-Si و Ni-Ti

در شکل زیر نمودار تنش – کرنش در آلیاژهای Ni-Ti و Fe-Mn-Si هنگام تولید تنش بازگردانی و مسیر حرارتی – مکانیکی متناظر با این نمودارها ارائه شده است. در آلیاژ Ni-Ti با پیش کشیده کردن مارتنزیت پیچ خورده ، مارتنزیت پس پسچ خورده حاصل می شود. همان طور که در توضیح رفتار حافظه شکلی نیز ذکر شد ، این کرنش ایجاد شده با بارداری قابل بازگشت نمی باشد. از آنجایی که آلیاژ مقید شده است ، هنگام اعمال حرارت به آلیاژ در آن تنش بازگردانی تولید می شود. تنش بازگردانی ایجاد شده ممکن است از مقدار تنش لازم برای تولید مارتنزیت پس پیچ خورده بزرگتر باشد به این دلیل که انرژی لازم برای تبدیل فاز از انرژی لازم برای تغییر ساختار مارتنزیت بیشتر است. با این وجود از آنجایی که Ni-Ti هیسترزیس گرمایی باریک دارد ، هنگام سرد شدن آلیاژ و با رسیدن به دمای آغاز مارتنزیت ، آستنیت به مارتنزیت تبدیل شده و تنش بازگردانی کاهش می یابد. لازم به ذکر است که افزایش تنشی که در نمودار تنش – دما بلافاصله پس از سرد شدن آلیاژ مشاهده می گردد ، به دلیل انقباض حرارتی آلیاژ می باشد. در صورت استفاده از آلیاژ Ni-Ti به عنوان تاندون پیش تنیده ، برای جلوگیری از کاهش تنش بازگردانی باید A_f آلیاژ از دمای محیط کمتر باشد. در این گونه موارد پیش کشیدگی در د مای کمتر از M_f انجام شده و آلیاژ توسط نیتروژن مایع در دمایی کمتر از As نگه داری می شود.
در آلیاژ Fe-Mn-Si پیش کشیدگی عموما در دمای اتاق انجام شده و تبدیل آستنیت به مارتنزیت پس پیچ خورده مستقیما و بدون تشکیل مارتنزیت پیچ خورده انجام می شود. با گرم کردن آلیاژ ، ابتدا تنش به دلی انبساط گرمایی مقداری کاهش می یابد که البته این مقدار با افزایش تنش ناشی از انقباض خنثی خواهد شد. سپس با رسیدن به دمای A_s و آغاز تبدیل فاز ، تنش شروع به افزایش می کند. هیسترزیس گرمایی بزرگ Fe-Mn-Si موجب می شود که کاهش تنش بازگردانی ناشی از سرد شدن آلیاژ Fe-Mn-Si ، قابل توجه نباشد.
محدوده دمایی در نظر گرفته شده در طراحی برای سازه های قرار گرفته در محیط خارجی بین ۲۰- درجه سانتی گراد در زمستان تا ۶۰ درجه سانتی گراد می باشد. SMA مورد استفاده باید در این دما پایدار بوده و تغییر فاز ندهد. توجه به اینکه و آن چه که ذکر شد این نتیجه حاصل می شود که آلیاژهای با هیسترزیس گرمایی بزرگ باید برای کاربردهای پیش تنیدگی مورد استفاده قرار گیرند.