المرونة الزائفة

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 14 صور
الموسوعة الحرة

في علم المواد ، تُعرف المرونة الزائفة ، والتي تُسمى أحيانًا بالمرونة الفائقة ، بأنها استجابة مرنة (قابلة للانعكاس) للإجهاد المطبق ، والناتجة عن تحول طوري بين الطورين الأوستنيتي والمارتنسيتي للبلورة . وتظهر هذه الظاهرة في سبائك الذاكرة الشكلية .

ملخص

تنشأ المرونة الزائفة من الحركة العكسية لحدود النطاقات أثناء التحول الطوري، وليس فقط من تمدد الروابط أو إدخال عيوب في الشبكة البلورية (لذا فهي ليست مرونة فائقة حقيقية بل مرونة زائفة ). حتى لو تم تثبيت حدود النطاقات، يمكن عكس حركتها بالتسخين. وبالتالي، قد تعود المادة المرنة الزائفة إلى شكلها السابق (ومن هنا جاءت تسمية ذاكرة الشكل ) بعد إزالة حتى الإجهادات العالية نسبيًا. إحدى الحالات الخاصة للمرونة الزائفة تُسمى تطابق باين. يتضمن هذا التحول الطوري بين الأوستنيت والمارتنسيت بين شبكة بلورية مركزية الوجوه (FCC) وبنية بلورية رباعية مركزية الجسم (BCT). [ 1 ]

يختلف هذا السلوك اختلافاً جوهرياً عن المرونة واللدونة العاديتين:

  • المرونة العادية : في المعادن أو المواد العادية تحت تأثير الحمل المرن، يكون التشوه قابلاً للانعكاس ولكنه عادةً ما يقتصر على إجهادات صغيرة (مثل أقل من 0.2% للعديد من المعادن). ينشأ التشوه المرن من تغيرات طفيفة في المسافة بين الذرات أو تمدد الروابط، ولا ينتج عنه عيوب دائمة.
  • اللدونة : إذا تجاوز الإجهاد حد المرونة، يحدث تشوه لدني عبر آليات مثل انزلاق الخلع أو التوأمة، مما يُسبب عيوبًا دائمة في الشبكة البلورية. الانفعال اللدني غير قابل للانعكاس - لن تعود المادة إلى شكلها الأصلي تمامًا عند إزالة الحمل.
  • المرونة الفائقة : تتميز المواد فائقة المرونة بقدرتها على استيعاب إجهادات أكبر بكثير (عدة بالمئة) مما تسمح به المرونة العادية، وذلك بشكل عكسي. فبدلاً من الخضوع للتشوه اللدن، تخضع المادة لتحول طوري تحت تأثير الإجهاد. على سبيل المثال، يمكن لمادة النيتينول (NiTi) أن تتشوه بنسبة تصل إلى 8-10% من الإجهاد وتستعيد شكلها بالكامل عند إزالة الحمل. هذا سلوك يشبه المرونة، ولكنه يتحقق من خلال تغير الطور وليس مجرد تمدد الروابط - ومن هنا جاء مصطلح "المرونة الزائفة".

تنتمي السبائك فائقة المرونة إلى عائلة أوسع من سبائك الذاكرة الشكلية . عند تعريضها لحمل ميكانيكي، تتشوه هذه السبائك بشكل عكسي إلى إجهادات عالية جدًا (تصل إلى 10%) نتيجة لتكوين طور جديد ناتج عن الإجهاد . عند إزالة الحمل، يصبح هذا الطور الجديد غير مستقر، وتستعيد المادة شكلها الأصلي. على عكس سبائك الذاكرة الشكلية، لا يتطلب الأمر أي تغيير في درجة الحرارة لكي تستعيد السبيكة شكلها الأولي.

تستفيد الأجهزة فائقة المرونة من تشوهها الكبير والقابل للعكس، وتشمل الهوائيات وإطارات النظارات والدعامات الطبية الحيوية .

المرونة الزائفة للنيكل والتيتانيوم (نيتينول)

تتجلى خاصية المرونة الفائقة بشكل واضح في سبائك الذاكرة الشكلية (SMAs) مثل النيكل والتيتانيوم (NiTi)، والمعروفة أيضًا باسم نيتينول. [ 2 ]

النقاط الرئيسية لآلية عمل النيتينول هي:

  • تحول الأوستنيت إلى المارتنسيت : عند درجات حرارة أعلىأو{\displaystyle A_{f}}تكون سبيكة النيكل والتيتانيوم (NiTi) في حالة السكون في طور الأوستنيت بالكامل. وعند تطبيق إجهاد ميكانيكي كافٍ، تبدأ السبيكة بالتحول إلى المارتنسيت عند درجة حرارة ثابتة (أي التحول متساوي الحرارة ). ويُطلق على هذا التكوين للمارتنسيت الناتج عن الإجهاد اسم المارتنسيت الناتج عن الإجهاد (SIM).
  • التحول العكوس: يمكن للطور المارتنسيتي استيعاب التشوه عن طريق التوأمة (إعادة توجيه شبكته بطريقة تشبه القص دون انزلاق كبير). ونتيجة لذلك، يمكن للمادة أن تتشوه بشكل ملحوظ (إجهاد بنسبة عدة بالمئة) مع تحول الأوستنيت إلى مارتنسيت. والأهم من ذلك، أن هذا التحول المارتنسيتي مرن حراريًا وعكوس. عند إزالة الإجهاد المطبق، يصبح المارتنسيت غير مستقر (لأن المادة لا تزال فوق درجة حرارة التحول).أو{\displaystyle A_{f}}ثم يعود إلى الأوستنيت ، وبالتالي يستعيد الإجهاد. بمعنى آخر، تعود المادة إلى حالتها وشكلها الأصليين.
  • لا حاجة لتغيير درجة الحرارة لاستعادة الشكل: على عكس تأثير ذاكرة الشكل التقليدي، الذي يتطلب التسخين لاستعادة الشكل، فإن المرونة الفائقة لا تتطلب تغييرًا في درجة الحرارة . يحدث التحول العكسي (من المارتنسيت إلى الأوستنيت) بمجرد إزالة الحمل.
  • نطاق درجة الحرارة  : بالنسبة لتركيبة معينة من سبائك الذاكرة الشكلية، تُلاحظ المرونة الفائقة في نطاق درجة حرارة محدود. الحد الأدنى يقع فوق درجة حرارة معينة.أو{\displaystyle A_{f}}(لذا تبدأ السبيكة في الأوستنيت). غالبًا ما يُشار إلى الطرف العلوي بـمد{\displaystyle M_{d}}(درجة الحرارة التي لا يمكن عندها تكوين المارتنسيت بفعل الإجهاد). بالنسبة لنيكل-تيتانيوم،مد{\displaystyle M_{d}}عادةً ما تكون درجة الحرارة أعلى بحوالي 40 درجة مئويةأو{\displaystyle A_{f}}ضمن هذه الفترة، يمكن للإجهاد المطبق أن يحفز تحول المارتنسيت؛ أعلى من ذلكمد{\displaystyle M_{d}}، الأوستنيت مستقر للغاية لدرجة أنه لا يحدث تحت الحمل إلا الخضوع اللدن (الانزلاق).

سلوك الإجهاد والانفعال وخصائصهما

يتميز منحنى الإجهاد والانفعال لسبائك فائقة المرونة (مثل NiTi) بشكل مميز، يعكس تسلسل تحولات الطور أثناء التحميل والتفريغ.

تحميل

أثناء التحميل، يتم ملاحظة ثلاثة أنظمة

  1. الأوستنيت المرن: عند الإجهادات الصغيرة، تستجيب المادة بسلوك مرن عادي كالأوستنيت. يزداد الإجهاد تقريبًا بشكل خطي مع الإجهاد (σ=هـϵ{\displaystyle \sigma =E\epsilon }) حتى النقطة التي يبدأ عندها التحول المارتنسيتي. وتنتهي هذه المرحلة عند إجهاد بدء المارتنسيت.ϵمو{\displaystyle \epsilon _{Mf}}(المقابل للضغط)σمs{\displaystyle \sigma _{Ms}}). بالنسبة لـ NiTi، قد يكون هذا في حدود ~0.5-1% من الإجهاد وبضع مئات من ميجا باسكال من الإجهاد.
  2. مرحلة استقرار الإجهاد - التحول المارتنسيتي: بمجرد أن يصل الإجهاد إلى مستوى كافٍ لتحفيز تكوين المارتنسيت ، يظل الإجهاد ثابتًا تقريبًا ضمن نطاق إجهاد كبير. في هذه المرحلة، لا يتم استيعاب الإجهاد الإضافي عن طريق زيادة الإجهاد (بشكل كبير)، بل عن طريق التحول التدريجي للأوستنيت إلى مارتنسيت (تحول طوري). غالبًا ما يتراوح مستوى إجهاد مرحلة الاستقرار بين 400 و600 ميجا باسكال في سبيكة النيكل والتيتانيوم (بحسب السبيكة/العملية)، ويمكن أن يمتد نطاق إجهاد مرحلة الاستقرار من 5 إلى 8% من الإجهاد.
  3. المارتنسيت المرن والتصلب: بمجرد اكتمال التحول إلى المارتنسيت تقريبًا (عند إجهاد المارتنسيت النهائي)ϵمو{\displaystyle \epsilon _{Mf}}يتطلب المزيد من الإجهاد تشويه المارتنسيت نفسه أو محاذاة المتغيرات المتبقية. يبدأ الإجهاد بالارتفاع بشكل حاد مرة أخرى مع زيادة الانفعال. قد يختلف معامل المرونة للمارتنسيت عن معامل الأوستنيت (غالبًا ما يكون أقل قليلاً)، لكن المنحنى يرتفع حتى يصل إلى أقصى إجهاد/انفعال أو حتى يتوقف التحميل. إذا تم تحميل المادة إلى انفعال عالٍ (يتجاوز انفعال التحول)، فقد يحدث أيضًا بعض التشوه اللدن للمارتنسيت، والذي سيظهر على شكل انحراف عن استعادة الانفعال الكامل لاحقًا.

رياضياً، يمكن كتابة نموذج مثالي مجزأ لمنحنى التحميل فائق المرونة على النحو التالي:

σ(ϵ)={هـϵلو ϵ<ϵمsσمs+α(ϵ-ϵمs)لو ϵمs<ϵ<ϵموσمs+هـ(ϵ-ϵمو+ϵمs)لو ϵمو<ϵ{\displaystyle \sigma (\epsilon )={\begin{cases}E\epsilon &{\text{إذا كان }}\epsilon <\epsilon _{Ms}\\\sigma _{Ms}+\alpha (\epsilon -\epsilon _{Ms})&{\text{إذا كان }}\epsilon _{Ms}<\epsilon <\epsilon _{Mf}\\\sigma _{Ms}+E(\epsilon -\epsilon _{Mf}+\epsilon _{Ms})&{\text{إذا كان }}\epsilon _{Mf}<\epsilon \end{cases}}} أينσ{\displaystyle \sigma }هو الإجهاد،ϵ{\displaystyle \epsilon }يمثل الإجهاد، وE يمثل معامل يونغ .ϵمs{\displaystyle \epsilon _{السيدة}}وϵمو{\displaystyle \epsilon _{Mf}}هي خطوط البداية والنهاية للتحول المارتنسيتي،σمs{\displaystyle \sigma _{Ms}}يمثل الإجهاد في بداية التحول المارتنسيتي، وα{\displaystyle \alpha }هو أحد المعايير المادية.

في الحالة المثالية،α≈0{\displaystyle \alpha \approx 0} لذا فإن مستوى الإجهاد يكون مسطحًا (إجهاد ثابت تمامًا أثناء تغير الطور). ولتبسيط الأمر، يفترض النموذج أعلاه أن إجهاد نهاية التحولσمو=σمs{\displaystyle \sigma _{Mf}=\sigma _{Ms}}(هضبة مسطحة). [ 3 ]

التفريغ

عند تخفيف الحمل، يحدث التسلسل العكسي، ولكن الأهم من ذلك عند مستوى إجهاد أقل. بمجرد تحرير الحمل من الحالة المارتنسيتية الكاملة، يتم تخفيف الحمل عن المادة بشكل مرن في المارتنسيت لفترة وجيزة، ثم تدخل في مرحلة تحول عكسي (يعود المارتنسيت إلى الأوستنيت) عند مستوى إجهاد معين.σأs{\displaystyle \sigma _{As}}وهو أدناهσمs{\displaystyle \sigma _{Ms}}وأخيرًا، بمجرد أن يتحول كل المارتنسيت إلى أوستنيت (عندσأو{\displaystyle \sigma _{Af}}في المرحلة الأخيرة من عملية التفريغ، يكون الجزء الأخير مجرد استعادة مرنة للأوستنيت. ولذلك، ينزاح منحنى التفريغ إلى أسفل مقارنةً بمنحنى التحميل. والنتيجة هي حلقة تخلف في مخطط الإجهاد والانفعال. تمثل المساحة داخل هذه الحلقة الطاقة المبددة لكل دورة (على شكل حرارة) نتيجة الاحتكاك الداخلي وتغير إنتروبيا تحول الطور .

تأثيرات الحجم

في الآونة الأخيرة، ازداد الاهتمام باكتشاف مواد تُظهر مرونة فائقة على المستوى النانوي لتطبيقات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ( MEMS ). وقد أُبلغ سابقًا عن إمكانية التحكم في التحول الطوري المارتنسيتي . [ 4 ] ولكن لوحظ أن سلوك المرونة الفائقة يتأثر بالحجم على المستوى النانوي.

بصورة نوعية، تُعرَّف المرونة الفائقة بأنها التشوه العكوس الناتج عن التحول الطوري. ولذلك، فهي تتنافس مع التشوه اللدن غير العكوس الناتج عن حركة الانخلاعات. على المستوى النانوي، تنخفض كثافة الانخلاعات ومواقع فرانك-ريد المحتملة بشكل كبير، مما يؤدي إلى زيادة إجهاد الخضوع مع انخفاض الحجم. ونتيجة لذلك، وُجد أن المواد التي تُظهر سلوك المرونة الفائقة على المستوى النانوي قادرة على العمل في دورات طويلة الأمد مع تطورات ضارة طفيفة. [ 5 ] من ناحية أخرى، يزداد الإجهاد الحرج لحدوث التحول الطوري المارتنسيتي بسبب انخفاض المواقع المحتملة لبدء التكوين . يبدأ التكوين عادةً بالقرب من الانخلاعات أو عند عيوب السطح. ولكن بالنسبة للمواد النانوية، تنخفض كثافة الانخلاعات بشكل كبير، ويكون السطح عادةً أملسًا على المستوى الذري. لذلك، يكون التحول الطوري للمواد النانوية التي تُظهر المرونة الفائقة متجانسًا في الغالب، مما يؤدي إلى إجهاد حرج أعلى بكثير. [ 6 ] على وجه التحديد، بالنسبة للزركونيا، حيث توجد بثلاثة أطوار، وُجد أن التنافس بين التحول الطوري والتشوه اللدن يعتمد على اتجاه البلورة، [ 7 ] مما يشير إلى اعتماد طاقة تنشيط الانخلاع والتنوي على اتجاه البلورة. لذلك، بالنسبة للمواد النانوية المناسبة للمرونة الفائقة، ينبغي البحث في اتجاه البلورة الأمثل وخشونة السطح لتحقيق أقصى تأثير للمرونة الفائقة.

التطبيقات

الدعامات الطبية الحيوية والأجهزة الطبية

يُعدّ استخدام دعامات التمدد الذاتي في جراحة القلب والأوعية الدموية من أبرز استخدامات مادة النيكل والتيتانيوم فائقة المرونة . إذ يمكن ضغط دعامة النيكل والتيتانيوم وإدخالها في وعاء دموي ، وعند تحريرها عند درجة حرارة الجسم، تعود إلى قطرها الأكبر لدعم الوعاء مفتوحًا. وتتيح خاصية المرونة الفائقة للدعامة تطبيق قوة خارجية ثابتة على مدى نطاق واسع من التشوهات، ومقاومة الانثناء.

إطارات النظارات والمنتجات الاستهلاكية

يمكن ثني إطارات النظارات المصنوعة من سبائك النيكل والتيتانيوم (أو سبائك الذاكرة الشكلية القائمة على النحاس) بشكل كبير (مثلاً عن طريق الليّ أو الجلوس عليها) ثم تعود إلى شكلها الأصلي. وقد جعلت هذه المتانة نظارات "المعدن ذي الذاكرة" المرنة منتجًا استهلاكيًا شائعًا. وبالمثل، تستخدم بعض المعدات الرياضية المتطورة وهوائيات الهواتف المحمولة سبائك فائقة المرونة لمقاومة التشوه.

الفضاء الجوي والهياكل المتغيرة الشكل

تستغل صناعة الطيران والفضاء خاصية المرونة الفائقة لإنتاج مكونات خفيفة الوزن وقابلة للتكيف. ويمكن استخدام المحركات والوصلات المخمدة فائقة المرونة في الهياكل القابلة للنشر أو الأجنحة المتغيرة الشكل. فعلى سبيل المثال، يمكن لقضيب أو وتر مصنوع من سبائك الذاكرة الشكلية فائقة المرونة أن يعمل كمحركات سلبية تتكيف مع التشوه عند بلوغ حمل معين (حماية الهياكل من خلال "الانثناء" ثم الارتداد). وقد تم استكشاف مكونات معدات الهبوط ومحركات الطائرات التي تستخدم حشوات من النيكل والتيتانيوم لامتصاص الصدمات أو الاهتزازات ثم إعادة التمركز الذاتي. إن امتصاص الطاقة العالي لكل وحدة حجم والقدرة على تحمل التشوه الدوري تجعل السبائك فائقة المرونة جذابة لهذه الأغراض.

في تطبيقات الأقمار الصناعية ، تُستخدم عناصر SMA التي يتم التحكم في درجة حرارتها (التي تجمع بين المرونة الفائقة وتأثير ذاكرة الشكل) للهوائيات القابلة للنشر والألواح الشمسية ، وذلك بفضل موثوقيتها وصغر حجمها.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بهاديشيا، إتش كيه دي إتش "مراسلات باين" (ملف PDF) . علم المواد والمعادن . جامعة كامبريدج.
  2. ^ تشين ، وايمي. شي، روي؛ جيانغ، هاو؛ لي، شياو تشيانغ؛ دونغ، غويوي؛ وانغ ، شيبين (2023/08/26). “المرونة الفائقة لسبائك الذاكرة ذات الشكل NiTi المتدرجة هندسيًا” . المعادن . 13 (9): 1518. دوى : 10.3390/met13091518 . ISSN 2075-4701 . 
  3. ↑ أوتسوكا، ك.؛ رين، إكس. (1 يوليو 2005). "علم المعادن الفيزيائي لسبائك الذاكرة الشكلية القائمة على التيتانيوم والنيكل" . التقدم في علوم المواد . 50 (5): 511-678 . doi : 10.1016/j.pmatsci.2004.10.001 . ISSN 0079-6425 . 
  4. ↑ ثورستن كرينك وآخرون (2007). "المرونة الفائقة المغناطيسية وتأثير المغناطيسية الحرارية العكسي في سبيكة النيكل-المنغنيز-الإنديوم". مجلة Physical Review B. 75 ( 10) 104414. arXiv : 0704.1243 . Bibcode : 2007PhRvB..75j4414K . doi : 10.1103/PhysRevB.75.104414 . S2CID 29563170 .  
  5. ↑ ج. سان خوان وآخرون (2014). "دورة المرونة الفائقة طويلة الأمد على المستوى النانوي في أعمدة دقيقة من سبيكة ذاكرة الشكل Cu-Al-Ni". رسائل الفيزياء التطبيقية . 104 (1). AIP: 011901. Bibcode : 2014ApPhL.104a1901S . doi : 10.1063/1.4860951 . 
  6. ↑ ج. سان خوان وآخرون (2013). "المرونة الفائقة وذاكرة الشكل على المستوى النانوي: تأثيرات الحجم على التحول المارتنسيتي". مجلة السبائك والمركبات . 577. إلسيفير: S25– S29. doi : 10.1016/j.jallcom.2011.10.110 . 
  7. ↑ نينغ تشانغ وآخرون (2016). "الآليات المتنافسة بين الانخلاع والتحول الطوري في التشوه اللدن لأعمدة نانوية من الزركونيا رباعية الأضلاع أحادية البلورة والمثبتة بالإيتريوم". أكتا ماتيريليا . 120 : 337-347 . arXiv : 1607.03141 . Bibcode : 2016AcMat.120..337Z . doi : 10.1016/j.actamat.2016.08.075 . S2CID 118512427 .  
  • "استخدام المرونة الفائقة في الطب". https://confluentmedical.com/wp-content/uploads/references/035.pdf#:~:text=,Moreover%20the%20stiffness%20of%20a
  • ليانغ سي، روجرز سي إيه (1990). "العلاقات التكوينية الحرارية الميكانيكية أحادية البعد لمواد ذاكرة الشكل". مجلة أنظمة وهياكل المواد الذكية . 1 (2): 207-234 . doi : 10.1177/1045389x9000100205 . S2CID 135569418 . 
  • ميازاكي إس، أوتسوكا ك، سوزوكي واي (1981). "المرونة الزائفة التحويلية وسلوك التشوه في سبيكة تيتانيوم-50.6% ذري نيكل". سكريبت ميتالورجيكا . 15 (3): 287-292 . doi : 10.1016/0036-9748(81)90346-x .
  • هوو، ي.؛ مولر، إ. (1993). "الديناميكا الحرارية غير المتوازنة للمرونة الزائفة". ميكانيكا الأوساط المتصلة والديناميكا الحرارية . 5 (3). سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​ذ.م.م.: 163-204 . رمز Bibcode : 1993CMT.....5..163H . doi : 10.1007/bf01126524 . ISSN 0935-1175 . S2CID 123040312 .  
  • تاناكا ك.، كوباياشي س.، ساتو ي. (1986). "الميكانيكا الحرارية للتحول المرن الزائف وتأثير ذاكرة الشكل في السبائك". المجلة الدولية لللدونة . 2 (1): 59-72 . doi : 10.1016/0749-6419(86)90016-1 .{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  • كاميتا، تورو؛ ماتسوزاكي، يوجي (1998-08-01). "نظرية المرونة الزائفة أحادية البعد لسبائك ذاكرة الشكل". المواد والهياكل الذكية . 7 (4). دار نشر IOP: 489-495 . Bibcode : 1998SMaS....7..489K . doi : 10.1088/0964-1726/7/4/008 . ISSN: 0964-1726 . S2CID: 250834042 .  
  • يامادا، ي. (1992-09-01). "نظرية المرونة الزائفة وتأثير ذاكرة الشكل". مجلة Physical Review B ، 46 (10). الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS): 5906-5911 . Bibcode : 1992PhRvB..46.5906Y . doi : 10.1103/physrevb.46.5906 . ISSN 0163-1829 . PMID 10002272 .