Şekil hafızalı alaşımlar; martensitik yapıda iken belli bir dış kuvvete maruz kalmaları sonucu değişen orijinal şekillerini, östenit faz sıcaklığına geçtiklerinde büyük oranda geri kazanabilen alaşımlardır (en:shape memory effect). Alaşım östenit fazda iken, herhangi bir sıcaklık değişimi olmaksızın, sadece uygulanan stresin ortadan kalkması sonucu malzemenin orijinal formunu tekrar kazanması ise süperelastisite(en) olarak tanımlanır.
Şekil hafıza mekanizması
Şekil hafızalı alaşımlardaki etki östenit ve martensit olarak bilinen iki yapı arasındaki katı-katı faz transformasyonunun bir sonucudur. Difüzyonsuz gerçekleşen bu dönüşüm düzlemsel kayma benzeri bir mekanizma ile çalışır.
Östenit faz soğutularak martensit forma dönüşür. Martensit(en) birbirine zıt plakaların ardışık kırıklar oluşturarak bir araya gelmesi ile oluşan bir yapı görünümdedir . Bu nedenle stres altında bu yapıyı deforme etmek oldukça kolaydır. Kuvvet altında düzlemsel formunu alan martensit yapısı ısıtılarak tekrar östenit şekline geri döner.
Martensit ve östenit faz arasındaki geçişler sıcaklıkla belli bir yolu takip ederler. Şekil 3'te görülen sıcaklıklar, Ms: Martensit başlangıç (% 100 östenit); Mf: Martensit bitiş (% 0 östenit); As: Östenit başlangıç (% 100 martensit); Af: Östenit bitiş (% 0 martensit) için tanımlanmıştır. Şekilde de görüldüğü gibi soğutularak elde edilen martensit tekrar ısıtıldığında östenit faza doğru giderken aynı yolu takip etmez ve bir histerisis yaratarak daha düşük sıcaklıklarda faz geçişini gerçekleştirir. Süperelastisite ise Af sıcaklığının üzerinde malzemenin strese maruz kalması halinde martensit forma geçişi ve stresin ortadan kalkması ile birlikte östenit fazındaki şekline, hiçbir bozulmaya uğramadan geri dönmesi olarak bilinir. Bunun nedeni stresin ortadan kalkması halinde Af sıcaklığının üzerinde kararlı olmayan martensit formun hızlı bir geçiş yapmasıdır. Stres-bazlı martensit dönüşümü olan süperelastik davranış kayma için kritik stres aşılmadığı sürece geçerlidir. Malzemenin termomekanik muamelerle işlenmesi sonucu kritik stres arttırılabilir.
Şekil hafıza etkisi
Şekil hafıza etkisi tek yönlü ve çift yönlü olabilir. Malzemenin sadece ısıtma ile östenit faza geçiş yapması tek yönlü, ısıtma ile östenit faza geçiş ve tekrar soğutma ile martensit faza geçiş yapması ve bu işlemin birçok kez tekrar edilebilmesi ise çift yönlü şekil hafıza etkisi olarak tanımlanır. Çift yönlü etki malzemenin işlenmesi sırasındaki mekanik-ısıl muameleler ve bu muamelelerin kontrolü ile mümkün olabilir.
Şekil hafızalı alaşım türleri
Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Ni-Ti, Mn-Cu, Ni-Mn-Ga demir bazlı alaşımlar gibi bilinen birçok şekil hafızalı alaşım türü mevcuttur. Nitinol eş atomlu (%50 Ni, %50 Ti) ya da eş atom sayısına yakın değerlerde (genelde %55 Ni) nikel-titanyum atomları içeren intermetalik bir bileşik olarak bilinir. %50-60 uzama ve yüksek çekme dayanımı özelliklerine sahip Nitinol, düşük esneklik (kırılgan yapılar) nedeniyle tane sınırında çatlama ve/veya kırılmaların oluştuğu diğer malzemelere göre üstün bir malzeme olarak birçok uygulamada tercih edilir. NITINOL ismini oluştuğu atomlardan ve ilk keşfedildiği kurumun adını oluşturan kelimelerin başharflerinden alır (NIckel-TItanium, Naval Ordnance Laboratory). Ayrıca yüksek aşınma ve korozyon direnci de bilinen diğer özellikleridir. Aşağıda Nitinole ait niteleyici özellikler verilmiştir.
- Erime sıcaklığı (°C): 1300
- Yoğunluk (g/cm3): 6.45
- Elektrik direnci (micro-ohm*cm) (Yaklaşık olarak)
- Östenit: 100
- Martensit: 70
- Isıl iletkenlik katsayısı (W/cm*°C)
- Östenit: 18
- Martensit: 8.5
- Korozyon direnci: 300 serisi paslanmaz çeliklere veya titanyum alaşımlarına yakın
- Young modülü (GPa) (Yaklaşık olarak)
- Östenit: 83
- Martensit: 28-41
- Akma dayanımı (MPa)
- Östenit: 195-690
- Martensit: 70-140
- Maksimum çekme dayanımı (MPa): 895
- Dönüşüm sıcaklığı (°C): -200 → 110
- Dönüşüm sırasındaki gizil ısı (kJ/kg*atom): 167
- Şekil hafıza gerinimi (%): Maksimum 8.5%
Üretim
Şekil hafızalı alaşımların dönüşüm sıcaklığı malzemenin işlenmesi ve üretimi sırasında uygulanan yöntemlere bağlı olarak değişir. Örneğin, NITINOL içindeki nikel-titanyum atomlarının kompozisyonlarındaki %1’lik değişim dönüşüm sıcaklığında 10 °C kaymaya neden olur. İşleme esnasında oluşabilecek oksitleri ve sisteme katılabilecek safsızlıkları önlemek amacıyla genelde vakum ortamında eritme gerçekleştirilir ve oluşan külçe bilinen dövme, haddeleme, ekstrüzyon gibi diğer yöntemlerle işlenir. Fakat bu tür klasik yöntemler genelde yeterli olmadığından sıcak işlemi takip eden soğuk işleme yöntemi kullanılır. Böylece aşamalı olarak ısıtılarak kontrollü şekillendirilen malzeme, şekil hafıza veya süperelastisite özelliği kazanır.
Uygulama ve kullanım alanları
Süperelastik ve şekil hafıza etkili malzemeler günümüzde pratik ve ileri düzey birçok uygulamada tercih edilmektedirler. Bu malzemeler, makine-teçhizat ve yapı malzemeleri, medikal aygıtlar ve araçlar gibi endüstriyel ve tıbbi uygulamaların yanı sıra; elektronik aygıtlar, uzay araçları gibi ileri düzey uygulamalarda ve süperelastik gözlük çerçeveleri, telefon antenleri gibi günlük hayatı kolaylaştıran birçok üründe kullanılmaktadırlar. Son yıllarda robotik alanında yapılan uygulamalar da yaygınlaşmaktadır.
Nitinol yüksek biyouyumluluk ve süperelastiklik göstermesi nedeniyle intravasküler bir tıbbi gereç olan kalp stentlerinde kullanılır. Dönüşüm sıcaklığı genelde 30 °C olan bu stentler vücut içerisinde Af sıcaklığının üzerinde süperelastiklik davranış gösterirler. Damar içi esnek davranışı ve operasyon kolaylığı nedeniyle tercih edilmektedirler. Ayrıca kataterler ve çeşitli operasyonlarda kullanılan yönlendirici kablolar için de bu malzemeler yaygın olarak kullanılır.
Makine-teçhizat ve yapı gereçleri özellikle şekil hafızalı alaşımların sık tercih edildiği alanlardır. Sıcaklık etkisi ile mekanik davranış gösteren bu malzemeler ısıyı hissederek tepki veren sensörler olarak uygulama bulurlar. Sıcak su ve soğuk su girişleri birbirlerine bir yay sistemi ile bağlanmış olan termal vanalarda, karışım suyu sıcaklığının artması durumunda, şekil hafıza etkili yay geriye doğru açılarak sıcak su girişini kısıtlar ve sıcaklığın ayarlanmasını sağlar. Sıcaklığın azalması ve yayın martensitik geçiş sıcaklığına gelmesi durumunda ise yay tekrar daralarak eski formunu alır. Böylece malzemenin geçiş sıcaklığına dayalı bir termal kontrol sağlanmış olur.
