HAFIZALI MALZEMELER Çağatay SÜMER Sadık Kaan İPEK İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ KOMPOZİT MALZEMELER HAFIZALI MALZEMELER Çağatay SÜMER Sadık Kaan İPEK Abdullah Ahmet ŞENTÜRK

Hafızalı Malzemeler Tarihçesi Şekil hafızalı donüşüm ilk kez AuCd alasımlarında 1932 yılında Chang ve Read tarafından anlasılmıs, 1938'de de soz konusu yapısal donusum pirinç malzemede de olduğu görülmüştür. 1951 yılında ise AuCd alaşımlı bir cubukta şekil hafızası tespit edilmesinden sonra 1962'de Buehler ve arkadasları tarafından es-atomlu nikel titanyum alasımlarda sekil hafıza etkisi belirlenmistir.Bunun sonunda bu alasımların hem ticari kullanımlarına, hem de metalurjik arastırmalarına hız verilmiştir.

Hafızalı Malzemeler Nedir ? Şekil hafızalı alaşım terimi, uygun ısıl ve mekaniksel prosedürlere maruz kaldığında önceden tanımlı şekil veya boyutuna geri dönebilme yeteneği gösteren metalik malzeme grupları için kullanılır.

Hafızalı Malzemeler Yapısı ve Çeşitleri Şekil hafızalı alaşımlar kararlı iki faza sahiptir. Bu fazlar ostenit olarak isimlendirilen yüksek sıcaklık fazı ve martenzit olarak isimlendirilen düşük sıcaklık fazıdır. Esas itibari ile şekil hafızalı alaşımlar üç ana grupta toplanabilir. Bunlar nikel- titanyum esaslı, bakır esaslı ve demir esaslı şekil hafızalı alaşımlardır.

Martenzitik Dönüşüm Martenzit ilk olarak su verilmiş çeliklerin içyapısında gözlemlenmiştir. Çelik bir malzemeye yüksek sıcaklıkta ostenitik fazdan su verilirse martenzit meydana gelmektedir. YMK ostenit bölgeler, HMK ya da tetragonal hacim merkezli kafeslere sahip mercek veya tabak şeklindeki bölgelere dönüşmektedir. Böyle dönüşümlerle ortaya çıkan kristaller “martenzit”, atomik difüzyonsuz kafes dönüşümleri ise “martenzitik dönüşümler” olarak isimlendirilmektedir. Difüzyonsuz martenzitik dönüşümler çelik dışında pek çok metal, alaşım ve bileşiklerde de gözlemlendiğinden dolayı günümüzde “martenzitik dönüşüm” terimi yaygın olarak kullanılmaktadır.

Martenzitik Dönüşüm Martenzitik dönüşüm difüzyonsuzdur. Dönüşüm sonrasında belirli bir miktarda şekilsel değişim veya yüzeysel gevşeme gözlemlenir. Martenzit faz içerisinde çözünen atomların derişimi, ana fazda çözünen atomların derişimine eşittir. Ötektoid dönüşümlerde görülen uzun mesafeli difüzyon olayı görülmez [4]. Mikroskobik şekil değişimlerine neden olan bir kafes çarpılması söz konusudur [5]. Ana faz ve martenzit faz kafesleri arasında belirli bir yönelim ilişkisi vardır. Kafes hatalarının varlığı martenzit kristallerinde kaçınılmazdır.

Martenzit Yapısı ve Çeşitleri Martenzit yapısı şekil hafızalı malzemelerdeki sistemi gereği iki şekilde oluşmaktadır. Termoelastik Martenzitik Dönüşüm Deformasyon Nedenli Martenzitik Dönüşüm

Termoelastik Martenzitik Dönüşüm Şekilde görüldüğü üzere elektrik direnci ve sıcaklık arasındaki grafikten yola çıkarak iki farklı alaşım olan FeNi ve AuCd alaşım elemanlarının sıcaklık ile oluşan direnç davranışları arasında FeNi nin 400’ C ve AuCd için bu histerisiz eğrisi daha dar ve 15’C civarındadır. Bu iki alaşım elemanı arasındaki yüzey enerjisi yani plastik deformasyon için gereken enerji ihmal edilecek kadar küçük olduğundan iki alaşım arasındaki plastik deformasyon oranları farklı boyutlarda gerçekleşecektir.

Defromasyon Nedenli Martenzitik Dönüşüm entropideki değişim martenzitin oluşmaya başladığı gerilme değeri Deformasyon nedenli dönüşümün iki durumu söz konusudur. Ms üzerindeki bir sıcaklıkta deformasyon uygulanması durumunda martenzit, akma gerilmesinden daha küçük değerde olan gerilmeler altında çekirdeklenmekte ve büyüyebilmektedir. Bu yolla oluşan martenzit “gerilme nedenli” martenzit olarak adlandırılır. Burada olası bir plastik gerinim, dönüşümün plastisitesinden dolayıdır. Oluşan martenzitin hacimsel oranı, var olan gerinim ile doğrusal olarak ilişkilidir. Bize bu oranı Claisus Clayperon bağıntısı vermktedir. martenzitin kayma unsuru ile büyümesinden dolayı elde edilen maksimum gerinim miktarıdır sıcaklıktaki değişim

Gerilme nedenli martenzit yoluyla sözde elastik deformasyonun şematik gösterimi Sözde elastik bölge üzerinde bir gerime sonucu şekil değişim miktarı arttırılırsa malzemede kalıcı deformasyon meydana gelmeye başlar ve malzeme elastisitesini bu bölgeden sonra kaybetmeye başlar.

Martenzit dönüşümün basit gösterimi

Hafıza sisteminin basit gösterimi

Martenzit Dönüşümün Basit Modeli Martenzitik faz dönüşümü ile ortaya çıkan mikro yapının önceden tahmin edilebilirliği, malzeme bilimindeki temel problemlerden biridir. Martenzite göre daha yüksek bir kristal simetrisine sahip olan ostenitik ana fazın dönüşümü sonucunda, emsalsiz bir dizi, kafes etkileşimli martenzitik varyantların oluşumu gözlenir. Ana fazdan martenzite dönüşüm esnasında meydana gelen kafes deformasyonları, açığa çıkan gerinimin en aza düşürüleceğibir yolda dönüşümü ilerlemeye zorlar [6]. Oluşan martenzitik varyantlar kendi yerleşimlerini düzenleyen bir yapısal hareketlenme ile söz konusu gerinim enerjisini azaltıcı bir rol oynamaktadır. Numuneye bir yük uygulandığında, maksimum miktarda toparlanabilir gerinim değerine ulaşılana dek martenzitik varyantlar kendi yer düzenlerini ayarlarlar. Uygulanmış olan yük kaldırıldığında dahi var olan gerinim mevcudiyetini korur. Deformasyona uğramış olan numunenin Af üstündeki bir sıcaklık değerine ısıtılması ile tersine martenzitik dönüşüm gerçekleşerek orijinal şekil, tamamen geri kazanılmış olur.

ŞEKİL HAFIZALI ALAŞIMLARIN ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI Biyomedikal Uygulamalar Medikal Uygulamalarda Kullanılan Kateterler için SÜperelastik Kılavuz Tel. (a) Beyine Ait Bir Uygulama; (b) Kılavuz Telin Görünümü.

ŞEKİL HAFIZALI ALAŞIMLARIN ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI NiTi alaşımından yapılan ve daha önce bahsedilen konuya benzer olarak üretilen stent damar tıkanıklıklarında kullanılmaktadır. NiTi alaşımlı telden yapılmış stent damar içine sokulmadan önce düz bir tel haline getirilir. Damar içine yerleştirildikten sonra stent, vücut ısısı ile harekete geçerek damarın tıkanan yerinde orijinal şekline dönerek damardaki tıkanıklığın açılması sağlanmaktadır. Damarlardaki tıkanma sorunlarının çözümü için SMA'dan yapılmış stent. [1] [2]

ŞEKİL HAFIZALI ALAŞIMLARIN ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI Hafızalı Alaşımların bu fonksiyonel özelliklerinin avantajından ötürü damarlar içindeki kan pıhtılarını yakalayan bir filtre olarak. NiTi alaşımlı telden yapılmış çapa seklindeki filtre yandaki şekilde gösterildiği gibi damar içine sokulmadan önce düz bir tel haline getirilir. Bu tel damar içine yerleştirildikten sonra vücut ısısı ile harekete geçerek filtre fonksiyonu sağlayacak orijinal şekline döner ve toplardamarın içinden geçmekte olan pıhtıları tutar. Damarlardaki kan pıhtısını tutulması için SMA'dan yapılmış filtre [1]

ŞEKİL HAFIZALI ALAŞIMLARIN ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI Mekanik Uygulamalar Shinkansen hızlı trenlerinde Şekil ‘de gösterildiği gibi otomatik yağ seviye ayarlayıcısı olarak kullanılmıştır. Trenin yüksek hızlara çıktığı vakit ortamdaki sıcaklığın artması ile birlikte SHA'dan yapılan yayın tetiklenmesiyle valfin açılması sağlamaktadır. Buradaki amaç iki odaya ayrılan dişli kutusunun arasındaki bağlantıyı sağlayan deliğin açma-kapamasının yağın sıcaklık değeriyle sistemin kontrolü sağlanmıştır. Düşük sıcaklıklarda iki oda arasındaki yağ akısı açıkken, sıcaklığın artması durumunda ise yağın iki oda arasındaki bağlantısı sınırlandırma yoluna giderek akışkan basıncı ayarı yapılmaktadır Shinkansen hızlı trenlerinde otomatik yağlama ünitesinde SMA'nın uygulanması. (a) otomatik yağlama ünitesinin uygulandığı Shinkansen Nozomi-700 hızlı trenin fotoğrafı ve kullanılan SMA valfi (b),(c) SMA'dan yapılan valfin iç yapısının düşük ve yüksek sıcaklıklardaki durumu [3]

ŞEKİL HAFIZALI ALAŞIMLARIN ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI Zorlamalı enerji esaslı urun tipinin en başarılı uygulaması ise Raychem Şirketi’nin yaptığı Cryofit hidrolik kaplinlerdir. Bu kaplinler birleştirilecekleri metal tüpten çok az küçük olacak şekilde dizayn edilmiş silindirik bileziklerdir. Çapları, malzeme martenzitik fazda iken genişletilir, montajı yapılır ve daha sonra ısıtılarak ostenit faza getirilir. Böylece çap yeniden daralıp eski boyutuna dönmeye çalışır ve sıkı bir şekilde metal tüpe montelenir. Metal tüp kaplinin orijinal çapına dönmesini engeller ve yaratılan gerilme sayesinde kaynak işlemi ile elde edilen bir bağlantıya eşdeğer ustun bir birleşme sağlanmış olur.

KAYNAKÇA Auricchio, F., Di Loreto, M., Sacco, E., 2000, “Finite Element Analysis of a Stenotic Artery Revascularization Through A Stent Insertion”, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, Vol. 00, PP. 1-15, Malaysia 2. Auricchio, F., 2002, “Shape Memory Alloys:Applications and Finite-Element Modeling”, Meccanica Strutturake, Universita delgi Studi di Pavia, Italy 3. Otsuka, K. and Ren, X., Recent developments in the research of shape memory alloys, Review, Intermetallics 7,1999. 4. Otsuka, K.,Kakeshita, T., 2002 “Science and Technology of Shape-Memory Alloys:New Developments”, MRS Bulletin 5.Prof.Dr., Yıldız Teknik Universitesi, Makina Fakultesi Makina Muhendisliği Bolumu Makina Malzemesi ve Đmalat Teknolojisi ABD. SEKiL HAFIZALI ALASIMLAR Aysegul AKDOĞAN * Kemal NURVEREN ** 6. Pınar Sakoðlu, Tuğrul Özbecene ‘Şekil Hafızalı Alaşımlar’ Hurdacı Dergisi vol: 5. Pp:01-05 7. Kemal NURVEREN ‘Demir Esaslı Şekil Hafızalı Alaşımlar’ , Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 2, Sayı 1, (2013), 10-16