ekil Hafza Etkisiekil Hafzal Alamlar

Dnem devi12/30/2011

r. Gr : Ali GkenliHazrlayan

Canda SUAL030060159

indekiler

Sayfa No

zet Tarihe Giri ekil Hafzal Malzemeler ekil Hafzal Metallerin Fonksiyonel zellikleri

2 2 3 4 9 910

Tek ve ift ynl hafza etkisi Mekanik Hafza Etkisi

Endstriyel Amal ekil Hafza Alamlar

11 11 12 13 13 14 16 17

NiTi ekil hafzal alamn zellikleri Bakr esasl ekil hafzal alamn zellikleri

Ends tride ekil Hafzal Alamlarn nemi ve Uygulamalar

Mekanik Uygulama Biyomedikal Uygulamalar

Deerlendirme ve Sonu Kaynaka

2

ZETekil hafzal alam (SMA), sya maruz kaldnda nceden belirlenmi ekil veya boyuta tekrar dnebilme yeteneine sahip olan bir grup alam sistemine denir. Malzemelerdeki bu zellie de ekil hafza etkisi denir. Ksacas; ekil hafzal alam dediimizde, uygun artlarda ssal ve mekaniksel olarak ileme tabi tutulduunda nceden tanml olan boyut ve ekline geri dnebilme zellii gsteren metallerden oluan alamlar aklmza gelmelidir.

TARHElk olarak ekil hafzal dnm 1932 ylnda Chang ve Read tarafndan Au-Cd alamlarnda gzlenmitir. 1938 ylnda da bu dnmn pirin (CuZn) malzemede de olduu Greninger ve Mooradian tarafndan saptanmtr. Metalografik gzlemler sonucunda 1951 ylnda AuCd alaml bir ubukta ekil Hafza Etkisi (SME) tespit edilmesinden sonra 1960l yllarda Buehler ve arkadalar tarafndan ABD Donanma Silah Laboratuvarlarnda (Naval Ordnance Laboratory-(NOL)) e-atomlu nikel (Ni) titanyum (Ti) alamlarda ekil Hafza Etkisi belirlenmitir. Bu malzemenin bu laboratuarda bulunmasndan tr nikel, titanyum ve aratrma yaplan laboratuarn ba harflerinde oluan Nitinol adyla patentlemitir. Gnmzde Nitinol telleri endstriyel robotlarda kas fiberleri olarak kullanlmaktadr. Bugn ekil hafzal alamlar artk, orijinal ekillerini hatrlayp bu ekle dnebilmelerinin yan sra, yeni ekiller de renebilmektedirler. Martenzit halde tekrar tekrar deforme edilerek ve stlarak istenilen ekilde ostenit haline getirilen alam, bu sre esnasnda soutulduunda yeni ekle adapte olabilmektedir. Aratrmalarda imdiye kadar ok saydaki alamlarn ekil hafza etkisine sahip olduu bilinmekte ve de bu zellie sahip yeni malzemeler bulmak iin nemli abalar harcanmaktadr. Bugne kadar ok deiik alam elementleri ekil hafza etkisi zellii gstermesine karn, bunlardan sadece yeterince uzayabilen ve ekil deiimlerinde kullanlabilecek kadar kuvvet yaratabilen malzemeler endstriyel olarak ilgi ekici olmutur. Gnmze kadar Ni- Ti alamlar ve bakr esasl olan CuZnAl ve CuAlNi gibi malzemeler endstriyel nemi olan ekil hafzal alamlardr.

3

GRekil hafzal alamlar kristal yaplarnda meydana gelen martenzit ve ostenit faz dnmleri sonucunda ekil deiimi yapabilmektedir. Dk scaklkta martenzit yapya sahipken kolay deformasyona urayan malzeme, uygun scaklkta stldnda yksek scaklk faz olan ostenit faza geerek deformasyon ncesi orijinal ekillerine tekrar dnebilmektedir. Bu malzeme grubu sadece stlmas halinde tek ynl ekil hafzaya sahip malzemeler olarak tanmlanrken, yeniden soutma halinde ise iki ynl ekil hafzal malzemeler olarak tanmlanmaktadrlar. Buda bize byle metallerin, deforme edilmesine karn faz deiimlerini kontrol ederek deformasyonun ortadan kaldrabildiini ortaya koymaktadr. Burada lgin olan, molekllerin birbirlerine ok ok yakn olarak kalmas ve sv hale geen bir katdaki gibi birbirlerinden uzaklamamalardr.

ekil 1. SMA'nn Is ile ilikisi

Dipnot: Canl rnekleri sunumdaki videoda mevcuttur.4

EKL HAFIZALI MALZEMELERAratrmalarda imdiye kadar ok saydaki alamlarn ekil hafza etkisine sahip olduu bilinmekte ve de bu zellie sahip yeni malzemeler bulmak iin nemli abalar harcanmaktadr. Aada imdiye kadar bulunan ekil hafza etkisine zellii gstermesine karn, bunlardan sadece yeterince sahip alamlar ve ekil gsterilmektedir. Fakat bugne kadar ok deiik alam elementleri ekil hafza etkisi uzayabilen deiimlerinde kullanlabilecek kadar kuvvet yaratabilen malzemeler endstriyel olarak ilgi ekici olmutur. Gnmze kadar Ni- Ti alamlar ve bakr esasl olan CuZnAl ve CuAlNi gibi malzemeler endstriyel nemi olan ekil hafzal alamlardr.

ekil 2. SMA' lara ait baz zellikler

Her alamn katlama scakl farkl olduundan martenzitik dnm, belirli bir scaklk aralnda tamamlanmaktadr. Dnmn balang ve bitii gerekte geni bir scaklk araln kapsamasna ramen ou zaman dar bir scaklk aralnda meydana gelmektedir.

5

ekil 3. SMA'n Scaklk Geileri ve Histerisiz Erisi

Martenzitik Dnm Yapsal faz dnmleri difzyonlu ve difzyonsuz olmak zere iki gruba ayrlr. Martenzitik dnmler atomlarn zamandan bamsz ani hareketle meydana geldiinden difzyonsuz dnmler olarak adlandrlr. Kural olarak, tm metaller soutma ve stma scakl yeteri kadar hzl tutulduunda difzyonsuz dnme urayabilirler. Birok metalik veya metalik olmayan bileikler ve minerallerde martenzitik dnm meydana gelebilir. Martenzitik dnmlerin termoelastik ve termoelastik olmayan olmak zere iki tipi vardr. Atomik boyutta scakla bal ostenit martenzit faz dnm ayn zamanda termoelastik martenzit faz dnm olarak adlandrlr. Termoelastik martenzitik dnm srasnda, scaklk drldke martenzit plakalar devaml olarak oluup byrler. Ayn ilemin tersi olarak eer scaklk ykseltilirse plakalar kaybolmaya balar. Burada dnmn6

gerekleebilmesi iin ortamn scaklnn deitirilmesi yada dardan bir yk uygulanmas gerekmektedir. Termoelastik martenzitik dnmde ostenit ve martenzit fazlar arasnda habit dzlemi olarak da adlandrlan bir invaryant dzlemi meydana gelir. Dnm, habit dzleminin hareketiyle ve ayn kimyasal bileim ve ana fazdaki atomik dzeni koruyarak atomlarn kk uyumlu hareketiyle ilerler ve kristal yapdaki deiime ilave olarak habit dzlemindeki bir kesmeyle deformasyona sebep olur. Termoelastik martenzitik dnmde plastik deformasyon ikiz oluumu mekanizmasyla meydana gelirken, SME etkisi gstermeyen alamlarda kayma mekanizmasyla meydana gelir.

ekil 4. SME Gsteren Bir Ti-Ni Alam ve Bir Paslanmaz elikte Meydana Gelen Plastik Deformasyon

7

Deiik bir adan ele almak istersek, normal malzemelerde atomlarn sral halde dizilmesiyle kristal kafes yaplar ve birim hcreler ortaya kmaktadr. Malzemelerin i ve d gerilmeler altnda braklmasyla atom yapsnda deiimler ortaya ktn syleyebiliriz. Bu deiim zellikle bir sra atomun dier sraya gre bir miktar ilerlemesi eklindedir. Genel olarak ikizleme dediimiz olay budur. Ayca bu malzeme yaps iersinde ostenit faz ile martenzit faz arasndaki gei esnasnda ynlendirmeli ikizlenmi martenzit grlmektedir. Bu ynlendirmeli ikizlenmi martenzit, sperelastik deformasyonun temel deformasyon mekanizmas olarak kabul edilmektedir.

ekil 5. SMA'nn Hal Deiimleri

8

Bu bilgilerin nda u karma sahip olabiliriz; martenzit, olduka dk bir gerilme deerinde dahi birka yzde gerinim retecek ekilde kolaylkla deforme edilebilmektedir. Oysa yksek scaklk faz olan ostenit daha fazla akma dayanmna sahip olduundan, kolaylkla deforme edilemez zellik gsterir. Numunenin malzeme yaps ostenite dntnde ekil deiiminin olmadan nceki eklini hatrlamas ile orijinal boyutlarna korunur. Ostenit fazda iken stma veya gerinme olmas geri kazanlabilir bir ekil tutumu salamaz. nk yapda faz deiimi meydana gelmemektedir. Gerilme kaynakl matrenzit oluumu durumunda veya gerilme iletkenliinden yerleen bir yap durumunda bu niteler biimini deitirebilir ve uygulanan gerilme dorultusunda meydana gelen en byk ekil deiimi kararl hale gelene dek deiim devam eder. Sonu olarak birim nite mevcut konfigrasyonda egemen olur. Bu sre sonunda yaratlan makroskobik gerinim, tersine dnm sayesinde kristal yapnn ostenitegeri dnmesi sonucu geri kazanlabilir.

ekil6.

T: Scaklk; (a) Beta fazl kristal; (b) souma ve martenzite dnm sonras

kendiliinden yerleen A,B,C,D ikizlenmi niteler; (c) A nitesi uygulanan gerilme sonunda konfigrasyonda egemen olur ve snma durumunda malzeme beta yapsna dolaysyla orjinal ekline yeniden dner.

9

Bu konunun gncel hayatta nasl etki etkiini bakr ve nikel esasl alamlarn mikroskobik fotoraflarn inceleyerek daha iyi kavrayabiliriz;

A

B ekil 7. A) Bakr esasl ekil deitirme hafzal bir alamda martenzitik yap, B) Ti Al bir alamda TiAl ve Ti3Al fazlara ait lamelli yap

ekil Hafzal Metallerin Fonksiyonel zellikleri1. Tek ve ift ynl hafza etkisi: ou durumlarda hafza etkisi tek ynldr. Yani soutma durumunda ekil hafzal alam, yapsal olarak martenzit fazl yapya dnmesine ramen herhangi bir ekil deiimi sergilenmez. Martenzit yapdaki gerinim miktar birka yzde deerinde olup malzeme stlncaya kadar bnyede tutulur ve s uygulannca ekil kazanm gerekleir. Yenideden soutma durumunda ekil deiimi kendiliinden olamayacandan eer ekil kazanm isteniyorsa o zaman malzeme, harici olarak gerinmeye maruz braklr.

10

ekil 8. Tek Ynl Hafza Etkisi: Numune, Mf Scakl Altnda Yk Uygulanarak Deforme Edilmi (AB) ve Yk Kaldrlm (BC). Kalnt Deformasyon, Numunenin Af Scakl zerine Istlmasyla Ortadan Kalkar (CD ).

ekil hafzal alamlarn bazlarnda iki ynl ekil hafzay grmek mmkndr. Bu tip alamlarda hem stma hem soutma durumunda ekil deiimi sz konusudur. Burada ekil deiimin bykl daima tek ynl hafzal alamlardan elde edilene nispeten olduka azdr. Alam ok kk gerilme kullanlarak dk scaklktaki ekline dnmeye alr. Ista durumunda ekil deiimi iin tek ynl alamlara gre ok yksek gerilmeler harcanabilir.

11

ekil 9. ift Ynl Hafza Etkisi: Af Scakl zerindeki Bir Numuneyi Mf Scakl Altnda Soutmayla Kendiliinden ekil Deiimi Meydana Gelir (AB). Sonradan Af Scakl zerine Tekrar Istmayla Numune lk Haline Geri Dner (BC).

te yandan yaplan usl ilemlerin ve uygulanan mekaniksel metotlarn ou iki ynl yaplan sl ilemin etkisine sahip alamlar retmeye yneliktir. Ama tam ve net bir ekilde deiimi elde etmeyi salayacak olan mikroyapsal gerilmeler retmektir. Bunu iin de souk halde malzeme ekillendirilerek yapda dzgn sral, youn martenzit tabakalar oluturulmaldr. 2. Mekanik Hafza Etkisi Hafza etkisinin ekil deiiminden etkilendii ve bu nedenle 800 MPa a kadar gerilmelerin olutuu uygulamalar iine alan zorlanm dnmdr.

ekil 10. ekil Dnm Gerilmelerinin Oluumu: Numune Mf Scakl Altnda Deforme Edilmi (A B) ve Yk Kaldrlmtr (BC). Dnm Gerilmeleri As ve Af Arasnda Bulunan Sabit Tc Scaklndan Balayan Istmayla Oluur (DE).

Endstriyel Amal ekil Hafza AlamlarEndstride en fazla grlen ekil hafzal NiTi alamlar ve bakr esasl alamlar ticarti deere sahip alam sistemleridir. Bu sistemlerin sahip olduklar zeliikler de birbirinden farkldr. Bakr esasllarda % 475 olan ekil hafza gerinim deeri, NiTi alamlarda % 8 dir. Daha fazla sl kararla sahip NiTi alamlar gerilmeli korozyona kar hassa olan bakr essasllarla kartrldnda mkemmel korozyon direncine ve yksek sneklilie sahip olur. Fakat bakr esasllar daha ucuzdur. Sonuta iki farkl zellikteki bu eitlerin kullanm alanlarna gre ihtiya duyulmas aikardr.12

zelliklerini tablo halinde ksaltacak olursak;1. NiTi ekil hafzal alamn zellikleri

ekil 11. Ni Ti alamnn faz dengediyagram

ekil 12. Tahmini evrim says ile arasndaki iliki

msaade

edilen maxsimum gerinim/ gerilme

13

2. Bakr esasl ekil hafzal alamn zellikleri

14

Ends tride ekil Hafzal Alamlarn nemi ve Uygulamalarekil hafzal alamlar uzay aratrmalarnda, tpta, otomotiv endstrisinde, mikroelektromekanik gibi muhtelif alanlarda eitli uygulamalarda kullanlmak zere balamtr. Byle malzemelerin seimi en nemli faktrlerden birisi ise malzemenin ortamla olan uyumluluun iyi sonular vermesidir. ekil hafzal Alamlar geni i younluu kapasitesi ve byk birim ekil deitirme zelliklerine sahip olmasndan tr bu kategoriye girmektedir. Bu malzemeler u anda, tepki hareketlerinde ki hzn, ihtiyalar dorultusunda nemi az olan uygulamalarda geni eyleme geirme zelliinden dolay yaygn olarak kullanlmaktadr. Uygulamalarda kullanlmak sureti ile uygun bir tasarm yapabilmek iin bu malzemenin doasn anlamak ve tahmin etmek nemlidir. Histerezis, diren ve mikro yapdaki deiimler, sper elastik gibi etkileri bnyesinde tayan bu malzemeler bu suretle karmak bir yapya sahiptir. Bu uygulamalrdan bazlarna deinecek olursak; a-) Mekanik Uygulama: HA ile yaplan endstriyel uygulamalara rnek olarak, Shinkansen hzl trenlerinde ekil 8de gsterildii gibi otomatik ya seviye ayarlaycs olarak kullanlmtr. Trenin yksek hzlara kt vakit ortamdaki scakln artmas ile birlikte HA'dan yaplan yayn tetiklenmesiyle valfin almas salamaktadr. Buradaki ama iki odaya ayrlan dili kutusunun arasndaki balanty salayan deliin amakapamasnn yan scaklk deeriyle sistemin kontrol salanmtr. Dk scaklklarda iki oda arasndaki ya ak akken, scakln artmas durumunda ise yan iki oda arasndaki balants snrlandrma yoluna giderek akkan basnc ayar yaplmaktadr.

ekil 12. Shinkansen hzl trenlerinde otomatik yalama nitesinde SMA'nn uygulanmas.(a) Otomatik yalama nitesinin uyguland Shinkansen Nozomi-700 hzl trenin fotoraf ve kullanlan SMA valfi (b),(c) SMA'dan yaplan valfin i yapsnn dk ve yksek scaklklardaki durumu

15

b-)

Biyomedikal

Uygulamalar: ekil

Hafzal Alamlarn bu fonksiyonel

zelliklerinin avantajndan tr damarlar iindeki kan phtlarn yakalayan bir filtre olarak. NiTi alaml telden yaplm apa eklindeki filtre damar iine sokulmadan nce dz bir tel haline getirilir. Gsterildii gibi damar iine yerletirildikten sonra tel, vcut ss ile harekete geerek filtre fonksiyonu salayacak orijinal ekline dner ve toplardamarn iinden gemekte olan phtlar tutar.

ekil 13. Damarlardaki Kan Phtsn Tutulmas iin SMA'dan Yaplm Filtre

Yine aada gsterildii gibi NiTi alamndan yaplan ve yukarda bahsedilen konuya benzer olarak retilen stent damar tkanklarnda kullanlmaktadr. NiTi alaml telden yaplm stent damar iine sokulmadan nce dz bir tel haline getirilir. Damar iine yerletirildikten sonra stent, vcut ss ile harekete geerek damarn tkanan yerinde orijinal ekline dnerek damardaki tkankln almas salanmaktadr.

ekil 14. Damarlardaki tkanma sorunlarnn zm iin SMA'dan yaplm stent

16

ekil

Hafzal

Alamlarn

sahip

olduklar

elastik

ya

da

sperelastik

zelliklerinden faydalanlarak tasarlanm ve piyasaya srlm birok rn vardr. ok byk deformasyonlar dahi absorbe ederek zarar grmeyen sperelastik NiTi alamdan imal edilmi gzlk ereveleri retilmektedir. Canlnn vcudundaki damarlara yerletirilen NiTi klavuz tellerden ibaret kontrol edilebilir kateterler yaplmtr. Ayrca dilere geni bir hareket imkan salayan ve yllardr kullanlan ortodontik dzeltme ilevli kavisli teller eklinde NiTi rnler vardr.

ekil 15. Ortodontik Dzeltme ilevli Kavisli Tellerin Dilerde Kullanlarak Haftada Alnan Sonular

Hafzal alamlar, medikal uygulamalarn yan sra, uak hidrolik sistemlerinde, yariletken gaz tp balantlarnda, otomotivde radyatr pervanelerinde, egsoz k kontrollerinde, uydu sistemlerinde, termostatik cihazlarda kullanlmaktadr. Bu zelliklerinden tr gn getike kullanm alanlar genileyerek hayatlarmzda yerini alacakladr.

17

Deerlendirme ve Sonu

Bu malzemeler iyapsnda ki yapsal deiikler sonucunda meydana gelen sperelastik ve ekil hafza etkisi gibi stn nedeniyle retilen srecine endstriyel uygulamalarda veya ynelme, alamn zellikleri bir bnyesinde eyleme daha ekil bulundurmas geirici olarak hafif bir ve alternatif

kullanlmasnda byk potansiyel iermektedir. Endstrinin geliim sreci iersinde rnn retilmesi ynndeki sebep sonucunda girilmesine gelitirilmesinde hareket Bu minimum nedenle i esnek, da Hafza nceki minyatrleme deformasyonlar iletim organlarnda yaparak geliim geri

olunmutur.

Alamlarn ekline

dnebilmesinin yannda, faz dnmleri srasnda rettii g ile birlikte performans oran olduka iyidir. Bu malzemelerin i yaplar yani faz dnmleri kontrol altna alnabilinirse bir ok uygulamada aktatr olarak kullanlmas, performans kriterleri olarak dier sistemlere gre avantaj salayacaktr. Her ne kadar u an iin pahal mazlemeler olmalarndan tr yaygn olarak hayatmzda yer almasalar da kullanm alanlarnn artmas ve teknolojinin ilerlemesi ile birlikte daha ucuza mal edilip yaygnlaacaklardr.

18

Kaynaka

ekil Hafzal Alamlarn Kaynak Edilebilirlii (Blent KURT, Nuri ORHAN) ekil hafzal Alamlar ve Endstriyel Uygulamalar ( Ersin Topta, Nihat Akku)http://www.mmo.org.tr/resimler/dosya_ekler/3 9fd53b59e3bb12_ek.pdf?dergi=51 http://en.wikipedia.org/wiki/Shapememory_alloy http://www.stanford.edu/~richlin1/sma/sma.ht ml http://www.youtube.com/watch? v=e2f29Sw7UVc&feature=related http://www.smaterial.com/SMA/sma.html

19