Инвар , также известный под общим названием FeNi36 ( 64FeNi в США), является никель - железо сплава отличается уникально низким коэффициентом теплового расширения (КТР или а). Название « Инвар» происходит от слова « неизменный» , что указывает на его относительное отсутствие расширения или сжатия при изменении температуры. [1]
Открытие сплава было сделано в 1896 году швейцарским физиком Шарлем Эдуардом Гийомом, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1920 году. Это позволило усовершенствовать научные инструменты. [2]
Характеристики
Как и другие композиции никель / железо, инвар представляет собой твердый раствор ; то есть это однофазный сплав , который в одном коммерческом предложении состоит примерно из 36% никеля и 64% железа. [3] диапазон инварного был описан как «30-45 атом процентов никеля». [4]
Обычные сорта инвара имеют коэффициент теплового расширения (обозначенный α и измеренный между 20 ° C и 100 ° C) около 1,2 × 10 -6 K -1 (1,2 ppm / ° C), в то время как обычные стали имеют значения около 11–15 частей на миллион / ° C. Особо чистые сорта (<0,1% Со ) могут легко дать значения до 0,62–0,65 частей на миллион / ° C. Некоторые составы демонстрируют характеристики отрицательного теплового расширения (NTE). Хотя он демонстрирует высокую стабильность размеров в широком диапазоне температур, он имеет склонность к ползучести . [ необходима цитата ]
Приложения
Инвар используется там, где требуется высокая размерная стабильность, например, в прецизионных приборах, часах, датчиках сейсмической ползучести, телевизионных рамах теневых масок , [5] клапанах в двигателях и больших пресс-формах для аэроструктур.
Одно из первых его применений было в часовых балансовых колесах и маятниковых стержнях для точных регуляторов . В то время, когда они были изобретены, маятниковые часы были самыми точными хронометрами в мире, а предел точности хронометража был связан с тепловыми изменениями длины маятников часов. Регулятор часы Рифлер разработан в 1898 году Клеменс Рифлер, первых часов пользования Инварная маятник, имел точность в 10 миллисекунд в день, и служил в качестве стандарта начального времени в военно - морских обсерваторий и национальных служб времени вплоть до 1930 - х годов.
При топографической съемке , когда должно быть выполнено выравнивание высот первого порядка (высокоточного) , используемая рейка (выравнивающая рейка) изготовлена из инвара, а не из дерева, стекловолокна или других металлов. [ необходима цитата ] Стойки из инвара использовались в некоторых поршнях для ограничения их теплового расширения внутри цилиндров. [6] При производстве больших конструкций из композитных материалов для форм для укладки углеродного волокна в аэрокосмической отрасли инвар используется для облегчения изготовления деталей с очень жесткими допусками. [7]
Вариации
Существуют варианты исходного материала инвар, которые имеют немного другой коэффициент теплового расширения, например:
- Inovco , который представляет собой Fe – 33Ni – 4.5Co и имеет α 0,55 ppm / ° C (от 20–100 ° C).
- FeNi42 (например, сплав 42 NILO) с содержанием никеля 42% и α ≈ 5,3 ppm / ° C широко используется в качестве материала выводных рамок для электронных компонентов, интегральных схем и т. Д.
- Сплавы FeNiCo, называемые Kovar или Dilver P, обладают такими же характеристиками расширения, как боросиликатное стекло , и поэтому используются для изготовления оптических деталей в широком диапазоне температур и приложений, таких как спутники .
Объяснение аномальных свойств
Подробное объяснение аномально низкого КТР Инвара оказалось труднодостижимым для физиков.
Все богатые железом гранецентрированные кубические сплавы Fe – Ni демонстрируют инварные аномалии в измеренных тепловых и магнитных свойствах, которые непрерывно развиваются по интенсивности с изменяющимся составом сплава. Ученые когда-то предположили, что поведение Инвара было прямым следствием перехода от высокого магнитного момента к низкому магнитному моменту, происходящего в гранецентрированном кубическом ряду Fe – Ni (и это привело к образованию минерала антитенит ); однако эта теория оказалась неверной. [8] Вместо этого, похоже, что переходу с низким моментом / с высоким моментом предшествует фрустрированное ферромагнитное состояние с высоким магнитным моментом, в котором магнитные обменные связи Fe – Fe имеют большой магнитообъемный эффект правильного знака и величина, чтобы создать наблюдаемую аномалию теплового расширения. [9]
Wang et al. рассмотрели статистическую смесь между полностью ферромагнитной (FM) конфигурацией и конфигурациями с переворотом спина (SFC) в Fe
3Pt со свободными энергиями FM и SFC, предсказанными на основе расчетов из первых принципов, и была в состоянии предсказать температурные диапазоны отрицательного теплового расширения при различных давлениях. [10] Было показано, что все индивидуальные FM и SFC имеют положительное тепловое расширение, а отрицательное тепловое расширение происходит из-за увеличения популяции SFC с меньшими объемами, чем у FM. [11]
Смотрите также
- Константан и Манганин , сплавы с относительно постоянным удельным электрическим сопротивлением.
- Элинвар , сплав с относительно постоянной эластичностью в диапазоне температур
- Ситалл и Церодур , керамические материалы с относительно низким тепловым расширением
- Боросиликатное стекло и стекло со сверхнизким коэффициентом расширения, стекла с низким коэффициентом расширения, устойчивые к тепловому удару
Рекомендации
- ^ Дэвис, Джозеф Р. Сплавление: понимание основ . ASM International. С. 587–589. ISBN 0-87170-744-6.
- ^ «Нобелевская премия по физике 1920 года» . nobelprize.org . Нобелевский фонд . Проверено 20 марта 2011 года .
Нобелевская премия по физике 1920 г. была присуждена Шарлю Эдуарду Гийому «в знак признания заслуг, которые он оказал прецизионным измерениям в физике, обнаружив аномалии в сплавах никелевой стали» .
- ^ «Спецификация материала сплава 36» (PDF) . Проверено 24 ноября 2017 года .
- ^ . DOI : 10.1038 / 192962a0 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь );Отсутствует или пусто|title=
( справка ) - ^ «Никель и его применение» . Журнал «Никель» . Институт никеля. 3 мая 2005 года Архивировано из оригинала 19 декабря 2010 . Проверено 20 марта 2011 года .
- ^ Иллюстрированные двигатели внутреннего сгорания . Лонг-Акко, Лондон: Odhams Press Limited. 1947. с. 85.
- ^ Инструменты для формования и штамповки! , Майк Ричардсон, Aerospace Manufacturing, 6 апреля 2018 г., по состоянию на 10 апреля 2018 г.
- ^ К. Лагарек; Д. Г. Ранкур; SK Bose; Б. Саньял; Р.А. Данлэп (2001). «Наблюдение контролируемого составом перехода большой / низкий момент в гранецентрированной кубической системе Fe – Ni: эффект инвара - это расширение, а не сжатие» (PDF) . Журнал магнетизма и магнитных материалов . 236 : 107–130. Bibcode : 2001JMMM..236..107L . DOI : 10.1016 / S0304-8853 (01) 00449-8 . Архивировано из оригинального (PDF) 25 апреля 2012 года.
- ^ Д. Г. Ранкур; М.-З. Блин (1996). «Связь между аномальным магнитообъемным поведением и магнитной фрустрацией в инварных сплавах». Physical Review B . 54 (17): 12225–12231. Bibcode : 1996PhRvB..5412225R . DOI : 10.1103 / PhysRevB.54.12225 .
- ↑ Wang, Y., Shang, SL, Zhang, H., Chen, L.-Q., & Liu, Z.-K. (2010). Термодинамические флуктуации магнитных состояний: Fe 3 Pt в качестве прототипа. Письма философского журнала, 90 (12), 851–859. https://doi.org/10.1080/09500839.2010.508446
- ^ Лю, Цзы-Куи; Ван, Йи; Шан, Шуньли (2014). «Аномалия теплового расширения, регулируемая энтропией» . Научные отчеты . 4 : 7043. Bibcode : 2014NatSR ... 4E7043L . DOI : 10.1038 / srep07043 . PMC 4229665 . PMID 25391631 .
Внешние ссылки
- Что такое инвар?, Antica Orologeria Lamberlan , получено 11 августа 2007 г. Свойства инвара, итальянской фирмы по ремонту старинных часов.