Инвар , также известный как FeNi36 ( 64FeNi в США), представляет собой сплав никеля и железа , отличающийся уникальным низким коэффициентом теплового расширения (КТР или α). Название «инвар» происходит от слова «неизменный» , что указывает на его относительное отсутствие расширения или сжатия при изменении температуры, [1] и является зарегистрированной торговой маркой ArcelorMittal . [2]
Открытие сплава было сделано в 1895 году швейцарским физиком Шарлем Эдуардом Гийомом, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1920 году. Это позволило усовершенствовать научные приборы. [3]
Как и другие составы никеля/железа, инвар представляет собой твердый раствор ; то есть это однофазный сплав . В одной коммерческой марке, называемой инвар 36, он состоит приблизительно из 36% никеля и 64% железа, [4] имеет температуру плавления 1427C, плотность 8,05 г/см3 и удельное сопротивление 8,2 x 10-5 Ом·см. [5] Диапазон инвара был описан учеными Westinghouse в 1961 году как «30–45 атомных процентов никеля». [6]
Обычные марки инвара имеют коэффициент теплового расширения (обозначаемый α и измеряемый в диапазоне от 20 °C до 100 °C) около 1,2 × 10−6 K − 1 (1,2 ppm /°C), в то время как обычные стали имеют значения около 11–15 ppm/°C. [ необходима цитата ] Сверхчистые марки (<0,1% Co ) могут легко давать значения до 0,62–0,65 ppm/°C. [ необходима цитата ] Некоторые составы демонстрируют характеристики отрицательного теплового расширения (NTE). [ необходима цитата ] Хотя он демонстрирует высокую размерную стабильность в диапазоне температур, он имеет склонность к ползучести . [7] [8]
Инвар используется там, где требуется высокая размерная стабильность, например, в точных приборах, часах, сейсмических датчиках ползучести, рамах теневых масок цветных телевизионных трубок , [9] клапанах в двигателях и крупных формах для авиационных конструкций. [10]
Одним из первых применений было использование в балансирах часов и маятниковых стержнях для точных регуляторных часов . На момент изобретения маятниковые часы были самым точным хронометром в мире, а предел точности измерения времени был обусловлен тепловыми изменениями длины маятников часов. Часы-регулятор Рифлера, разработанные в 1898 году Клеменсом Рифлером, первые часы, в которых использовался инварный маятник, имели точность 10 миллисекунд в день и служили основным стандартом времени в военно-морских обсерваториях и для национальных служб времени до 1930-х годов.
В геодезии , когда необходимо выполнить нивелирование первого порядка (высокоточное) , нивелирная рейка (нивелирный стержень) изготавливается из инвара, а не из дерева, стекловолокна или других металлов. [11] [12] Инварные стойки использовались в некоторых поршнях для ограничения их теплового расширения внутри цилиндров. [13] При производстве крупных конструкций из композитных материалов для форм для выкладки углеродного волокна в аэрокосмической промышленности инвар используется для облегчения изготовления деталей с чрезвычайно жесткими допусками. [14]
В астрономии инвар используется в качестве структурных компонентов, поддерживающих размерно-чувствительную оптику астрономических телескопов. [15] Превосходная размерная стабильность инвара позволяет астрономическим телескопам значительно повысить точность и достоверность наблюдений.
Существуют разновидности исходного материала инвар, которые имеют несколько иной коэффициент теплового расширения, например:
Детальное объяснение аномально низкого КТР Инвара оказалось неуловимым для физиков.
Все богатые железом гранецентрированные кубические сплавы Fe–Ni демонстрируют аномалии инвара в своих измеренных тепловых и магнитных свойствах, которые непрерывно изменяются по интенсивности с изменением состава сплава. Ученые когда-то предположили, что поведение инвара было прямым следствием перехода от высокого магнитного момента к низкому магнитному моменту, происходящего в гранецентрированной кубической серии Fe–Ni (и который дает начало минералу антитэниту ); однако эта теория оказалась неверной. [16] Вместо этого, по-видимому, переходу от низкого момента к высокому моменту предшествует фрустрированное ферромагнитное состояние с высоким магнитным моментом , в котором магнитные обменные связи Fe–Fe имеют большой магнитообъемный эффект правильного знака и величины, чтобы создать наблюдаемую аномалию теплового расширения. [17]
Ван и др. рассмотрели статистическую смесь между полностью ферромагнитной (FM) конфигурацией и конфигурациями с переворотом спина (SFC) в Fe
3Pt со свободными энергиями FM и SFC, предсказанными из расчетов из первых принципов, и смогли предсказать температурные диапазоны отрицательного теплового расширения при различных давлениях. [18] Было показано, что все отдельные FM и SFC имеют положительное тепловое расширение, а отрицательное тепловое расширение возникает из-за увеличения популяций SFC с меньшими объемами, чем у FM. [19]
премия по физике 1920 года была присуждена Шарлю Эдуарду Гийому
"в знак признания заслуг, которые он оказал прецизионным измерениям в физике, открыв аномалии в сплавах никелевой стали"
.