Инвар - Invar

Образцы инвара
Коэффициент теплового расширения сплавов никель / железо нанесен на график в зависимости от процентного содержания никеля (на основе массы) в сплаве. Острый минимум наблюдается при инварном отношении 36% Ni.

Инвар, также известный как FeNi36 (64FeNi в США), является никель –утюг сплав отличается уникально низким коэффициент температурного расширения (CTE или α). Название Инвар происходит от слова неизменный, имея в виду его относительное отсутствие расширения или сжатия при изменении температуры.[1]

Открытие сплава было сделано в 1896 году швейцарским физиком. Шарль Эдуард Гийом за что он получил Нобелевская премия по физике в 1920 г. Это позволило усовершенствовать научные приборы.[2]

Характеристики

Как и другие композиции никель / железо, Инвар является Твердый раствор; то есть это одно-фаза сплав, состоящий примерно из 36% никеля и 64% железа.[3]

Обычные марки инвара имеют коэффициент теплового расширения (обозначенный α, при измерении от 20 ° C до 100 ° C) примерно 1,2 × 10−6 K−1 (1.2 промилле / ° C), тогда как у обычных сталей значения составляют около 11–15 частей на миллион. Особо чистые сорта (<0,1% Co ) могут легко получить значения от 0,62–0,65 частей на миллион / ° C. Некоторые составы отображают отрицательное тепловое расширение (NTE) характеристики. Хотя он демонстрирует высокую стабильность размеров в широком диапазоне температур, он имеет склонность к слизняк.

Приложения

Инвар используется там, где требуется высокая стабильность размеров, например, в прецизионных инструментах, часах, датчиках сейсмической ползучести, телевидении. маска-тень кадры[4] клапаны в двигателях и пресс-формах для больших авиастроек.

Одно из первых его применений было в часах балансирные колеса и маятник стержни для точности часы-регулятор. В то время было изобретено маятниковые часы был самым точным хронометристом в мире, и предел точности хронометража был связан с температурными изменениями длины маятников часов. В Часы-регулятор Riefler Разработанные в 1898 году Клеменсом Рифлером, первые часы, в которых использовался инварный маятник, имели точность 10 миллисекунд в день и служили основным эталоном времени в мире. военно-морские обсерватории и для национальных служб времени до 1930-х годов.

В землеустройство, при возвышении первого порядка (высокой точности) выравнивание должен быть выполнен, уровень персонала Используемый (выравнивающий стержень) изготовлен из инвара, а не из дерева, стекловолокна или других металлов.[нужна цитата ] Стойки из инвара использовались в некоторых поршнях для ограничения их теплового расширения внутри цилиндров.[5]При изготовлении больших композитный материал структуры для аэрокосмический углеродное волокно формы для укладки, инвар используется для облегчения изготовления деталей с очень жесткими допусками.[6]

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 до 100 ° C).
  • FeNi42 (например, сплав NILO 42) с содержанием никеля 42% и α ≈ 5,3 частей на миллион / ° C, широко используется в качестве материала выводной рамки для электронных компонентов, интегральных схем и т. д.
  • Сплавы FeNiCo - названные Ковар или Dilver P - которые имеют такое же поведение расширения, что и боросиликатное стекло, и из-за этого используются для 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 при изменении состава сплава. Ученые когда-то предположили, что поведение Инвара было прямым следствием перехода с большим магнитным моментом к низкому магнитному моменту, происходящего в гранецентрированном кубическом ряду Fe – Ni (и это привело к образованию минерала антитенит ); однако эта теория оказалась неверной.[7] Вместо этого оказывается, что переходу с низким / большим моментом предшествует высокий магнитный момент. фрустрированное ферромагнитное состояние в котором магнитные обменные связи Fe – Fe имеют большой магнито-объемный эффект правильного знака и величины, создающий наблюдаемую аномалию теплового расширения.[8]

Wang et al. рассмотрел 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 смогли предсказать температурные диапазоны отрицательного теплового расширения при различных давлениях.[9] Было показано, что все отдельные FM и SFC имеют положительное тепловое расширение, а отрицательное тепловое расширение происходит из-за увеличения популяции SFC с меньшими объемами, чем у FM.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дэвис, Джозеф Р. Легирование: понимание основ. ASM International. С. 587–589. ISBN  0-87170-744-6.
  2. ^ "Нобелевская премия по физике 1920 г.". nobelprize.org. Нобелевский фонд. Получено 20 марта 2011. Нобелевская премия по физике 1920 г. была присуждена Шарлю Эдуарду Гийому. «в знак признания заслуги, которую он оказал прецизионным измерениям в физике, обнаружив аномалии в никелевых стальных сплавах».
  3. ^ «Лист данных материала сплава 36» (PDF). Получено 24 ноября 2017.
  4. ^ «Никель и его применение». Журнал Никель. Институт никеля. 3 мая 2005 г. Архивировано с оригинал 19 декабря 2010 г.. Получено 20 марта 2011.
  5. ^ Изображены двигатели внутреннего сгорания. Лонг-Акко, Лондон: Odhams Press Limited. 1947. с. 85.
  6. ^ Инструменты для формования и штамповки!, Майк Ричардсон, Aerospace Manufacturing, 6 апреля 2018 г., по состоянию на 10 апреля 2018 г.
  7. ^ К. Лагарек; Д.Г. Ранкур; С.К. Bose; Б. Саньял; Р.А. Данлэп (2001). «Наблюдение контролируемого составом перехода большой момент / 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. Дои:10.1016 / S0304-8853 (01) 00449-8. Архивировано из оригинал (PDF) 25 апреля 2012 г.
  8. ^ Д.Г. Ранкур; М.-З. Данг (1996). «Связь между аномальным магнитообъемным поведением и магнитной фрустрацией в инварных сплавах». Физический обзор B. 54 (17): 12225–12231. Bibcode:1996ПхРвБ..5412225Р. Дои:10.1103 / PhysRevB.54.12225.
  9. ^ Wang, Y., Shang, S.L., Zhang, H., Chen, L.-Q., & Liu, Z.-K. (2010). Термодинамические флуктуации магнитных состояний: Fe 3 Pt в качестве прототипа. Philosophical Magazine Letters, 90 (12), 851–859. https://doi.org/10.1080/09500839.2010.508446
  10. ^ Лю, Цзы-Куи; Ван, Йи; Шан, Шуньли (2014). «Аномалия теплового расширения, регулируемая энтропией». Научные отчеты. 4: 7043. Bibcode:2014НатСР ... 4Э7043Л. Дои:10.1038 / srep07043. ЧВК  4229665. PMID  25391631.

внешняя ссылка