Invar - Invar
Invar , även känd generiskt som FeNi36 ( 64FeNi i USA), är en nickel - järn -legering känd för sin unikt låg värmeutvidgningskoefficient (CTE eller α). Namnet Invar kommer från ordet invariable , med hänvisning till dess relativa brist på expansion eller sammandragning med temperaturförändringar.
Upptäckten av legeringen gjordes 1895 av den schweiziske fysikern Charles Édouard Guillaume för vilken han fick Nobelpriset i fysik 1920. Det möjliggjorde förbättringar av vetenskapliga instrument.
Egenskaper
Liksom andra nickel/järnkompositioner är Invar en fast lösning ; det vill säga, det är en enkel- fas legering . I en kommersiell version består den av cirka 36% nickel och 64% järn. Den invar intervall beskrevs av Westinghouse vetenskapsmän i 1961 som "30-45 atomprocent nickel".
Vanliga grader av Invar har en termisk expansionskoefficient (betecknad α , och uppmätt mellan 20 ° C och 100 ° C) på cirka 1,2 × 10 −6 K −1 (1,2 ppm /° C), medan vanliga stål har värden på runt 11–15 ppm/° C. Extra rena kvaliteter (<0,1% Co ) kan enkelt producera värden så låga som 0,62–0,65 ppm/° C. Vissa formuleringar uppvisar negativa termiska expansionsegenskaper (NTE). Även om den visar hög dimensionsstabilitet över ett intervall av temperaturer, har den en tendens att krypa .
Ansökningar
Invar används där hög dimensionsstabilitet krävs, såsom precisionsinstrument, klockor, seismiska krypmätare, tv- skuggmaskeramar , ventiler i motorer och stora aerostrukturformar.
En av de första ansökningarna var i titta balans hjul och pendelstavar för precisionsregulator klockor . Vid den tidpunkten det uppfanns var pendelklockan världens mest exakta tidtagare, och gränsen för tidvisningsnoggrannhet berodde på termiska variationer i längden på klockpendlarna. Den Riefler regulator klockan utvecklades 1898 av Clemens Riefler, den första klockan för att använda en invar pendel, hade en noggrannhet på 10 millisekunder per dag, och tjänade som den primära tiden standard i marina observatorier och nationella tidstjänster tills 1930-talet.
Vid lantmäteri , när första ordning (hög precision) höjdutjämning ska utföras, är den nivåpersonal (nivelleringsstång) som används av Invar, istället för trä, glasfiber eller andra metaller. Invar -stöttor användes i vissa kolvar för att begränsa deras termiska expansion i sina cylindrar. Vid tillverkning av stora kompositmaterialstrukturer för flyg- och rymd kolfiber upplägget formarna , är invar används för att underlätta tillverkningen av delar till extremt snäva toleranser.
Variationer
Det finns variationer av det ursprungliga Invar -materialet som har något olika värmeutvidgningskoefficient såsom:
- Inovco , som är Fe – 33Ni – 4,5Co och har en α på 0,55 ppm/° C (från 20–100 ° C).
- FeNi42 (till exempel NILO legering 42), som har ett nickelinnehåll på 42% och α ≈ 5,3 ppm/° C , används ofta som blyrammaterial för elektroniska komponenter, integrerade kretsar etc.
- FeNiCo -legeringar - som heter Kovar eller Dilver P - som har samma expansionsbeteende som borsilikatglas , och som därför används för optiska delar i ett brett spektrum av temperaturer och applikationer, till exempel satelliter .
Förklaring till avvikande egenskaper
En detaljerad förklaring av Invars avvikande låga CTE har visat sig undvika för fysiker.
Alla de järnrika ansiktscentrerade kubiska Fe – Ni-legeringarna visar Invar-avvikelser i sina uppmätta termiska och magnetiska egenskaper som utvecklas kontinuerligt i intensitet med varierande legeringskomposition. Forskare hade en gång föreslagit att Invars beteende var en direkt följd av en högmagnetisk moment till lågmagnetisk momentövergång i den ansiktscentrerade kubiska Fe – Ni-serien (och det ger upphov till mineralen antitaenit ); denna teori visade sig dock vara felaktig. Istället verkar det som om övergången mellan lågmoment/högmoment föregås av ett frustrerat ferromagnetiskt tillstånd med högt magnetmoment där de Fe-Fe-magnetiska utbytesbindningarna har en stor magneto-volymeffekt av rätt tecken och storlek för att skapa den observerade termiska expansionen anomali.
Wang et al. betraktade den statistiska blandningen mellan den fullständigt ferromagnetiska (FM) konfigurationen och de snurrande konfigurationerna (SFC) i Fe
3Pt med de fria energierna för FM och SFC förutspådde från första principberäkningar och kunde förutsäga temperaturområdena för negativ termisk expansion under olika tryck. Det visades att alla enskilda FM och SFC har positiv termisk expansion, och den negativa termiska expansionen härrör från den ökande populationen av SFC med mindre volymer än FM.
Se även
- Constantan och Manganin , legeringar med relativt konstant elektrisk resistivitet
- Elinvar , legering med relativt konstant elasticitet över ett intervall av temperaturer
- Sitall och Zerodur , keramiska material med en relativt låg termisk expansion
- Borosilikatglas och ultralåg expansionsglas, glas med låg expansion som är resistenta mot termisk chock
