Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ныкел мен темір қорытпасы, төмен жылулық кеңею коэффициентімен.
Alloy of nickel and iron with low coefficient of thermal expansion
Инвар, сонымен қатар жалпы атауы FeNi36 (АҚШ-та 64FeNi), – өте төмен жылулық кеңею коэффициентімен (CTE немесе α) ерекшеленетін никель-темір қорытпасы. "Инвар" атауы "өзгермейтін" сөзінен шыққан, ол температура өзгергенде кеңею немесе жиырылудың азын білдіреді және ArcelorMittal компаниясының тіркелген тауар таңбасы болып табылады. Қорытпаны 1895 жылы швейцариялық физик Шарль Эдуард Гийом ашқан, осы еңбегі үшін 1920 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. Ол ғылыми құралдарды жақсартуға мүмкіндік берді.
Invar, also known generically as FeNi36 (64FeNi in the US), is a nickel–iron alloy notable for its uniquely low coefficient of thermal expansion (CTE or α). The name Invar comes from the word invariable, referring to its relative lack of expansion or contraction with temperature changes, and is a registered trademark of ArcelorMittal. The discovery of the alloy was made in 1895 by Swiss physicist Charles Édouard Guillaume for which he received the Nobel Prize in Physics in 1920. It enabled improvements in scientific instruments.
Қасиеттері
Басқа никель/темір қоспалары сияқты, Invar да қатты ерітінді болып табылады; яғни, ол бір фазалы қорытпа. Бір коммерциялық түрі шамамен 36% никель және 64% темірден тұрады. Invar диапазоны 1961 жылы Westinghouse ғалымдары "30–45 атомдық процент никель" деп сипаттаған. Invar-дың кәдімгі сорттарының термиялық кеңею коэффициенті (α деп белгіленеді және 20 °C мен 100 °C аралығында өлшенеді) шамамен 1,2 × 10−6 K−1 (1,2 ppm/°C) құрайды, ал қарапайым болаттар үшін бұл көрсеткіш шамамен 11–15 ppm/°C-қа тең. Көбірек тазартылған сорттары (<0,1% Co) 0,62–0,65 ppm/°C-қа дейін төмен мәндерді оңай бере алады. Кейбір құралымдары термиялық кеңеюдің теріс (NTE) қасиеттерін көрсетеді. Ол температураның кең ауқымында жоғары өлшемдік тұрақтылықты көрсеткенімен, иілуге бейім.
Like other nickel/iron compositions, Invar is a solid solution; that is, it is a single phase alloy. In one commercial version it consists of approximately 36% nickel and 64% iron. The invar range was described by Westinghouse scientists in 1961 as "30–45 atom per cent nickel". Common grades of Invar have a coefficient of thermal expansion (denoted α, and measured between 20 °C and 100 °C) of about 1.2 × 10−6 K−1 (1.2 ppm/°C), while ordinary steels have values of around 11–15 ppm/°C. Extra pure grades (<0.1% Co) can readily produce values as low as 0.62–0.65 ppm/°C. Some formulations display negative thermal expansion (NTE) characteristics. Though it displays high dimensional stability over a range of temperatures, it does have a propensity to creep.
Қолданбалар
Инвар жоғары өлшемдік тұрақтылық қажет болатын жерлерде қолданылады, мысалы, дәл аспаптар, сағаттар, сейсмикалық иілу өлшегіштері, түсті теледидар түтікшелерінің көлеңке маскасының жақтаулары, қозғалтқыштардағы клапандар және ірі аэроқұрылымдық қалыптар. Оның алғашқы қолданылуларының бірі – дәл реттегіш сағаттар үшін сағат теңгерім дөңгелектері мен маятник таяқшалары. Ол ойлап табылған кезде маятник сағаты әлемдегі ең дәл уақыт өлшегіш болды, ал уақытты өлшеудің дәлдігіне шектеу сағат маятниктерінің ұзындығының жылулық өзгерістеріне байланысты болды. 1898 жылы Клеменс Рифлер жасаған және Инвар маятнигін алғаш рет қолданған Рифлер реттегіш сағаты күніне 10 миллисекундтық дәлдікке ие болды және 1930 жылға дейін теңіз обсерваторияларында және ұлттық уақыт қызметтерінде негізгі уақыт стандарты ретінде пайдаланылды. Жерді өлшеу кезінде, егер бірінші дәрежелі (жоғары дәлдікті) биіктік деңгейлеуі жүргізілсе, деңгей таяғы (деңгейлеу таяғы) ағаш, шыны талшық немесе басқа металдардың орнына Инвардан жасалады. Кейбір поршеньдерде олардың цилиндрлер ішіндегі жылулық кеңеюін шектеу үшін Инвар тіректер қолданылды. Ғарыш-аэронавтика саласындағы үлкен композиттік материалдық құрылымдарды, көміртекті қабаттау қалыптарын жасауда, Инвар бөлшектерді өте жоғары дәлдікпен жасауға мүмкіндік береді. Астрономия саласында Инвар астрономиялық телескоптардың өлшемге сезімтал оптикасын ұстап тұратын құрылымдық компоненттер ретінде қолданылады. Инвардың жоғары өлшемдік тұрақтылығы астрономиялық телескоптарға бақылаудың дәлдігі мен нақтылығын едәуір арттыруға мүмкіндік береді.
Invar is used where high dimensional stability is required, such as precision instruments, clocks, seismic creep gauges, color television tubes' shadow mask frames, valves in engines and large aerostructure molds. One of its first applications was in watch balance wheels and pendulum rods for precision regulator clocks. At the time it was invented, the pendulum clock was the world's most precise timekeeper, and the limit to timekeeping accuracy was due to thermal variations in length of clock pendulums. The Riefler regulator clock developed in 1898 by Clemens Riefler, the first clock to use an Invar pendulum, had an accuracy of 10 milliseconds per day, and served as the primary time standard in naval observatories and for national time services until the 1930s. In land surveying, when first order (high precision) elevation leveling is to be performed, the level staff (leveling rod) used is made of Invar, instead of wood, fiberglass, or other metals. Invar struts were used in some pistons to limit their thermal expansion inside their cylinders. In the manufacture of large composite material structures for aerospace carbon fibre layup molds, Invar is used to facilitate the manufacture of parts to extremely tight tolerances. In the astronomical field, Invar is used as the structural components that support dimension sensitive optics of astronomical telescopes. Superior dimensional stability of Invar allows the astronomical telescopes to significantly improve the observation precision and accuracy.
Аномальды қасиеттердің түсіндірілуі
Инвардың аномалиялық төмен жылулық кеңею коэффициентінің (КТК) толыққанды түсіндірілуі физиктер үшін қиын болып келеді. Темірге бай барлық бет орталық кубикалық Fe–Ni қорытпалары өлшенген жылулық және магниттік қасиеттерінде Инвар аномалияларын көрсетеді, олар қорытпа құрамының өзгеруіне байланысты қарқындылығы үздіксіз өзгеріп отырады. Ғалымдар бұрын Инвардың мінез-құлқы бет орталық кубикалық Fe–Ni қатарындағы жоғары магниттік моменттен төмен магниттік моментке өтудің тікелей салдары деп есептеген (соның нәтижесінде антитаенит минералы пайда болады); алайда, бұл теория дұрыс емес екені дәлелденді. Керісінше, төмен моменттен жоғары моментке өтуге дейін жоғары магниттік моментке ие, фрустрацияланған ферромагниттік күй пайда болады, онда Fe–Fe магниттік алмасу байланыстары байқалған жылулық кеңею аномалиясын тудыруға қажетті белгісі мен шамасы үлкен магниттік көлем әсеріне ие. Ван және авторлар толық ферромагниттік (FM) конфигурация мен спин аударылу конфигурацияларының (SFC) Fe3Pt-дегі статистикалық араласуын қарастырды, FM және SFC-нің еркін энергияларын алғашқы принциптер есептеулерінен болжады және әртүрлі қысымдардағы теріс жылулық кеңеюдің температуралық диапазондарын анықтауға қол жеткізді. Барлық жеке FM және SFC оң жылулық кеңеюге ие екендігі көрсетілді, ал теріс жылулық кеңею FM-ге қарағанда көлемі кішірек SFC популяциясының артуынан туындайды.
A detailed explanation of Invar's anomalously low CTE has proven elusive for physicists. All the iron rich face centered cubic Fe–Ni alloys show Invar anomalies in their measured thermal and magnetic properties that evolve continuously in intensity with varying alloy composition. Scientists had once proposed that Invar's behavior was a direct consequence of a high magnetic moment to low magnetic moment transition occurring in the face centered cubic Fe–Ni series (and that gives rise to the mineral antitaenite); however, this theory was proven incorrect. Instead, it appears that the low moment/high moment transition is preceded by a high magnetic moment frustrated ferromagnetic state in which the Fe–Fe magnetic exchange bonds have a large magneto volume effect of the right sign and magnitude to create the observed thermal expansion anomaly. Wang et al. considered the statistical mixture between the fully ferromagnetic (FM) configuration and the spin flipping configurations (SFCs) in Fe3Pt with the free energies of FM and SFCs predicted from first principles calculations and were able to predict the temperature ranges of negative thermal expansion under various pressures. It was shown that all individual FM and SFCs have positive thermal expansion, and the negative thermal expansion originates from the increasing populations of SFCs with smaller volumes than that of FM.