Инвар: сплав с низким коэффициентом теплового расширения
Invar
Инвар: сплав никеля и железа с минимальным температурным расширением. Обладает уникальными свойствами, открыт Шарлем Гюйомом, улучшает точность приборов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Сплав никеля и железа с низким коэффициентом теплового расширения
Alloy of nickel and iron with low coefficient of thermal expansion
Инвар, также известный как FeNi36 (64FeNi в США), – это никель-железный сплав, примечательный своим уникально низким коэффициентом теплового расширения (КТР или α). Название "Инвар" происходит от слова "инвариантный", указывая на его незначительное изменение размеров при изменении температуры, и является зарегистрированным товарным знаком компании ArcelorMittal. Открытие сплава было сделано в 1895 году швейцарским физиком Шарлем Эдуардом Гийомом, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1920 году. Это позволило усовершенствовать научные инструменты.
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.
Свойства
Как и другие сплавы на основе никеля и железа, Invar является твердым раствором, то есть однофазным сплавом. В одной из коммерческих марок он состоит примерно из 36% никеля и 64% железа. Ученые компании Westinghouse в 1961 году описали диапазон составов Invar как "30–45 атомных процентов никеля". Распространенные марки Invar имеют коэффициент теплового расширения (обозначается α и измеряется в диапазоне от 20 °C до 100 °C) около 1,2 × 10−6 K−1 (1,2 ppm/°C), тогда как у обычных сталей этот показатель составляет примерно 11–15 ppm/°C. Особо чистые марки (<0,1% Co) могут легко достигать значений 0,62–0,65 ppm/°C. Некоторые составы демонстрируют характеристики отрицательного теплового расширения (NTE). Несмотря на высокую размерную стабильность в широком диапазоне температур, Invar склонен к ползучести.
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.
Приложения
Инвар используется там, где требуется высокая размерная стабильность, например, в прецизионных приборах, часах, сейсмических датчиках ползучести, рамах теневых масок для цветных телевизионных кинескопов, клапанах двигателей и крупных формах для аэроструктур. Одним из первых применений инвара были балансировочные колеса и стержни маятников для прецизионных регуляторных часов. В момент его изобретения маятниковые часы были самыми точными в мире, а предел точности хода часов определялся тепловыми изменениями длины маятников. Регуляторные часы Рифлера, разработанные Клеменсом Рифлером в 1898 году и ставшие первыми часами с маятником из инвара, имели точность 10 миллисекунд в сутки и служили основным стандартом времени в военно-морских обсерваториях и для национальных служб времени до 1930-х годов. При геодезических измерениях, когда требуется высокоточная нивелировка первого порядка, нивелирный рельс изготавливается из инвара, а не из дерева, стекловолокна или других металлов. Инварные распорки использовались в некоторых поршнях для ограничения их теплового расширения внутри цилиндров. При производстве крупных композиционных конструкций из углеродного волокна для аэрокосмической промышленности инвар используется для обеспечения изготовления деталей с чрезвычайно жесткими допусками. В астрономии инвар применяется в качестве конструкционных элементов, поддерживающих оптику астрономических телескопов, чувствительную к размерным изменениям. Превосходная размерная стабильность инвара позволяет значительно повысить точность и аккуратность астрономических наблюдений.
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.
Объяснение аномальных свойств
Подробное объяснение аномально низкого коэффициента теплового расширения (CTE) Инвара остается неуловимым для физиков. Все железосодержащие сплавы Fe–Ni с гранецентрированной кубической структурой демонстрируют инваровские аномалии в измеренных тепловых и магнитных свойствах, интенсивность которых непрерывно меняется в зависимости от состава сплава. Ранее ученые предполагали, что поведение Инвара является прямым следствием перехода от состояния с высоким магнитным моментом к состоянию с низким магнитным моментом в ряду гранецентрированных кубических сплавов Fe–Ni (что приводит к образованию минерала антитаенита); однако эта теория оказалась ошибочной. Вместо этого, представляется, что переходу от низкого к высокому магнитному моменту предшествует фрустрированное ферромагнитное состояние с высоким магнитным моментом, в котором магнитные обменные связи Fe–Fe обладают значительным магнитообъемным эффектом необходимого знака и величины для создания наблюдаемой аномалии теплового расширения. Ван и др. рассматривали статистическую смесь между полностью ферромагнитным (FM) состоянием и состояниями с переворотом спинов (SFC) в Fe3Pt, используя свободные энергии FM и SFC, предсказанные расчетами ab initio, и смогли предсказать температурные диапазоны отрицательного теплового расширения при различных давлениях. Было показано, что каждое отдельное FM и SFC состояние имеет положительное тепловое расширение, а отрицательное тепловое расширение возникает из-за увеличения доли SFC с меньшим объемом, чем у FM.
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.