Инвар
Инвар , также известный под общим названием FeNi36 ( 64FeNi в США), представляет собой никеля и железа сплав , отличающийся уникально низким коэффициентом теплового расширения (КТР или α). Название «Инвар» происходит от слова « неизменный» , что означает 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 инструменты. [3]
Характеристики
[ редактировать ]Как и другие составы никель/железо, Инвар представляет собой твердый раствор ; то есть это однофазный сплав . В одной коммерческой версии он состоит примерно из 36% никеля и 64% железа. [4] Диапазон инваров был описан учеными Westinghouse в 1961 году как «30–45 атомных процентов никеля». [5]
Обычные сорта инвара имеют коэффициент теплового расширения (обозначается α и измеряется в диапазоне от 20 °C до 100 °C) примерно 1,2 × 10. −6 К −1 (1,2 ppm /°C), тогда как для обычных сталей значения составляют около 11–15 ppm/°C. [ нужна ссылка ] Сверхчистые сорта (<0,1% Co ) могут легко обеспечить значения всего 0,62–0,65 ppm/°C. [ нужна ссылка ] Некоторые составы демонстрируют характеристики отрицательного теплового расширения (NTE). [ нужна ссылка ] Хотя он демонстрирует высокую стабильность размеров в широком диапазоне температур, он имеет склонность к ползучести . [6] [7]
Приложения
[ редактировать ]Инвар используется там, где требуется высокая стабильность размеров, например, в прецизионных приборах, часах, сейсмических измерителях ползучести, рамах теневых масок для трубок цветных телевизоров , [8] клапаны в двигателях и формы для крупных авиационных конструкций. [9]
Одним из первых его применений были балансовые колеса и маятниковые стержни для точных регуляторов часов . На момент изобретения маятниковые часы были самым точным хронометристом в мире, а предел точности хронометража был обусловлен температурными изменениями длины маятников часов. Часы -регулятор Рифлера, разработанные в 1898 году Клеменсом Рифлером, первые часы, в которых использовался маятник из инвара, имели точность 10 миллисекунд в день и служили основным эталоном времени в военно-морских обсерваториях и национальных службах времени до 1930-х годов.
При землемерии высот первого порядка (высокоточную) нивелировку , когда необходимо выполнить , используемая нивелирная рейка (нивелирная рейка) изготавливается из инвара, а не из дерева, стекловолокна или других металлов. [10] [11] В некоторых поршнях использовались инваровые стойки, чтобы ограничить их тепловое расширение внутри цилиндров. [12] При производстве крупных из композитных материалов конструкций в аэрокосмической отрасли углеродного волокна для пресс-форм для укладки инвар используется для облегчения изготовления деталей с чрезвычайно жесткими допусками. [13]
В астрономической области инвар используется в качестве структурных компонентов, поддерживающих чувствительную к размерам оптику астрономических телескопов. [14] Превосходная размерная стабильность инвара позволяет астрономическим телескопам значительно повысить точность и достоверность наблюдений.
Вариации
[ редактировать ]Существуют варианты исходного инварного материала, 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). [ нужна ссылка ] [ нужен пример ]
- FeNi42 (например, сплав NILO 42), который имеет содержание никеля 42% и α ≈ 5,3 ppm/°C , что соответствует кремнию , широко используется в качестве материала выводного каркаса для интегральных схем и т. д. [ нужна ссылка ]
- Сплавы FeNiCo, называемые Kovar или Dilver P, которые имеют такое же расширение (~ 5 частей на миллион/°C ) и образуют прочные связи с расплавленным боросиликатным стеклом , и поэтому используются для уплотнений стекло-металл , а также для поддержки оптических детали в широком диапазоне температур и применений, например, спутники . [ нужна ссылка ]
Объяснение аномальных свойств
[ редактировать ]Детальное объяснение аномально низкого КТР Инвара оказалось невозможным для физиков.
Все богатые железом гранецентрированные кубические сплавы Fe–Ni демонстрируют инварные аномалии в измеренных тепловых и магнитных свойствах, интенсивность которых постоянно меняется с изменением состава сплава. Ученые когда-то предположили, что поведение Инвара является прямым следствием перехода от высокого магнитного момента к низкому магнитному моменту, происходящего в гранецентрированном кубическом ряду Fe – Ni (и это приводит к образованию минерала антитенита ); однако эта теория оказалась неверной. [15] Вместо этого оказывается, что переходу с низким/высоким моментом предшествует фрустрированное ферромагнитное состояние с высоким магнитным моментом , в котором магнитные обменные связи Fe-Fe обладают большим магнитообъемным эффектом правильного знака и величины, создавая наблюдаемая аномалия теплового расширения. [16]
Ван и др. рассмотрел статистическую смесь между полностью ферромагнитной (FM) конфигурацией и конфигурациями с переворотом спина (SFC) в Fe.
3 Pt со свободными энергиями FM и SFC, предсказанными на основе расчетов из первых принципов, и смогли предсказать температурные диапазоны отрицательного теплового расширения при различных давлениях. [17] Было показано, что все отдельные ФМ и КФЭ имеют положительное тепловое расширение, а отрицательное тепловое расширение возникает из-за увеличения популяции КФС с меньшими объемами, чем у ФМ. [18]
См. также
[ редактировать ]- Константан и манганин — сплавы с относительно постоянным удельным электрическим сопротивлением.
- Элинвар , сплав с относительно постоянной эластичностью в диапазоне температур.
- Ситалл и Зеродур , керамические материалы с относительно низким тепловым расширением.
- Боросиликатное стекло и стекло со сверхнизким расширением , стекла с низким расширением, устойчивые к термическому удару.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дэвис, Джозеф Р. (2001). Легирование: понимание основ . АСМ Интернешнл. стр. 587–589. ISBN 0-87170-744-6 .
- ^ Торговая марка США № 63970.
- ^ «Нобелевская премия по физике 1920 года» . nobelprize.org . Нобелевский фонд . Проверено 20 марта 2011 г.
Нобелевская премия по физике 1920 года была присуждена Шарлю Эдуарду Гийому «в знак признания заслуг, которые он оказал точным измерениям в физике, открыв аномалии в никелевых стальных сплавах» .
- ^ «Паспорт материала Сплав 36» (PDF) . Проверено 24 ноября 2017 г.
- ^ Анантанараянан, штат Нью-Йорк; Пивлер, Р.Дж. (1961). «Новое обратимое твердотельное превращение в железо-никелевых сплавах инварной области составов». Природа . 192 (4806): 962–963. Бибкод : 1961Natur.192..962A . дои : 10.1038/192962a0 . S2CID 4277440 .
- ^ Мысловицкий, Томас; Крамбах, Миша; Маттиссен, Доротея; Блек, Вольфганг (август 2002 г.). «Поведение инварной стали при кратковременной ползучести» . Исследования стали . 73 (8): 332–339. дои : 10.1002/srin.200200218 .
- ^ Такар, Ромин А.; Триведи, Снехал В. (июнь 2017 г.). «Обзор стабильности размеров материала Invar 36 для оптического монтажа космического базирования» (PDF) . Международная конференция по идеям, влиянию и инновациям в машиностроении (ICIIIME 2017) . 5 (6): 147.
- ^ «Никель и его использование» . Журнал «Никель» . Никелевский институт. 3 мая 2005 г. Архивировано из оригинала 19 декабря 2010 г. Проверено 20 марта 2011 г.
- ^ Фюзеляж Boeing 787 (MIE-375) , получено 29 июня 2023 г.
- ^ Баричевич, Сергей; Баркович, Джуро; Зриньски, Младен; Старовешки, Томислав (2022). «Разработка метода калибровки весов нивелира путем интеграции ПЗС-камеры» . В Адемовиче, Найда; Муйчич, Эдин; Акшамия, Златан; Кеврич, Жасмин; Авдакович, Самир; Волич, Исмар (ред.). Передовые технологии, системы и приложения VI . Конспекты лекций по сетям и системам. Том. 316. Чам: Международное издательство Springer. стр. 514–521. дои : 10.1007/978-3-030-90055-7_40 . ISBN 978-3-030-90055-7 .
- ^ «ISO 12858-1:2014 Оптика и оптические инструменты. Вспомогательные устройства для геодезических инструментов. Часть 1. Инварные нивелирные рейки» . ИСО . Проверено 2 сентября 2023 г.
- ^ На фото двигатели внутреннего сгорания . Лонг-Акр, Лондон: Odhams Press Limited. 1947. с. 85.
- ^ Инструменты, за которые можно лепить и умереть! Архивировано 10 апреля 2018 г. в Wayback Machine , Майк Ричардсон, Aerospace Manufacturing, 6 апреля 2018 г., по состоянию на 10 апреля 2018 г.
- ^ Фуджи, Хиромичи Т.; Сакагути, Наоки; Она, Котаро; Хаяно, Ютака; Урагучи, Фумихиро (2020). «Точный контроль отрицательного теплового расширения нержавеющего сплава инварного типа для астрономических телескопов» . В Гейле, Роланд; Наварро, Рамон (ред.). Достижения в области оптических и механических технологий для телескопов и приборов IV . Том. 11451. с. 1145118. Бибкод : 2020SPIE11451E..18F . дои : 10.1117/12.2561193 . ISBN 9781510636897 . S2CID 230575165 . Проверено 8 мая 2021 г.
- ^ К. Лагарек; Генеральный директор Ранкур; СК Бозе; Б. Саньял; Р. А. Данлэп (2001). «Наблюдение контролируемого составом перехода с высоким моментом / низким моментом в гранецентрированной кубической системе Fe – Ni: эффект инвара - это расширение, а не сжатие» (PDF) . Журнал магнетизма и магнитных материалов . 236 (1–2): 107–130. Бибкод : 2001JMMM..236..107L . дои : 10.1016/S0304-8853(01)00449-8 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 года.
- ^ Генеральный директор Ранкур; М.-З. Данг (1996). «Связь между аномальным магнитообъемным поведением и магнитным расстройством в инварных сплавах». Физический обзор B . 54 (17): 12225–12231. Бибкод : 1996PhRvB..5412225R . дои : 10.1103/PhysRevB.54.12225 . ПМИД 9985084 .
- ^ Ван, Ю., Шан, С.Л., Чжан, Х., Чен, Л.-К., и Лю, З.-К. (2010). Термодинамические флуктуации в магнитных состояниях: Fe 3 Pt как прототип. Письма философского журнала, 90 (12), 851–859. https://doi.org/10.1080/09500839.2010.508446
- ^ Лю, Цзы-Куй; Ван, Йи; Шан, Шуньли (2014). «Аномалия теплового расширения, регулируемая энтропией» . Научные отчеты . 4 : 7043. Бибкод : 2014NatSR...4E7043L . дои : 10.1038/srep07043 . ПМК 4229665 . ПМИД 25391631 .