Инвар

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Инвар
Invar 800.jpg
Внешний вид: серебристо-серый с металлическим блеском
Химический состав
Fe — 64 %
 
Ni — 36 %
 
Тип сплава

Однофазный инварный, нержавеющий сплав на основе железа. Прецизионный сплав.

Физические свойства
Плотность

8130 кг/м³

Температура плавления

1425 °C

Диапазон рабочих температур

от −100 до +100 °C

Коррозионная стойкость

высокая

Маркировка

FeNi36

Аналоги

Ковар, Элинвар

Применение

точные измерительные приборы

Торговые марки

Invar™

Инва́р (лат. invariabilis — неизменный) — сплав, состоящий из никеля (Ni, 36 %) и железа (Fe, остальное). Именуется как FeNi36, 64FeNi в США, российские аналоги именуются по ГОСТ как 36Н[1]UNS K93600.

«Invar» — зарегистрированная торговая марка компании ArcelorMittal, но сплавы с таким составом изготавливаются и другими компаниями.

История[править | править вики-текст]

Первый из открытых инварных сплавов был найден швейцарским ученым Ш. Гийомом в 1896 году. В 1920 году он получил Нобелевскую премию по физике за открытие этого важного сплава для производства точных инструментов и приборов.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Коэффициент теплового расширения сплавов железа/никель в зависимости от процентного содержания никеля. Ярко выраженный минимум при концентрации никеля 36 %.

Инвар имеет однофазную внутреннюю структуру. Плотность 8130 кг/м³, температура плавления 1425 °C. Сплав обладает малым температурным коэффициентом линейного расширения и практически не изменяет линейные размеры в интервале температур от −100 до +100 °C. Его коэффициент теплового расширения ~1,2·10−6/°C в интервале температур от −20 до 100 °C[2]. Очень чистый сплав (с содержанием кобальта менее 0,1 %) имеет ещё меньший коэффициент линейного расширения 0,62—0,65·10−6/°C.

Природа свойств[править | править вики-текст]

Эффект исчезновения теплового расширения материала возникает в связи с тем, что магнитострикция компенсирует тепловое расширение[3].

Прецизионные сплавы[править | править вики-текст]

Разные прецизионные сплавы имеют различные характеристики:

  • 32НК-ВИ (англ. Inovco) (Ni — 33 %, Co — 4,5 %, Fe — остальное) в отожжённом состоянии имеет температурный коэффициент линейного расширения α не более 1,5·10−6/°C (в диапазоне температур −60…+100 °C). Особо чистые сплавы имеют α до 0,55·10−6/°C (в диапазоне +20…+100 °C)[1].
  • 42Н (англ. NILO, FeNi42), содержащий 42 % никеля имеет α ≈ 5,3·10−6/°C, такой же как и у кремния, что позволяет широко использовать его в электронике.
  • 29НК (англ. Kovar и англ. Dilver P) (Co 17 %, Ni 29 %, Fe — остальное) имеют температурный коэффициент линейного расширения как и у боросиликатного стекла, поэтому применяется в оптических приборах, которые могут работать в широком диапазоне температур, например на космических спутниках.

Применение[править | править вики-текст]

Трёхметровая нивелирная рейка из инвара со сферическим индикатором уровня.

Используется в точном приборостроении для изготовления мерных проволок в геодезии, эталонов длины, деталей часовых механизмов (балансиров хронометров, пружин[4]), деталей барографов и высотомеров, несущих конструкций лазеров и др. Применялся в трубе космического телескопа «Астрон». Стоек против коррозии. Также применяется в лазерных проекторах для равномерного сужения и расширения DMD-чипов.

Интересные факты[править | править вики-текст]

При вопросе, какова высота Эйфелевой башни, то прежде чем ответить: «300 метров», вы, вероятно, осведомитесь:
— В какую погоду — холодную или тёплую?

Ведь высота столь огромного стального сооружения не может быть одинакова при всякой температуре. Мы знаем, что стальной стержень длиной 300 м удлиняется на 3 мм при нагревании его на 1 °C (на каждый градус Цельсия более чем на одну 100000-ю своей длины). Приблизительно на столько же должна возрастать и высота Эйфелевой башни при повышении температуры на 1 °C. В тёплую солнечную погоду стальной материал башни может нагреться в Париже до +40 °C, между тем как в холодный, дождливый день температура его падает до +10 °C, а зимой до 0 °C и даже до −10 °C (большие морозы в Париже редки). Как видим, колебания температуры доходят до 40 °C и более. Значит, высота Эйфелевой башни может колебаться на 3×40 = 120 мм, или на 12 см (равно как и длина Октябрьской железной дороги, точнее сумма длин всех рельсов (линии), при разнице 55 °C (в летние дни 30 °C и более, в зимние морозы −25 °C) удлиняется на треть километра[5]).

Прямые измерения обнаружили, что Эйфелева башня ещё чувствительнее к колебаниям температуры, нежели воздух: она нагревается и охлаждается быстрее и раньше реагирует на внезапное появление солнца в облачный день. Изменения высоты Эйфелевой башни были обнаружены с помощью проволоки из особой никелевой стали, обладающей способностью почти не изменять своей длины при колебаниях температуры. Замечательный сплав этот и носит название «инвар» (от лат. invariabilis — неизменный, инвариантный).
Итак, в жаркий день вершина Эйфелевой башни поднимается выше, чем в холодный, на отрезок, примерно равный трети (четверти) длины этой строки, и это увеличение длины стального гиганта не стоит ни одного сантима.

Перельман Я. И. Занимательная физика. Книга 1. — Изд. 19. — М.: «Наука» Главная редакция физико-математической литературы Москва, 1976. — С. 109–110. — 224 с. — 500 000 экз.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки.
  2. Стержень из инвара удлиняется лишь на одну миллионную долю своей длины при изменении температуры на 1 °C.
  3. D. G. Rancourt and M.-Z. Dang (1996). «Relation between anomalous magneto-volume behaviour and magnetic frustration in Invar alloys». Physical Review B 54: 12225–12231. DOI:10.1103/PhysRevB.54.12225. Bibcode1996PhRvB..5412225R.
  4. В том числе — тонких волосяных пружинок (волосков) при балансире в золотых часах (подверженных, в отличие от стальных/железных [часов], действию магнетизма); инвар — сплав, довольно слабо намагничивающийся, хотя в состав его и входит железо и никель.
  5. Сумма длин всех рельсов увеличивается за счёт общей длины пустых промежутков (этот зазор, при длине рельсов 8 м, должен иметь при 0 °C размер 6 мм; для полного закрытия такого зазора нужно повышение температуры рельса до 65 °C), общее удлинение в летние знойные дни достигает ≈300 м по сравнению с общей длиной всех рельсов в сильный мороз.

См. также[править | править вики-текст]