Invar - Invar

Proben von Invar
Aufgetragen ist hier der Wärmeausdehnungskoeffizient von Nickel-Eisen-Legierungen gegen den Nickelanteil (bezogen auf Masse) in der Legierung. Das scharfe Minimum tritt beim Invar-Verhältnis von 36% Ni auf.

Invar , auch allgemein bekannt als FeNi36 ( 64FeNi in den USA), ist eine Nickel - Eisen - Legierung zeichnet sich durch seine einzigartig niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE oder α). Der Name Invar kommt von dem Wort invariabel und bezieht sich auf das relative Fehlen von Expansion oder Kontraktion bei Temperaturänderungen.

Die Entdeckung der Legierung erfolgte 1895 durch den Schweizer Physiker Charles Édouard Guillaume, wofür er 1920 den Nobelpreis für Physik erhielt. Sie ermöglichte Verbesserungen bei wissenschaftlichen Instrumenten.

Eigenschaften

Wie andere Nickel/Eisen-Zusammensetzungen ist Invar eine feste Lösung ; das heißt, es ist eine einphasige Legierung . In einer kommerziellen Version besteht es aus ca. 36 % Nickel und 64 % Eisen. Der Invarbereich wurde 1961 von Westinghouse-Wissenschaftlern als „30–45 Atomprozent Nickel“ beschrieben.

Übliche Invar-Sorten haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (bezeichnet als α und gemessen zwischen 20 °C und 100 °C) von etwa 1,2 × 10 −6  K −1 (1,2  ppm /°C), während gewöhnliche Stähle Werte von etwa . aufweisen 11–15 ppm/°C. Extra-reine Typen (<0,1% Co ) können ohne weiteres Werte von nur 0,62–0,65 ppm/°C erreichen. Einige Formulierungen zeigen negative Wärmeausdehnungs- (NTE)-Eigenschaften. Obwohl es über einen Temperaturbereich eine hohe Dimensionsstabilität aufweist, neigt es zum Kriechen .

Anwendungen

Invar wird verwendet , bei denen eine hohe Dimensionsstabilität erforderlich ist, wie beispielsweise Präzisionsinstrumenten, Uhren, Messgeräte seismischen Kriechen, Fernsehschattenmaskenrahmen, Ventile bei Motoren und große Flugzeugkomponenten Schimmelpilzen.

Eine seiner ersten Anwendungen war in den Uhren Balance Rädern und Pendelstangen für Präzisionsregler Uhren . Zu der Zeit, als sie erfunden wurde, war die Pendeluhr der genaueste Zeitmesser der Welt, und die Grenze der Genauigkeit der Zeitmessung war auf thermische Schwankungen in der Länge der Uhrpendel zurückzuführen. Die 1898 von Clemens Riefler entwickelte Riefler-Regulieruhr , die erste Uhr mit Invarpendel, hatte eine Genauigkeit von 10 Millisekunden pro Tag und diente bis in die 1930er Jahre als primäres Zeitnormal in Marineobservatorien und für nationale Zeitdienste.

In der Landvermessung , als erste Ordnung (high-precision) Höhennivellierung durchgeführt werden soll, die Niveau Personal (Nivellierlatte) verwendet wird , die aus Invar, anstelle von Holz, Glasfaser oder anderen Metallen. In einigen Kolben wurden Invar-Federbeine verwendet, um ihre Wärmeausdehnung in ihren Zylindern zu begrenzen. Bei der Herstellung großer Verbundwerkstoffstrukturen für Kohlefaser- Layup-Formen für die Luft- und Raumfahrt wird Invar verwendet, um die Herstellung von Teilen mit extrem engen Toleranzen zu erleichtern.

Variationen

Es gibt Variationen des ursprünglichen Invar-Materials, die einen leicht unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, wie zum Beispiel:

  • Inovco , das ist Fe–33Ni–4,5Co und hat einen α von 0,55 ppm/°C (von 20–100 °C).
  • FeNi42 (zum Beispiel NILO-Legierung 42), das einen Nickelgehalt von 42% und α ≈ 5,3 ppm/°C aufweist , wird häufig als Leiterrahmenmaterial für elektronische Komponenten, integrierte Schaltkreise usw. verwendet.
  • FeNiCo-Legierungen – Kovar oder Dilver P genannt – haben das gleiche Ausdehnungsverhalten wie Borosilikatglas und werden daher für optische Teile in einem breiten Temperatur- und Anwendungsbereich, wie beispielsweise Satelliten, verwendet .

Erklärung anomaler Eigenschaften

Eine detaillierte Erklärung des ungewöhnlich niedrigen CTE von Invar hat sich für Physiker als schwer fassbar erwiesen.

Alle eisenreichen kubisch flächenzentrierten Fe-Ni-Legierungen weisen Invar-Anomalien in ihren gemessenen thermischen und magnetischen Eigenschaften auf, die sich mit unterschiedlicher Legierungszusammensetzung kontinuierlich in ihrer Intensität ändern. Wissenschaftler hatten einmal vorgeschlagen, dass das Verhalten von Invar eine direkte Folge eines Übergangs von hohem magnetischem Moment zu niedrigem magnetischem Moment ist, der in der kubisch-flächenzentrierten Fe-Ni-Reihe auftritt (und dies zum Mineral Antitaenit führt ); diese Theorie erwies sich jedoch als falsch. Stattdessen scheint dem Übergang von niedrigem Moment zu hohem Moment ein frustrierter ferromagnetischer Zustand mit hohem magnetischem Moment vorauszugehen, in dem die magnetischen Fe-Fe-Austauschbindungen einen großen Magnetovolumeneffekt mit dem richtigen Vorzeichen und der richtigen Größe haben, um zu erzeugen die beobachtete Anomalie der Wärmeausdehnung.

Wanget al. betrachtete die statistische Mischung zwischen der vollständig ferromagnetischen (FM) Konfiguration und den Spin-Flip-Konfigurationen (SFCs) in Fe
3Pt mit den freien Energien von FM und SFCs, die aus First-Principles-Rechnungen vorhergesagt wurden, und konnten die Temperaturbereiche der negativen thermischen Ausdehnung unter verschiedenen Drücken vorhersagen. Es wurde gezeigt, dass alle einzelnen FM und SFCs eine positive Wärmeausdehnung aufweisen und die negative Wärmeausdehnung auf die zunehmende Population von SFCs mit kleineren Volumina als die von FM zurückzuführen ist.

Siehe auch

Verweise

Externe Links