Invar - Invar
Invar , também conhecido genericamente como FeNi36 ( 64FeNi nos EUA), é um níquel - ferro liga notável pela sua forma única de baixo coeficiente de expansão térmica (CTE ou α). O nome Invar vem da palavra invariável , referindo-se à sua relativa falta de expansão ou contração com as mudanças de temperatura.
A descoberta da liga foi feita em 1895 pelo físico suíço Charles Édouard Guillaume, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1920. Permitiu melhorias em instrumentos científicos.
Propriedades
Como outras composições de níquel / ferro, Invar é uma solução sólida ; ou seja, é uma liga monofásica . Em uma versão comercial, consiste em aproximadamente 36% de níquel e 64% de ferro. O intervalo do invar foi descrito pelos cientistas da Westinghouse em 1961 como "30-45 átomos por cento de níquel".
Graus comuns de Invar têm um coeficiente de expansão térmica (denotado α , e medido entre 20 ° C e 100 ° C) de cerca de 1,2 × 10 −6 K −1 (1,2 ppm / ° C), enquanto os aços comuns têm valores de cerca 11–15 ppm / ° C. Graus extrapuros (<0,1% Co ) podem produzir facilmente valores tão baixos quanto 0,62–0,65 ppm / ° C. Algumas formulações apresentam características de expansão térmica negativa (NTE). Embora exiba alta estabilidade dimensional em uma faixa de temperaturas, ele tem uma tendência a se arrastar .
Formulários
Invar é usado onde uma alta estabilidade dimensional é necessária, como instrumentos de precisão, relógios, medidores de fluência sísmica, quadros de máscara de televisão , válvulas em motores e grandes moldes de aeroestrutura.
Uma de suas primeiras aplicações foi em rodas de balanço de relógios e hastes de pêndulo para relógios reguladores de precisão . Na época em que foi inventado, o relógio de pêndulo era o cronometrista mais preciso do mundo, e o limite da precisão da cronometragem era devido às variações térmicas no comprimento dos pêndulos do relógio. O relógio regulador Riefler desenvolvido em 1898 por Clemens Riefler, o primeiro relógio a usar um pêndulo invar, tinha uma precisão de 10 milissegundos por dia e serviu como o principal padrão de tempo em observatórios navais e para serviços de tempo nacional até 1930.
No levantamento topográfico , quando o nivelamento de elevação de primeira ordem (alta precisão) deve ser executado, o bastão de nivelamento (haste de nivelamento) usado é feito de Invar, em vez de madeira, fibra de vidro ou outros metais. Os suportes Invar foram usados em alguns pistões para limitar sua expansão térmica dentro de seus cilindros. Na fabricação de grandes estruturas de material compósito para moldes de layup de fibra de carbono aeroespacial , o invar é usado para facilitar a fabricação de peças com tolerâncias extremamente restritas.
Variações
Existem variações do material Invar original que têm coeficiente de expansão térmica ligeiramente diferente, como:
- Inovco , que é Fe – 33Ni – 4.5Co e tem um α de 0,55 ppm / ° C (de 20–100 ° C).
- FeNi42 (por exemplo, liga NILO 42), que tem um teor de níquel de 42% e α ≈ 5,3 ppm / ° C , é amplamente utilizado como material de estrutura de chumbo para componentes eletrônicos, circuitos integrados, etc.
- Ligas FeNiCo - chamadas Kovar ou Dilver P - que têm o mesmo comportamento de expansão do vidro de borossilicato e, por isso, são usadas para peças ópticas em uma ampla gama de temperaturas e aplicações, como satélites .
Explicação de propriedades anômalas
Uma explicação detalhada do CTE anormalmente baixo do Invar se mostrou ilusória para os físicos.
Todas as ligas de Fe-Ni cúbicas de face centrada e rica em ferro mostram anomalias Invar em suas propriedades térmicas e magnéticas medidas que evoluem continuamente em intensidade com composição de liga variável. Os cientistas uma vez propuseram que o comportamento de Invar era uma consequência direta de uma transição de momento magnético alto para momento magnético baixo ocorrendo na série Fe-Ni cúbica centrada na face (e que dá origem ao antitaenita mineral ); no entanto, esta teoria foi provada incorreta. Em vez disso, parece que a transição de momento baixo / momento alto é precedida por um estado ferromagnético frustrado de momento magnético alto, no qual as ligações de troca magnética Fe-Fe têm um grande efeito de magneto-volume do sinal e magnitude corretos para criar a anomalia de expansão térmica observada.
Wang et al. considerou a mistura estatística entre a configuração totalmente ferromagnética (FM) e as configurações de spin-flipping (SFCs) em Fe
3Pt com as energias livres de FM e SFCs previstas a partir de cálculos de primeiros princípios e foram capazes de prever as faixas de temperatura de expansão térmica negativa sob várias pressões. Foi mostrado que todos os FMs e SFCs individuais têm expansão térmica positiva, e a expansão térmica negativa se origina do aumento da população de SFCs com volumes menores do que os de FM.
Veja também
- Constantan e Manganin , ligas com resistividade elétrica relativamente constante
- Elinvar , liga com elasticidade relativamente constante em uma faixa de temperaturas
- Sitall e Zerodur , materiais cerâmicos com uma expansão térmica relativamente baixa
- Vidro de borosilicato e vidro de expansão ultra baixa , vidros de baixa expansão resistentes a choque térmico