殷瓦鋼（invar，又稱殷鋼）是一種鎳鋼合金，是含鎳量36%的特殊鋼，由于其膨脹系數(shù)極小，在極低溫度到超過室溫的溫度范圍內(nèi)都能保持固定長度（這種特性也被稱為因瓦效應(yīng)），適合做測量元件。殷瓦鋼是瑞士科學(xué)家夏爾·紀(jì)堯姆在1896年發(fā)明，他也因此獲得了1920年的諾貝爾物理學(xué)獎。
因瓦效應(yīng)
合金里的鐵原子有兩種狀態(tài)：一種是原子半徑大且能量穩(wěn)定的高自旋狀態(tài)，另一種是原子半徑小且不穩(wěn)定的低自旋狀態(tài)。伴隨著溫度的上升，低自旋狀態(tài)的密度增加，原子想要收縮，而另一方面溫度升高使原子的熱振動更加激烈，物質(zhì)原子間的距離就會拉大，以避免原子之間的碰撞。“因瓦效應(yīng)”就是上述兩種效果正好相抵消，合金就不會膨脹。魏斯的模型到目前仍被廣泛認(rèn)可，但是這個模型只能說明，因瓦合金為何在室溫以上的環(huán)境下不膨脹，沒有充分揭示其在低溫條件不膨脹的原因。
殷瓦鋼的發(fā)明
國外：不變鋼（因瓦合金）由瑞士科學(xué)家夏爾·紀(jì)堯姆于1896年發(fā)明。不變鋼因其獨特的物理特性，被廣泛應(yīng)用于制造測量元件和LNG船等重要領(lǐng)域。夏爾·紀(jì)堯姆因其在科學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，于1920年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。
國內(nèi)：LNG船被稱為“海上超級冷凍車”，要在零下163度的極低溫環(huán)境下，漂洋過海，運送液化天然氣。而制造薄膜型（GTT）儲罐（貨艙圍護系統(tǒng)）LNG 船的關(guān)鍵材料就是殷瓦鋼。2004年，滬東中華中標(biāo)廣東省LNG項目，這是國內(nèi)首個液化天然氣項目，也是首次招標(biāo)LNG船。2008年4月，滬東中華交付14.7萬立方米的LNG船“大鵬昊”，成為國內(nèi)船廠建造的首艘LNG船。2005年，我國有了第一批16個掌握殷瓦鋼項焊接技術(shù)的工人。
殷瓦鋼的應(yīng)用
使用因瓦合金制造的精密儀器儀表、標(biāo)準(zhǔn)鐘的擺桿、擺輪及鐘表的游絲成為早期最重要的產(chǎn)品，在上世紀(jì)20年代用因瓦合金代替鉑用作于玻璃封接的引絲，大大的降低了成本；到了五、六十年代，因瓦合金的用途繼續(xù)擴大，主要用于無線電電子管、恒溫器中作控溫用的熱雙金屬片、長度標(biāo)尺、大地測量學(xué)基線尺等；到了八九十年代，廣泛用于微波技術(shù)、液態(tài)氣體儲容器、彩電的陰罩鋼帶、架空輸電線芯材、湝振腔、激光準(zhǔn)直儀腔體、三步重復(fù)光刻相機基板等。進入21世紀(jì)之后，隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，新的應(yīng)用還包括用在航天遙感器、精密激光、光學(xué)測量系統(tǒng)和波導(dǎo)管中作結(jié)構(gòu)件、顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡中巨大透鏡的支撐系統(tǒng)和需要安裝透鏡的各種各樣科學(xué)儀器中。
缺點及改進
1．為了克服超因瓦合金難加工的特點，我們可以采用合理選用刀具的方法根據(jù)超因瓦合金的切削特點。要求刀具材料應(yīng)具備耐熱性好、耐磨性高、與工件材料的親和作用小等特點。因此一般采用高速鋼和鎢鋼。除此之外，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，采用涂層刀具亦能獲得較好的加工質(zhì)量。
2．日本山陽特殊鋼公司開發(fā)出的“Invar—H3”，是一種具有很高強度的新型因瓦合金。將其用于高壓輸電線芯線，同時具有很好的抗扭轉(zhuǎn)性能。這種合金啟發(fā)我們可以通過對超因瓦合金的成分進一步改造使其提高自身強度，滿足生產(chǎn)和運輸?shù)男枰?/p>
3．加工成本高、難度大是制約低膨脹因瓦合金模具在復(fù)合材料成形應(yīng)用中的一個主要因素。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過對因瓦合金成分進行微量調(diào)整，對因瓦合金在大氣下的熔煉工藝、鑄造工藝進行了試驗研究。進一步實驗，獲得了機械性能好，膨脹系數(shù)低，空隙率低的因瓦合金模具，這一結(jié)果也提醒著我們改變超因瓦合金成分以及制造工藝，需要不斷的摸索和重復(fù)試驗。
前景及展望
目前超因瓦合金還存在著不少缺陷，需要進一步完善和改進加工工藝。在膨脹系數(shù)低的前提下，還需要開發(fā)其他優(yōu)良性能，滿足更廣大的應(yīng)用范圍。
對于超因瓦合金，將有在未來幾個方面的重要發(fā)展和研究方向：
(1)超因瓦合金能否適應(yīng)不同環(huán)境條件應(yīng)用的綜合特性。如在腐蝕或者是無磁環(huán)境下，能保持一個良好的綜合性能，是研究的一個方向。
(2)超因瓦合金的與其他材料復(fù)合的問題。傳統(tǒng)的超因瓦合金膨脹系數(shù)低，與其他合金復(fù)合時由于膨脹系數(shù)的差異，勢必會導(dǎo)致其受到拉伸或壓縮等力的作用，使其機械性能遭到破壞，研究超因瓦合金的復(fù)合問題，有利于擴大其應(yīng)用范圍。
(3)伴隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，提供更精密，更穩(wěn)定的電子元件成為發(fā)展的方向，超因瓦合金必須在強磁條件下工作，因瓦效應(yīng)的產(chǎn)生與元素的磁性轉(zhuǎn)變有關(guān)，為了使其適應(yīng)更廣大的適用范圍必須對因瓦效應(yīng)的原理進行進一步的探究
參考資料 >
殷瓦鋼.國家材料腐蝕與防護科學(xué)數(shù)據(jù)中心公眾號.2024-06-04
材料 脆而不堅的合金—殷瓦鋼.國家材料腐蝕與防護科學(xué)數(shù)據(jù)中心.2024-06-03
研究揭開因瓦合金低溫不膨脹之謎.中國科學(xué)院.2024-06-03
1920年諾貝爾物理學(xué)獎——紀(jì)堯姆-集美大學(xué)基礎(chǔ)物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心 | 物理實驗中心 .集美大學(xué)基礎(chǔ)物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心.2024-06-03
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