1896年法國物理學(xué)家C.E.Guialme發(fā)現(xiàn)了一種奇妙的合金，這種合金在磁性溫度即居里點附近熱膨脹系數(shù)顯著減少，出現(xiàn)所謂反常熱膨脹現(xiàn)象（負(fù)反常），從而可以在室溫附近很寬的溫度范圍內(nèi)，獲得很小的甚至接近零的膨脹系數(shù)，這種合金的組成是64%的Fe和36%的Ni，呈面心里方結(jié)構(gòu)，其牌號為Dilaton 36/4J36，它的中文名字叫殷鋼，英文名字叫因瓦合金（invar），意思是體積不變。這個卓越的合金對科學(xué)進(jìn)步的貢獻(xiàn)如此之大，致使其發(fā)現(xiàn)者法國人C.E.Guilaume為此獲得1920年的諾貝爾獎，在歷史上他是第一位也是唯一的科學(xué)家因一項冶金學(xué)成果而獲此殊榮。

一、因瓦效應(yīng)

因瓦合金(德鎳 Dilaton36)自從十九世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)以來，人們就被它的巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力和所蘊含的豐富的物理內(nèi)容所吸引，因瓦效應(yīng)的研究不僅是闡明金屬及其合金、化合物磁性起源的重要途徑，而且在精密儀器儀表、微波通訊、石油運輸容器以及高科技產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣泛的實際作用，因而因瓦合金是許多冶金材料學(xué)家力于開拓的新材料領(lǐng)域，其機理也是凝聚態(tài)物理學(xué)家尚待解決的難題。一般來說，絕大多數(shù)金屬和合金都是在受熱時體積膨脹，冷卻時體積收縮，它們的熱膨脹系數(shù)呈線性增大，但是元素周期表中的鐵、鎳、鈷等過渡族元素組成的某些合金，由于它們的鐵磁性，在一定的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹不符合正常的膨脹規(guī)律，具有因瓦效應(yīng)的反常熱膨脹。例如，因瓦合金(Invar)在居里點以上的熱膨脹與一般合金相似，但在居里點以下形成反常熱膨脹，為了搞清因瓦合金的機理，科學(xué)家們作了大量的實驗，試驗表明，它的機理與化學(xué)成分及磁性有關(guān)，它在一定范圍的線膨脹系數(shù)是由低膨脹和高膨脹兩部分組成，含鎳量在一定范圍內(nèi)的增減會引起鐵、鎳合金線膨脹系數(shù)的急劇變化。當(dāng)含有32%-36%的鎳合金具有很低的線膨脹系數(shù)，一般平均膨脹系數(shù)為?=1.5×10^-6 /℃，當(dāng)含Ni量達(dá)到36%時，因瓦合金熱膨脹系數(shù)最低，達(dá)到a=1.8×10^-6 /℃，從而可獲得低到接近零值甚至負(fù)值的熱膨脹系數(shù)。該合金在居里溫度以上（230℃），失去了磁性，膨脹系數(shù)變大，而在居里點Tc附近熱脹系數(shù)比正常的系數(shù)小，出現(xiàn)所謂的“負(fù)反常”現(xiàn)象。為什么因瓦合金會隨化學(xué)成分及磁性的變化會出現(xiàn)“負(fù)反常”的熱膨脹系數(shù)？科學(xué)家根據(jù)試驗結(jié)果，在理論方面對其進(jìn)行了廣泛的研究，研究表明因瓦效應(yīng)主要是在具有面心里方的γ-Fe中出現(xiàn)，在γ相和α相的相界，當(dāng)α相為零時就出現(xiàn)因瓦效應(yīng)，像這樣關(guān)于只在γ-Fe系合金中出現(xiàn)因瓦效應(yīng)的原因，目前有各種解釋，但是大多數(shù)人認(rèn)為，有兩種：

（1）在fcc合金中，Fe具有高自旋和低自旋兩種不同的能態(tài)，高自旋態(tài)使鐵磁性穩(wěn)定并使合金的體積膨脹。這樣從居里溫度以上的溫度區(qū)逐漸降低過程中Fe從低自旋向高自旋能態(tài)過渡，使合金體積逐漸膨脹。但是，隨著溫度的降低，晶格振動減弱，合金體積也同時縮小，這個效應(yīng)與Fe的磁性膨脹之間發(fā)生竟?fàn)帲Y(jié)果使實際體積變化減小，產(chǎn)生正的自發(fā)體積磁致伸縮，使因瓦合金在居里點附近出現(xiàn)所謂的“負(fù)反常”。

（2）invar合金的費米能級位于d能帶低能態(tài)密度附近，從而在鐵磁性極化的同時，電子動能的增長比普通合金大得多，能帶寬度減小（能態(tài)密度提高），使之力圖減少動能的增長，而能帶寬度的減小相當(dāng)于晶格膨脹，即磁性膨脹，其結(jié)果和上述（1）一樣，由于晶格膨脹與晶格振動相競爭，于是出現(xiàn)低膨脹特性。考察以上兩種見解，可以發(fā)現(xiàn)，invar效應(yīng)是由Fcc立方Fe基合金的鐵磁性的能態(tài)所具有的一種特性引起的，這是上述兩種解釋都包含的共同概念。根據(jù)這個概念，可以設(shè)計其它因瓦合金。

二、因瓦合金的特性

因瓦合金(德鎳 Dilaton36)屬于鐵基高鎳合金，通常含有32%-36%的鎳，還含有少量的S、P、C等元素，其余為60％左右的Fe，由于鎳為擴大奧氏體元素，故高鎳使奧氏體轉(zhuǎn)為馬氏體的相變降至室溫以下，－100～－120℃，因而經(jīng)退火后，因瓦合金在室溫及室溫以下一定溫度范圍內(nèi)，均具有面心晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體組織，也是鎳溶于γ-Fe中形成的固溶體，因而因瓦合金具有以下性能。

1．膨脹系數(shù)小

因瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數(shù)一般為1.5×10^-6℃，含鎳在36%是達(dá)到1.8 ×10^-8℃，且在室溫－80℃—+100℃時均不發(fā)生變化。

2．強度、硬度不高

因瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和強度不高，抗拉強度在517Mpa左右，屈服強度在276Mpa左右，維氏硬度在160左右，一般可以通過冷變形來提高強度，在強度提高的同時仍具有良好的塑性。

3．導(dǎo)熱系數(shù)低

因瓦合金的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026～0.032cal/cm?sec?℃，僅為45鋼導(dǎo)熱系數(shù)的1/3-1/4。

4．塑性、韌性高

因瓦合金的延伸率和斷面收縮率以及沖擊韌性都很高，延伸率δ= 25-35%，沖擊韌性αK=18-33公斤米/厘米2。

5．其它性能

由于因瓦合金含鎳較高，提高了鋼的淬透性和可淬性，提高了鋼的耐氣性，耐蝕性和耐磨性。

通過因瓦合金的化學(xué)成分、金相組織及機械、物理性能分析可知，因瓦合金的切削加工性與奧氏體不銹鋼類似，但比奧氏體不銹鋼還要難加工，故因瓦合金在加工中主要具有切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等特點，因而因瓦合金在加工過程中，出現(xiàn)軟、粘和很大的塑性，切屑不易折斷，增加了切屑和前到面的摩擦，加劇了刀具的磨損，這樣不僅降低了刀具的耐用度，而且降低了工件的加工精度，因而在加工因瓦合金加工時，必須采用高性能的硬質(zhì)合金涂層刀具和新的加工方法，才能使切削加工順利進(jìn)行，只要方法得當(dāng)，就可使難加工的因瓦合金變得很容易加工，使因瓦合金由“難加工成變成易切削”是我們研究因瓦合金材料性能的宗旨，也是我們所要達(dá)到的目標(biāo)。

三、因瓦合金的發(fā)展及應(yīng)用前景

自從因瓦合金(德鎳 Dilaton36)的發(fā)現(xiàn)，引起了世界各國科學(xué)家的重視和研究，使得因瓦合金無論是從種類還是從性能和應(yīng)用上都得到了極大的提高。如1927年日本增本量首先研制出Fe—Ni—Co和Fe—Ni—Cr因瓦合金，1937年德國A..Kussmann研制出Fe—Pt和Fe—Pd因瓦合金等；我國在五、六十年代也研制出4J32和4J36因瓦合金；經(jīng)過將70年的發(fā)展，直到20世紀(jì)70年代，美國Inco公司研制出Incoloy903合金，才使低膨脹合金進(jìn)入了高溫用途領(lǐng)域，到80年代末期，才形成了現(xiàn)代低膨脹超合金系列。作為低膨脹合金都要求組織穩(wěn)定性，一般要求在－60℃～－70℃下不發(fā)生馬氏體相變。因為一發(fā)生這種相變，合金的膨脹系數(shù)會發(fā)生突變，導(dǎo)致應(yīng)用出現(xiàn)故障，這是不允許的。可貴的是，FeNi36因瓦合金和FeNi32Co4超因瓦合金，在-273℃下也能保持組織穩(wěn)定性，因而至今廣泛應(yīng)用的只有因瓦合金和超因瓦合金，近幾年來在改進(jìn)它們的質(zhì)量，擴大使用范圍，科學(xué)家們做了大量的研究工作，經(jīng)過100多年的發(fā)展，因瓦合金仍然是被廣泛應(yīng)用的經(jīng)久不衰的優(yōu)質(zhì)材料。

在因瓦合金問世的一百多年以來，取其低膨脹系數(shù)低這一特征的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大，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(jìn)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。

總之，隨著因瓦合金不斷應(yīng)用于人造衛(wèi)星、激光、環(huán)形激光陀螺儀和其他先進(jìn)的高科技產(chǎn)品，有力地表明這些古老的材料正在幫助現(xiàn)代科學(xué)向更高水平邁進(jìn)。