因瓦合金的特性分析及應(yīng)用前景
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摘要:絕大多數(shù)的金屬和合金都是在受熱時(shí)體積膨脹，冷卻時(shí)體積收縮，但因瓦合金由于它的鐵磁性，在一定的溫度范圍內(nèi)，具有因瓦效應(yīng)的反常熱膨脹，其膨脹系數(shù)極低，有時(shí)甚至為零或負(fù)值。由于因瓦合金具有低膨脹系數(shù)這一特點(diǎn)，將在航天航空、軍事武器、微波通訊、彩電陰罩以及石油運(yùn)輸容器等中得到廣泛應(yīng)用，因此因瓦合金將成為21世紀(jì)倍受人們關(guān)注的合金。
關(guān)鍵詞：因瓦合金、低膨脹系數(shù)、精密合金，4J36
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1896年法國(guó)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(diǎn)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(hào)為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(gè)卓越的合金對(duì)科學(xué)進(jìn)步的貢獻(xiàn)如此之大，致使其發(fā)現(xiàn)者法國(guó)人C.E.Guilaume為此獲得1920年的諾貝爾獎(jiǎng)，在歷史上他是第一位也是唯一的科學(xué)家因一項(xiàng)冶金學(xué)成果而獲此殊榮。

一、 因瓦效應(yīng)
??? 因瓦合金自從十九世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們就被它的巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力和所蘊(yùn)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(yùn)輸容器以及高科技產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣泛的實(shí)際作用，因而因瓦合金是許多冶金材料學(xué)家力于開(kāi)拓的新材料領(lǐng)域，其機(jī)理也是凝聚態(tài)物理學(xué)家尚待解決的難題。一般來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)金屬和合金都是在受熱時(shí)體積膨脹，冷卻時(shí)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(guò)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，4J36因瓦合金在居里點(diǎn)以上的熱膨脹與一般合金相似，但在居里點(diǎn)以下形成反常熱膨脹，為了搞清因瓦合金的機(jī)理，科學(xué)家們作了大量的實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明，它的機(jī)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(huì)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(shí)，因瓦合金熱膨脹系數(shù)最低，達(dá)到a=1.8×10-6℃-1，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(diǎn)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?！爆F(xiàn)象。為什么因瓦合金會(huì)隨化學(xué)成分及磁性的變化會(huì)出現(xiàn)“負(fù)反?！钡臒崤蛎浵禂?shù)？科學(xué)家根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在理論方面對(duì)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(shí)就出現(xiàn)因瓦效應(yīng)，象這樣關(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?zhuān)谴蠖鄶?shù)人認(rèn)為，有兩種：（1）在fcc合金中，F(xiàn)e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(guò)程中Fe從低自旋向高自旋能態(tài)過(guò)渡，使合金體積逐漸膨脹。但是，隨著溫度的降低，晶格振動(dòng)減弱，合金體積也同時(shí)縮小，這個(gè)效應(yīng)與Fe的磁性膨脹之間發(fā)生竟?fàn)帲Y(jié)果使實(shí)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(diǎn)附近出現(xiàn)所謂的“負(fù)反?！?。（2）invar合金的費(fèi)米能級(jí)位于d能帶低能態(tài)密度附近，從而在鐵磁性極化的同時(shí)，電子動(dòng)能的增長(zhǎng)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(dòng)能的增長(zhǎng)，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(dòng)相競(jìng)爭(zhēng)，于是出現(xiàn)低膨脹特性。考察以上兩種見(jiàn)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(gè)概念，可以設(shè)計(jì)其它因瓦合金。
二、因瓦合金的特性
因瓦合金屬于鐵基高鎳合金，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(kuò)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(shí)均不發(fā)生變化。
2．強(qiáng)度、硬度不高
??? 因瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和強(qiáng)度不高，抗拉強(qiáng)度在517Mpa左右，屈服強(qiáng)度在276Mpa左右，維氏硬度在160左右，一般可以通過(guò)冷變形來(lái)提高強(qiáng)度，在強(qiáng)度提高的同時(shí)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(guò)因瓦合金的化學(xué)成分、金相組織及機(jī)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(lèi)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(diǎn)，因而因瓦合金在加工過(guò)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(shí)，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。
三、因瓦合金的發(fā)展及應(yīng)用前景
??? 自從因瓦合金的發(fā)現(xiàn)，引起了世界各國(guó)科學(xué)家的重視和研究，使得因瓦合金無(wú)論是從種類(lèi)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(guó)A..Kussmann研制出Fe—Pt和Fe—Pd因瓦合金等；我國(guó)在五、六十年代也研制出4J32和4J36因瓦合金；經(jīng)過(guò)將70年的發(fā)展，直到20世紀(jì)70年代，美國(guó)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?yàn)橐话l(fā)生這種相變，合金的膨脹系數(shù)會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致應(yīng)用出現(xiàn)故障，這是不允許的?？少F的是，F(xiàn)eNi36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(lái)在改進(jìn)它們的質(zhì)量，擴(kuò)大使用范圍，科學(xué)家們做了大量的研究工作，經(jīng)過(guò)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(wèn)世的一百多年以來(lái)，取其低膨脹系數(shù)低這一特征的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)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(kuò)大，主要用于無(wú)線電電子管、恒溫器中作控溫用的熱雙金屬片、長(zhǎng)度標(biāo)尺、大地測(cè)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(chǔ)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(jī)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(cè)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)。