Invar , también conocido genéricamente como FeNi36 ( 64FeNi en los EE.UU.), es un níquel - hierro de la aleación notable por su forma única bajo coeficiente de expansión térmica (CTE o α). El nombre invar viene de la palabra invariable , en referencia a su relativa falta de expansión o contracción con los cambios de temperatura. [1]
El descubrimiento de la aleación fue realizado en 1896 por el físico suizo Charles Édouard Guillaume por el que recibió el Premio Nobel de Física en 1920. Permitió mejoras en los instrumentos científicos. [2]
Propiedades
Como otras composiciones de níquel / hierro, Invar es una solución sólida ; es decir, se trata de una aleación monofásica , constituida por una oferta comercial de alrededor de 36% de níquel y 64% de hierro. [3] El rango invar fue descrito por "30-45 por ciento de níquel en átomos". [4]
Los grados comunes de Invar tienen un coeficiente de expansión térmica (denominado α , y medido entre 20 ° C y 100 ° C) de aproximadamente 1.2 × 10 −6 K −1 (1.2 ppm / ° C), mientras que los aceros ordinarios tienen valores de aproximadamente 11–15 ppm / ° C. Los grados extrapuros (<0,1% Co ) pueden producir fácilmente valores tan bajos como 0,62–0,65 ppm / ° C. Algunas formulaciones muestran características de expansión térmica negativa (NTE). Aunque muestra una alta estabilidad dimensional en un rango de temperaturas, tiene una propensión a deslizarse . [ cita requerida ]
Aplicaciones
Invar se utiliza donde se requiere una alta estabilidad dimensional, como instrumentos de precisión, relojes, medidores de fluencia sísmica, marcos de máscara de sombra de televisión , [5] válvulas en motores y moldes de grandes aeroestructuras.
Una de sus primeras aplicaciones fue en ruedas de equilibrio de relojes y varillas de péndulo para relojes reguladores de precisión . En el momento en que se inventó, el reloj de péndulo era el cronometrador más preciso del mundo, y el límite para la precisión del cronometraje se debía a las variaciones térmicas en la longitud de los péndulos del reloj. El reloj regulador Riefler desarrollado en 1898 por Clemens Riefler, el primer reloj en usar un péndulo invar, tenía una precisión de 10 milisegundos por día y sirvió como el estándar de tiempo principal en los observatorios navales y para los servicios de hora nacional hasta la década de 1930.
En topografía de la tierra , cuando de primer orden (de alta precisión) elevación de nivelación se va a realizar, el personal de nivel (varilla de nivelación) utilizado es de Invar, en lugar de madera, fibra de vidrio, o de otros metales. [ cita requerida ] Los puntales de invar se utilizaron en algunos pistones para limitar su expansión térmica dentro de sus cilindros. [6] En la fabricación de grandes estructuras de material compuesto para moldes de laminado de fibra de carbono aeroespacial , invar se utiliza para facilitar la fabricación de piezas con tolerancias extremadamente estrictas. [7]
Variaciones
Hay variaciones del material Invar original que tienen un coeficiente de expansión térmica ligeramente diferente, como:
- Inovco , que es Fe-33Ni-4.5Co y tiene un α de 0.55 ppm / ° C (de 20 a 100 ° C).
- FeNi42 (por ejemplo, aleación NILO 42), que tiene un contenido de níquel del 42% y α ≈ 5,3 ppm / ° C , se usa ampliamente como material de marco de plomo para componentes electrónicos, circuitos integrados, etc.
- Aleaciones de FeNiCo, denominadas Kovar o Dilver P, que tienen el mismo comportamiento de expansión que el vidrio de borosilicato y, por eso, se utilizan para piezas ópticas en una amplia gama de temperaturas y aplicaciones, como satélites .
Explicación de propiedades anómalas.
Una explicación detallada del CTE anormalmente bajo de Invar ha resultado difícil de alcanzar para los físicos.
Todas las aleaciones de Fe-Ni cúbicas centradas en las caras ricas en hierro muestran anomalías Invar en sus propiedades térmicas y magnéticas medidas que evolucionan continuamente en intensidad con una composición de aleación variable. Los científicos habían propuesto una vez que el comportamiento de Invar era una consecuencia directa de una transición de momento magnético alto a momento magnético bajo que ocurre en la serie cúbica Fe-Ni centrada en la cara (y que da lugar al mineral antitaenita ); sin embargo, se demostró que esta teoría era incorrecta. [8] En cambio, parece que la transición de momento bajo / momento alto está precedida por un estado ferromagnético frustrado de momento magnético alto en el que los enlaces de intercambio magnético Fe-Fe tienen un gran efecto de volumen magneto del signo correcto y magnitud para crear la anomalía de expansión térmica observada. [9]
Wang y col. consideró la mezcla estadística entre la configuración completamente ferromagnética (FM) y las configuraciones spin-flipping (SFC) en Fe
3Pt con las energías libres de FM y SFC predichos a partir de cálculos de primeros principios y pudieron predecir los rangos de temperatura de expansión térmica negativa bajo diversas presiones. [10] Se demostró que todos los MF y SFC individuales tienen expansión térmica positiva, y la expansión térmica negativa se origina en el aumento de la población de SFC con volúmenes más pequeños que el de MF. [11]
Ver también
- Constantan y Manganin , aleaciones con resistividad eléctrica relativamente constante
- Elinvar , aleación con elasticidad relativamente constante en un rango de temperaturas.
- Sitall y Zerodur , materiales cerámicos con una expansión térmica relativamente baja
- Vidrio de borosilicato y vidrio de expansión ultrabaja , vidrios de baja expansión resistentes al choque térmico
Referencias
- ^ Davis, Joseph R. Alloying: Comprensión de los conceptos básicos . ASM International. págs. 587–589. ISBN 0-87170-744-6.
- ^ "El Premio Nobel de Física 1920" . nobelprize.org . La Fundación Nobel . Consultado el 20 de marzo de 2011 .
El Premio Nobel de Física 1920 fue otorgado a Charles Edouard Guillaume "en reconocimiento al servicio que ha prestado a las mediciones de precisión en Física por su descubrimiento de anomalías en aleaciones de acero al níquel" .
- ^ "Hoja de datos del material Aleación 36" (PDF) . Consultado el 24 de noviembre de 2017 .
- ^ . doi : 10.1038 / 192962a0 . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ "Níquel y sus usos" . Revista Nickel . Instituto del níquel. 3 de mayo de 2005. Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2010 . Consultado el 20 de marzo de 2011 .
- ^ Se ilustran los motores de combustión interna . Long Acre, Londres: Odhams Press Limited. 1947. p. 85.
- ^ ¡ Herramientas para moldear y morir! , Mike Richardson, Aerospace Manufacturing, 6 de abril de 2018, consultado el 10 de abril de 2018.
- ^ K. Lagarec; DG Rancourt; SK Bose; B. Sanyal; RA Dunlap (2001). "Observación de una transición de momento alto / momento bajo controlada por composición en el sistema Fe-Ni cúbico centrado en la cara: el efecto invar es una expansión, no una contracción" (PDF) . Revista de magnetismo y materiales magnéticos . 236 : 107-130. Código Bibliográfico : 2001JMMM..236..107L . doi : 10.1016 / S0304-8853 (01) 00449-8 . Archivado desde el original (PDF) el 25 de abril de 2012.
- ^ DG Rancourt; M.-Z. Dang (1996). "Relación entre comportamiento anómalo de magneto-volumen y frustración magnética en aleaciones invar". Physical Review B . 54 (17): 12225-12231. Código Bibliográfico : 1996PhRvB..5412225R . doi : 10.1103 / PhysRevB.54.12225 .
- ^ Wang, Y., Shang, SL, Zhang, H., Chen, L.-Q. y Liu, Z.-K. (2010). Fluctuaciones termodinámicas en estados magnéticos: Fe 3 Pt como prototipo. Philosophical Magazine Letters, 90 (12), 851–859. https://doi.org/10.1080/09500839.2010.508446
- ^ Liu, Zi-Kui; Wang, Yi; Shang, Shunli (2014). "Anomalía de expansión térmica regulada por entropía" . Informes científicos . 4 : 7043. Código Bibliográfico : 2014NatSR ... 4E7043L . doi : 10.1038 / srep07043 . PMC 4229665 . PMID 25391631 .
enlaces externos
- ¿Qué es Invar ?, Antica Orologeria Lamberlan , consultado el 11 de agosto de 2007. Propiedades de Invar, por la empresa italiana de reparación de relojes antiguos