因瓦合金的特性分析及應用前景
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摘要:絕大多數的金屬和合金都是在受熱時體積膨脹，冷卻時體積收縮，但因瓦合金由于它的鐵磁性，在一定的溫度范圍內，具有因瓦效應的反常熱膨脹，其膨脹系數極低，有時甚至為零或負值。由于因瓦合金具有低膨脹系數這一特點，將在航天航空、軍事武器、微波通訊、彩電陰罩以及石油運輸容器等中得到廣泛應用，因此因瓦合金將成為21世紀倍受人們關注的合金。
關鍵詞：因瓦合金、低膨脹系數、精密合金，4J36
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1896年法國物理學家C.E.Guialme發現了一種奇妙的合金，這種合金在磁性溫度即居里點附近熱膨脹系數顯著減少，出現所謂反常熱膨脹現象（負反常），從而可以在室溫附近很寬的溫度范圍內，獲得很小的甚至接近零的膨脹系數，這種合金的組成是64%的Fe和36%的Ni，呈面心里方結構，其牌號為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。這個卓越的合金對科學進步的貢獻如此之大，致使其發現者法國人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家因一項冶金學成果而獲此殊榮。

一、 因瓦效應
??? 因瓦合金自從十九世紀被發現以來，人們就被它的巨大的工業應用潛力和所蘊含的豐富的物理內容所吸引，因瓦效應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品等領域有廣泛的實際作用，因而因瓦合金是許多冶金材料學家力于開拓的新材料領域，其機理也是凝聚態物理學家尚待解決的難題。一般來說，絕大多數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，熱膨脹不符合正常的膨脹規律，具有因瓦效應的反常熱膨脹。例如，4J36因瓦合金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，科學家們作了大量的實驗，試驗表明，它的機理與化學成分及磁性有關，它在一定范圍的線膨脹系數是由低膨脹和高膨脹兩部分組成，含鎳量在一定范圍內的增減會引起鐵、鎳合金線膨脹系數的急劇變化。當含有32%-36%的鎳合金具有很低的線膨脹系數，一般平均膨脹系數為?=1.5×10-6℃，當含Ni量達到36%時，因瓦合金熱膨脹系數最低，達到a=1.8×10-6℃-1，從而可獲得低到接近零值甚至負值的熱膨脹系數。該合金在居里溫度以上（230℃），失去了磁性，膨脹系數變大，而在居里點Tc附近熱脹系數比正常的系數小，出現所謂的“負反常”現象。為什么因瓦合金會隨化學成分及磁性的變化會出現“負反常”的熱膨脹系數？科學家根據試驗結果，在理論方面對其進行了廣泛的研究，研究表明因瓦效應主要是在具有面心里方的γ-Fe中出現，在γ相和α相的相界，當α相為零時就出現因瓦效應，象這樣關于只在γ-Fe系合金中出現因瓦效應的原因，目前有各種解釋，但是大多數人認為，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，高自旋態使鐵磁性穩定并使合金的體積膨脹。這樣從居里溫度以上的溫度區逐漸降低過程中Fe從低自旋向高自旋能態過渡，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，這個效應與Fe的磁性膨脹之間發生竟爭，結果使實際體積變化減小，產生正的自發體積磁致伸縮，使因瓦合金在居里點附近出現所謂的“負反常”。（2）invar合金的費米能級位于d能帶低能態密度附近，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于晶格膨脹，即磁性膨脹，其結果和上述（1）一樣，由于晶格膨脹與晶格振動相競爭，于是出現低膨脹特性。考察以上兩種見解，可以發現，invar效應是由Fcc立方Fe基合金的鐵磁性的能態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。根據這個概念，可以設計其它因瓦合金。
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，由于鎳為擴大奧氏體元素，故高鎳使奧氏體轉為馬氏體的相變降至室溫以下，－100～－120℃，因而經退火后，因瓦合金在室溫及室溫以下一定溫度范圍內，均具有面心晶格結構的奧氏體組織，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．膨脹系數小
??? 因瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數一般為1.5×10-6℃，含鎳在36%是達到1.8×10-8℃，且在室溫－80℃—+100℃時均不發生變化。
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．導熱系數低
??? 因瓦合金的導熱系數為0.026～0.032cal/cm?sec?℃，僅為45鋼導熱系數的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合金涂層刀具和新的加工方法，才能使切削加工順利進行，只要方法得當，就可使難加工的因瓦合金變得很容易加工。
三、因瓦合金的發展及應用前景
??? 自從因瓦合金的發現，引起了世界各國科學家的重視和研究，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；經過將70年的發展，直到20世紀70年代，美國Inco公司研制出Incoloy903合金，才使低膨脹合金進入了高溫用途領域，到80年代末期，才形成了現代低膨脹超合金系列。作為低膨脹合金都要求組織穩定性，一般要求在－60℃～－70℃下不發生馬氏體相變。因為一發生這種相變，合金的膨脹系數會發生突變，導致應用出現故障，這是不允許的。可貴的是，FeNi36因瓦合金和FeNi32Co4超因瓦合金，在-273℃下也能保持組織穩定性，因而至今廣泛應用的只有因瓦合金和超因瓦合金，近幾年來在改進它們的質量，擴大使用范圍，科學家們做了大量的研究工作，經過100多年的發展，因瓦合金仍然是被廣泛應用的經久不衰的優質材料。
???? 在因瓦合金問世的一百多年以來，取其低膨脹系數低這一特征的應用領域迅速擴大，用因瓦合金制造的精密儀器儀表、標準鐘的擺桿、擺輪及鐘表的游絲成為早期最重要的產品，在上世紀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、長度標尺、大地測量基線尺等；到了八九十年代，廣泛用于微波技術、液態氣體儲容器、彩電的陰罩鋼帶、架空輸電線芯材、湝振腔、激光準直儀腔體、三步重復光刻相機基板等。進入21世紀之后，隨著航天技術的飛速發展，新的應用還包括用在航天遙感器、精密激光、光學測量系統和波導管中作結構件、顯微鏡、天文望遠鏡中巨大透鏡的支撐系統和需要安裝透鏡的各種各樣科學儀器中。
??? 總之，隨著因瓦合金不斷應用于人造衛星、激光、環形激光陀螺儀和其他先進的高科技產品，有力地表明這些古老的材料正在幫助現代科學向更高水平邁進。