Инвар — сплав с низким тепловым расширением¶

Инвар — ферроникелевый сплав с аномально низким коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), содержащий около 36 % никеля и 64 % железа. Название происходит от французского invariable — «неизменный» и отражает главную особенность материала: практически полное отсутствие изменения размеров при нагреве в интервале от минус 60 до плюс 200 °C. КЛТР инвара составляет около 1,2·10⁻⁶ K⁻¹, что примерно в 10–15 раз меньше, чем у обычной конструкционной стали.

¶История открытия

Инвар был открыт в 1896 году французским физиком Шарлем Эдуаром Гийомом, работавшим в Международном бюро весов и мер (Севр). Гийом исследовал сплавы системы железо-никель и обнаружил, что сплав с содержанием никеля около 36 % при комнатной температуре демонстрирует аномально малое тепловое расширание. За эту работу, а также за создание ряда других инварных и элинварных сплавов, Гийом получил Нобелевскую премию по физике в 1920 году.

Открытие инвара положило начало целому семейству сплавов с контролируемым тепловым расширением. В 1920-е годы были разработаны инвары с расширенным диапазоном рабочих температур, а также сплавы на основе кобальта, титана и других металлов, имитирующие инварный эффект.

¶Состав и свойства

Типичный состав инвара (марка 36Н, по российской классификации):

Ключевые свойства инвара:

• Коэффициент теплового расширения — 1,2·10⁻⁶ K⁻¹ в диапазоне −60…+200 °C (у конструкционных сталей — 10–14·10⁻⁶ K⁻¹).
• Плотность — около 8000 кг/м³.
• Модуль упругости — примерно 140–150 ГПа.
• Предел текучести — 240–280 МПа (в отожжённом состоянии).
• Температура Кюри — около 230 °C, то есть ферромагнитные свойства сохраняются до этой температуры.

Аномально низкое расширение объясняется магнитострикционным эффектом: при нагреве магнитное упорядочение атомных моментов ослабевает, и это компенсирует обычное увеличение межатомных расстояний из-за теплового движения. Компенсация наиболее полна именно при содержании никеля около 36 %.

¶Разновидности инварных сплавов

Помимо классического инвара 36Н, к семейству инварных сплавов относятся:

• 32Н — сплав с содержанием никеля около 32 %, обладает повышенной прочностью при несколько большем КЛТР.
• 28Н3К — сплав системы Fe-Ni-Co, КЛТР около 0,5·10⁻� K⁻¹, применяется для высокоточных измерительных приборов.
• Суперинвар — сплав Fe-Ni-Co с добавкой титана, КЛТР снижается до 0,02·10⁻⁶ K⁻¹, используется в прецизионной технике и лазерных системах.
• Элинвар — сплав с содержанием никеля около 36 % и добавкой хрома, вольфрама и других элементов; обладает постоянным модулем упругости в широком диапазоне температур (название — от élasticité invariable).

¶Производство

Инвар выплавляется в электрических дуговых печах или индукционных печах с последующей горячей или холодной прокаткой. Контроль содержания никеля критически важен: отклонение на 1 % изменяет КЛТР примерно на 1·10⁻⁶ K⁻¹. После механической обработки заготовки подвергают отжигу при 800–850 °C для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров.

¶Применение

Инвар применяется там, где критична стабильность геометрических размеров:

• Часовая промышленность — балансовые пружины, мосты и оси механизмов карманных и наручных часов (в частности, в механизмах швейцарских часовых мануфактур).
• Измерительная техника — эталонные линейки, калибры, шаблоны, корпуса прецизионных приборов.
• Приборостроение — детали гироскопов, сейсмографов, телескопических конструкций.
• Сварочные технологии — присадочные прутки из инвара для сварки конструкций из низкоуглеродистых сталей, работающих при перепадах температур (например, мостовых сооружений).
• Электроника и лазерная техника — подложки и корпуса, где тепловые деформации недопустимы.
• Метрология — эталонные меры длины, хранящиеся в лабораторных условиях.

¶Ограничения

Инвар обладает невысокой прочностью (предел текучести в 2–3 раза ниже, чем у конструкционных сталей), поэтому не используется в нагруженных несущих конструкциях. Сплав склонен к коррозии, что требует защитных покрытий при работе во влажной среде. При температурах выше 200 °C инварный эффект ослабевает, а выше температуры Кюри (≈230 °C) КЛТР резко возрастает, что ограничивает рабочий диапазон.

¶Инвар в России

В СССР и России инвар производится на Нижнетагильском металлургическом комбинате («Северсталь-НЛМК») и на ПО «Электрозавод». Отечественная марка 36Н соответствует международному обозначению FeNi36 и стандарту ASTM F30. Сплав входит в ГОСТ 5632 — перечень высоколегированных коррозионностойких и жаропрочных сплавов, а также в отраслевые стандарты для прецизионного приборостроения.

Источники:

• Гийом Ш. Э. Работы по прецизионной метрологии. — Париж, 1920.
• Справочник «Металловедение» / под ред. Л. И. Курдюмова. — М.: Металлургия.
• ГОСТ 5632-2014. Высоколегированные сплавы жаропрочные и коррозионностойкие.
• ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials.