El invar , también conocido genéricamente como FeNi36 ( 64FeNi en los EE. UU.), es una aleación de níquel y hierro que se destaca por su coeficiente de expansión térmica (CTE o α) excepcionalmente bajo. El nombre invar proviene de la palabra invariable , que hace referencia a su relativa falta de expansión o contracción con los cambios de temperatura, [1] y es una marca registrada de ArcelorMittal . [2]
El descubrimiento de la aleación fue realizado en 1895 por el físico suizo Charles Édouard Guillaume por lo que recibió el Premio Nobel de Física en 1920. Permitió mejoras en los instrumentos científicos. [3]
Al igual que otras composiciones de níquel/hierro, el invar es una solución sólida , es decir, es una aleación monofásica . En un grado comercial llamado invar 35, consta de aproximadamente un 36 % de níquel y un 64 % de hierro, [4] tiene un punto de fusión de 1427 °C, una densidad de 8,05 g/cm3 y una resistividad de 8,2 x 10-5 Ω·cm. [5] Los científicos de Westinghouse describieron el rango del invar en 1961 como "30–45 átomo por ciento de níquel". [6]
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 alrededor de 11–15 ppm/°C. [ cita requerida ] Los grados extra puros (<0,1 % Co ) pueden producir fácilmente valores tan bajos como 0,62–0,65 ppm/°C. [ cita requerida ] Algunas formulaciones muestran características de expansión térmica negativa (NTE). [ cita requerida ] Aunque muestra una alta estabilidad dimensional en un rango de temperaturas, tiene una propensión a la fluencia . [7] [8]
El invar se utiliza donde se requiere una alta estabilidad dimensional, como en instrumentos de precisión, relojes, medidores de fluencia sísmica, marcos de máscara de sombra de tubos de televisión en color , [9] válvulas en motores y moldes de aeroestructuras de gran tamaño. [10]
Una de sus primeras aplicaciones fue en los volantes de los relojes y en las varillas de péndulo para los relojes reguladores de precisión . En el momento de su invención, el reloj de péndulo era el cronometrador más preciso del mundo, y el límite de la precisión en el cronometraje se debía a las variaciones térmicas en la longitud de los péndulos de los relojes. El reloj regulador Riefler desarrollado en 1898 por Clemens Riefler, el primer reloj que utilizaba un péndulo de invar, tenía una precisión de 10 milisegundos por día y sirvió como el principal estándar de tiempo en los observatorios navales y para los servicios de tiempo nacionales hasta la década de 1930.
En agrimensura , cuando se debe realizar una nivelación de elevación de primer orden (alta precisión) , la vara de nivelación utilizada está hecha de Invar, en lugar de madera, fibra de vidrio u otros metales. [11] [12] Los puntales de Invar se utilizaron en algunos pistones para limitar su expansión térmica dentro de sus cilindros. [13] En la fabricación de grandes estructuras de material compuesto para moldes de laminado de fibra de carbono aeroespacial , se utiliza Invar para facilitar la fabricación de piezas con tolerancias extremadamente ajustadas. [14]
En el campo astronómico, el Invar se utiliza como componente estructural que soporta la óptica sensible a la dimensión de los telescopios astronómicos. [15] La estabilidad dimensional superior del Invar permite que los telescopios astronómicos mejoren significativamente la precisión y exactitud de la observación.
Existen variaciones del material Invar original que tienen un coeficiente de expansión térmica ligeramente diferente, como:
Una explicación detallada del CTE anómalamente bajo del Invar ha resultado difícil de alcanzar para los físicos.
Todas las aleaciones cúbicas de Fe–Ni centradas en las caras ricas en hierro muestran anomalías de Invar en sus propiedades térmicas y magnéticas medidas que evolucionan continuamente en intensidad con la variación de la composición de la aleación. Los científicos habían propuesto alguna 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 de Fe–Ni centrada en las caras (y que da lugar al mineral antitaenita ); sin embargo, se demostró que esta teoría era incorrecta. [16] 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 magnetovolumen del signo y la magnitud adecuados para crear la anomalía de expansión térmica observada. [17]
Wang et al. consideraron la mezcla estadística entre la configuración completamente ferromagnética (FM) y las configuraciones de inversión de espín (SFC) en Fe
3Pt con las energías libres de FM y SFC predichas a partir de cálculos de primeros principios y pudieron predecir los rangos de temperatura de expansión térmica negativa bajo varias presiones. [18] Se demostró que todos los FM y SFC individuales tienen expansión térmica positiva, y la expansión térmica negativa se origina a partir de las crecientes poblaciones de SFC con volúmenes más pequeños que el de FM. [19]
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 níquel y acero"
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