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Invar

Muestras de Invar
Aquí se representa gráficamente el coeficiente de expansión térmica de las aleaciones de níquel/hierro en función del porcentaje de níquel (sobre una base de masa) en la aleación. El mínimo pronunciado se produce en la proporción de invar del 36 % de Ni.

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 el que recibió el Premio Nobel de Física en 1920. Permitió mejoras en los instrumentos científicos. [3]

Propiedades

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 36, 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]

Aplicaciones

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.

Variaciones

Existen variaciones del material Invar original que tienen un coeficiente de expansión térmica ligeramente diferente, como:

Explicación de propiedades anómalas

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
3
Pt
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]

Véase también

Referencias

  1. ^ Davis, Joseph R. (2001). Aleación: comprensión de los conceptos básicos . ASM International. págs. 587–589. ISBN 0-87170-744-6.
  2. ^ Marca registrada de EE. UU. N.° 63970
  3. ^ "El Premio Nobel de Física 1920". nobelprize.org . The Nobel Foundation . 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 níquel y acero" .
  4. ^ "Hoja de datos del material de la aleación 36" (PDF) . Consultado el 24 de noviembre de 2017 .
  5. ^ "Aleación Invar 36".
  6. ^ Ananthanarayanan, NI; Peavler, RJ (1961). "Una nueva transformación reversible en estado sólido en aleaciones de hierro y níquel en el rango de composiciones de invar". Nature . 192 (4806): 962–963. Bibcode :1961Natur.192..962A. doi :10.1038/192962a0. S2CID  4277440.
  7. ^ Myslowicki, Thomas; Crumbach, Mischa; Mattissen, Dorothea; Bleck, Wolfgang (agosto de 2002). "Comportamiento de fluencia a corto plazo del acero invar". Steel Research . 73 (8): 332–339. doi :10.1002/srin.200200218.
  8. ^ Thackar, Romin A.; Trivedi, Snehal V. (junio de 2017). "Una descripción general de la estabilidad dimensional del material Invar 36 para aplicaciones de montaje óptico basadas en el espacio" (PDF) . Conferencia internacional sobre ideas, impacto e innovación en ingeniería mecánica (ICIIIME 2017) . 5 (6): 147.
  9. ^ "Níquel y sus usos". Nickel Magazine . Nickel Institute. 3 de mayo de 2005. Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2010. Consultado el 20 de marzo de 2011 .
  10. ^ Boeing 787 Fuselage (MIE-375), 30 de octubre de 2018 , consultado el 29 de junio de 2023
  11. ^ Baričević, Sergej; Barković, Đuro; Zrinjski, Mladen; Staroveški, Tomislav (2022). "Desarrollo del método de calibración de escala de mira de nivelación mediante la integración de una cámara CCD". En Ademović, Naida; Mujcic, Edin; Akšamija, Zlatan; Kevric, Jasmin; Avdaković, Samir; Volić, Ismar (eds.). Tecnologías, sistemas y aplicaciones avanzadas VI . Apuntes de conferencias sobre redes y sistemas. vol. 316. Cham: Editorial Internacional Springer. págs. 514–521. doi :10.1007/978-3-030-90055-7_40. ISBN 978-3-030-90055-7.
  12. ^ "ISO 12858-1:2014 Óptica e instrumentos ópticos — Dispositivos auxiliares para instrumentos geodésicos — Parte 1: Miras de nivelación de invar". ISO . Consultado el 2 de septiembre de 2023 .
  13. ^ Motores de combustión interna ilustrados . Long Acre, Londres: Odhams Press Limited. 1947. pág. 85.
  14. ^ ¡ Herramientas para moldear y troquelar! Archivado el 10 de abril de 2018 en Wayback Machine , Mike Richardson, Aerospace Manufacturing, 6 de abril de 2018, consultado el 10 de abril de 2018.
  15. ^ Fujii, Hiromichi T.; Sakaguchi, Naoki; Ona, Kotaro; Hayano, Yutaka; Uraguchi, Fumihiro (2020). "Control preciso de la expansión térmica negativa en aleación tipo invar inoxidable para telescopios astronómicos". En Geyl, Roland; Navarro, Ramón (eds.). Avances en tecnologías ópticas y mecánicas para telescopios e instrumentación IV . vol. 11451. pág. 1145118. Código bibliográfico : 2020SPIE11451E..18F. doi :10.1117/12.2561193. ISBN 9781510636897. S2CID  230575165 . Consultado el 8 de mayo de 2021 .
  16. ^ K. Lagarec; DG Rancourt; SK Bose; B. Sanyal; RA Dunlap (2001). "Observación de una transición de momento alto/momento bajo controlada por la composición en el sistema cúbico Fe–Ni centrado en la cara: el efecto invar es una expansión, no una contracción" (PDF) . Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 236 (1–2): 107–130. Bibcode :2001JMMM..236..107L. doi :10.1016/S0304-8853(01)00449-8. Archivado desde el original (PDF) el 25 de abril de 2012.
  17. ^ DG Rancourt; M.-Z. Dang (1996). "Relación entre el comportamiento magnetovolumen anómalo y la frustración magnética en aleaciones de invar". Physical Review B . 54 (17): 12225–12231. Bibcode :1996PhRvB..5412225R. doi :10.1103/PhysRevB.54.12225. PMID  9985084.
  18. ^ Wang, Y., Shang, SL, Zhang, H., Chen, L.-Q., y Liu, Z.-K. (2010). Fluctuaciones termodinámicas en estados magnéticos: Fe3Pt como prototipo. Philosophical Magazine Letters, 90(12), 851–859. https://doi.org/10.1080/09500839.2010.508446
  19. ^ Liu, Zi-Kui; Wang, Yi; Shang, Shunli (2014). "Anomalía de expansión térmica regulada por entropía". Scientific Reports . 4 : 7043. Bibcode :2014NatSR...4E7043L. doi :10.1038/srep07043. PMC 4229665 . PMID  25391631.