不變鋼
不變鋼（又稱恆範鋼、因瓦合金、殷瓦鋼（Invar），這一名稱來自invariable一詞，是安賽樂米塔爾所有的註冊商標[1]，來源於其在溫度變化時膨脹和收縮很小的特性[2]）或稱FeNi36或64FeNi。
這是一種鎳鋼合金，是含鎳元素量36%的特殊鋼，由於其膨脹系數極小，在極低溫度到超過室溫的溫度範圍內都能保持固定長度（這種特性也被稱為因瓦效應），適合做測量元件，更是製造液化天然氣載運船的重要原料。
因瓦合金是瑞士科學家夏爾·紀堯姆在1896年發明，他也因此獲得了1920年的諾貝爾物理學獎[3]。
性質
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與其他鐵鎳合金一樣，不變鋼也是一種固溶體，也就是說，它是一種單相合金。在商業版本中，它由大約36%的鎳和64%的鐵組成。1961年，西屋電氣材料實驗室的科學家將這一合金描述為「含30-45原子百分比鎳」[4]。
常見的不變鋼的熱膨脹係數（表示為α，在20°C和100°C之間測量）約為1.2×10−6 K-1（1.2 ppm/°C），而普通鋼的這個值約為11-15 ppm/°C。超純等級（<0.1% Co）可以產生低至0.62-0.65 ppm/°C的熱膨脹係數，而一些特殊配方可以達成負熱膨脹係數。雖然它在溫度範圍內表現出很高的尺寸穩定性，但它確實有蠕變的傾向[5][6]。
因瓦效應
[編輯]不變鋼在室溫以上的環境下不膨脹，是由於合金里的鐵原子半徑小，處於不穩定狀態的低自旋的鐵原子密度隨溫度上升而增加，從而導致原子收縮；而另一方面溫度升高使原子的熱振動趨於劇烈，原子間的距離加大，以避免原子之間的碰撞。這兩種效果在不變鋼中相互抵消，因此形成因瓦效應[7] 。而低溫環境下的因瓦效應則主要是由於量子波動引起的[8] 。
相關條目
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ US Trademark #63970
- ^ Davis, Joseph R. Alloying: Understanding the Basics. ASM International. 2001: 587–589. ISBN 0-87170-744-6.
- ^ The Nobel Prize in Physics 1920. nobelprize.org. The Nobel Foundation. [20 March 2011]. （原始內容存檔於2012-05-29）.
The Nobel Prize in Physics 1920 was awarded to Charles Edouard Guillaume "in recognition of the service he has rendered to precision measurements in Physics by his discovery of anomalies in nickel steel alloys".
- ^ Ananthanarayanan, N. I.; Peavler, R. J. A New Reversible Solid-State Transformation in Iron–Nickel Alloys in the Invar Range of Compositions. Nature. 1961-12, 192 (4806) [2024-01-04]. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/192962a0. （原始內容存檔於2024-06-03） （英語）.
- ^ Myslowicki, Thomas; Crumbach, Mischa; Mattissen, Dorothea; Bleck, Wolfgang. Short time creep behaviour of Invar steel. Steel Research. August 2002, 73 (8): 332–339 [2024-01-04]. doi:10.1002/srin.200200218. （原始內容存檔於2023-06-29） （英語）.
- ^ Thackar, Romin A.; Trivedi, Snehal V. An Overview of Dimensional Stability of Invar 36 Material for Space Based Optical Mounting Applications (PDF). International Conference on Ideas, Impact and Innovation in Mechanical Engineering (ICIIIME 2017). June 2017, 5 (6): 147 [2024-01-04]. （原始內容存檔 (PDF)於2024-03-07）.
- ^ 研究揭开因瓦合金低温不膨胀之谜. 科學網. 2011-08-06 [2011-08-08]. （原始內容存檔於2019-05-10）.
- ^ Yokoyama, Toshihiko; Eguchi, Keitaro. Anharmonicity and Quantum Effects in Thermal Expansion of an Invar Alloy. Physical Review Letters. NaN-NaN-NaN, 107 (6). doi:10.1103/PhysRevLett.107.065901.
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