具有受控膨胀特性的合金用于各种应用，其中在组件零件设计中必须考虑金属的热尺寸变化。通常，这些合金在加热时膨胀，在冷却时收缩。
成分和晶体结构共同有助于确定每种合金的热膨胀行为。合金膨胀率通常用平均或平均热膨胀系数来表示。
一些合金的膨胀行为不是线性的。因此，在描述任何材料所需的膨胀系数时，指定感兴趣的温度上限和下限非常重要。
受控膨胀合金一般分为三种类型：
低热膨胀 - 这些主要是铁镍合金，在一定温度范围内具有非常低的膨胀系数。它们通常用于电子设备、仪器仪表和恒温器。
匹配膨胀 - 这些合金具有与电子工业中常用的玻璃和陶瓷大致相同的膨胀系数。
高热膨胀 - 这些是具有高膨胀系数的合金......例如，比不锈钢和碳钢的检测值更高。它们主要用于恒温器应用。
低膨胀合金在一定温度范围内具有非常低的热膨胀系数 - 小于 1.8 至约 9 x 10-6/°C（1.0 至约 5.0 x 10-6/°F）。这些合金表现出不寻常的膨胀行为;它由图 1 中的曲线表示。
该合金家族独特的膨胀特性与铁磁性有关。每种合金在低于居里温度时表现出非常低的热膨胀率：即低于该温度的铁磁性温度。这种低热膨胀率异常，通常被称为“因瓦效应”，与自发体积磁致伸缩有关，其中晶格畸变抵消了正常的晶格热膨胀率。
高于居里温度时，合金会以高速率膨胀，因为它们不再是铁磁性的。已经提出了许多理论来解释这种“因瓦效应”
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尽管这些理论对这种现象有了深入的了解，但其机制尚未得到充分理解。此外，使用某些镍铁成分，可以获得非常高的磁导率。因此，该系列合金可用于需要高磁导率的应用，例如变压器、铁芯、高效电机的叠片、继电器和螺线管。
该组中的所有合金都是具有面心立方晶体结构的铁镍合金或铁镍钴合金。随着铁镍合金中的镍含量从 36% 增加，热膨胀率和居里温度也增加。居里温度从 280% 镍的 536°C （36°F） 上升到 510% 镍的 960°C （50°F） 以上。因此，在选择合金时，还必须考虑可能受居里温度限制的有用温度范围。
低膨胀合金的用途分为两大类。首先是必须尽量减少由于温度变化引起的尺寸变化的机器。这些应用包括测量和控制仪器的结构部件，其中温度变化引起的过度膨胀和收缩会严重影响精度。典型应用包括飞机和导弹控制组件、激光和光学系统以及波导管。
第二类包括使用双金属条的温度控制。这种简单的控制类型由低膨胀合金与高膨胀合金冶金结合以产生双金属元件组成。当带材被加热时，两种合金之间的热膨胀率差异导致元件曲率弯曲。
曲率的变化与膨胀系数的差异和带材组件的温度变化成正比，与组合组件的厚度成反比。弯曲量还受两个部件的弹性模量比和它们的厚度比的影响。
最著名的低膨胀合金之一是Invar “36” ® 合金 （UNS K93601），这是一种 36% 的镍平衡铁合金。 它已用于无线电和电子设备等应用，这些应用必须使温度引起的尺寸变化最小，用于精密光学激光测量设备中的结构构件，以及用作双金属恒温器中的低膨胀侧。
该系列中的两种合金适用于独特的低膨胀要求。易切削 Invar “36” ® 合金 （UNS K93602） 的膨胀性能略有提高，为注重高零件生产率的应用提供了更好的机械加工性。这种合金已用于飞机控制和各种电子设备。
第二种合金 - Super Invar “32-5” 合金 - 是一种铁-镍-钴合金，在室温或接近室温时，其热膨胀率约为 Carpenter Invar “36” 合金的一半。它已用于光学和激光仪器的结构部件和支撑。
ASTM F1.03 金属材料小组委员会成立了一个工作组，为 36% 镍殷钢和自由加工殷钢以及超级殷钢制定 ASTM 标准规范。希望这个新规范将在 1995 年的某个时候推出。
其他四种低膨胀合金中的任何一种都可能特别适合在较高温度范围内使用。例如，低膨胀“39”合金 （ASTM B-753） 具有有用的低热膨胀率，可扩展到大约 340ºC （644ºF）。它已用于可调电容器和恒温器双金属片产品中的低膨胀元件。
低膨胀“42”合金 （ASTM B-753） 在高达 380°C （716ºF） 的温度下具有几乎恒定的低热膨胀率，而低膨胀“45”合金 （ASTM B-753） 在高达 440°C （824°F） 的温度下具有相对恒定的热膨胀率。这两种金属都已用于恒温器和热敏开关。高镍合金的热膨胀率近似于某些氧化铝陶瓷在一定温度范围内的热膨胀率。
该系列中镍含量最高的合金低膨胀“49”合金已用于光纤的玻璃密封。
有关这些低膨胀合金的类型分析和典型性能，请参见图 2。膨胀曲线如图 3 所示。
低膨胀合金的加工类似于 316 型奥氏体不锈钢，但不如 1400 型奥氏体不锈钢。它们很容易加工，尽管它们确实会产生软糖芯片。因此，建议使用大型、锋利且刚性支撑的工具，速度较慢。
所有合金都具有很强的延展性，因此可以很容易地进行冷镦和成型。冷轧带钢的冲压很容易完成。零件可以从适当退火的带材中深拉。
制造确实会增加应力，如果不减轻，这些应力可能会改变热膨胀行为。因此，制造件投入使用可能不符合设计要求。
经过严格的成型、弯曲和加工后，可以通过在大约 1800 至 600°F 的温度下退火足够充分加热截面来完成这些操作引入的应力消除。然而，镍铁在这些高温下很容易氧化。
当无法在非氧化环境（真空、干氢、游离氨等）中进行退火时，必须在工件上留出足够的材料，以便在退火后通过轻度研磨、酸洗等进行清理。退火后进行轻度精加工或磨削的截面的应力消除是通过加热到 800 至 <>°F 来完成的，一段时间内使工件均匀加热。
一类合金具有与某些玻璃和陶瓷材料相容的热膨胀特性。这些特种合金经过专门设计，以匹配玻璃和陶瓷在各种高温范围内的冷却速度。
这一特性允许在密封器件中实现持久的金属与玻璃熔合。玻璃/金属界面被加热，直到玻璃熔化并润湿到合金表面的氧化层。
当它冷却时，玻璃会凝固。随着冷却的继续，玻璃和金属的收缩行为在玻璃应变点以下相似是非常重要的。当被密封材料之间存在过大的收缩差异时，应力会导致玻璃破裂。
气密密封已经使用多年，并取得了巨大成功，用于保护真空管免受环境影响，然后是晶体管，最近又用于半导体。随着集成电路的发展，这些合金在将芯片密封在陶瓷基板中发挥了关键作用。
用于玻璃-金属密封的合金往往会形成表面氧化物，这种氧化物很容易“润湿”或化学键合到某些玻璃上。在所有铁铬和铁镍密封合金中，这一特性确保了具有良好强度和气密性的高质量密封件。在实际玻璃密封之前，通常的做法是在特殊的可控气氛炉中对金属部件进行预氧化。
陶瓷-金属密封件在所有类型的电子设备中的使用已大幅增加。这些密封件通常由钎焊到受控膨胀合金构件上的金属化氧化铝 （Al2O3） 或铍 （BeO） 基体组成。
陶瓷部件通常具有金属化表面，以便连接膨胀合金。就氧化铝而言，“钼锰”工艺是用于表面金属化的最广泛工艺。镀镍或镍和金后，然后将受控膨胀合金零件焊接或钎焊到金属化陶瓷上，通常在具有受控还原气氛的连续或间歇式炉中。通过适当调整温度、时间、气氛和夹具，可以始终如一地获得良好的钎焊接头。
材料指定符可以从 10 种玻璃和陶瓷密封合金中选择任何一种，以匹配要保护的零件或组件的热膨胀特性。（图 4）。
可伐®合金（ASTM F-15 - 也称为 Rodar® 合金）是一种低膨胀合金，已广泛用于玻璃-金属和陶瓷-金属密封。它为硬硼硼酸盐玻璃和陶瓷材料（如功率管、微波管、晶体管和二极管）以及高端电子产品（如小型化集成电路）提供强大的气密密封。
这是玻璃和陶瓷密封系列中仅有的两种含有大量钴 （17%） 的合金之一。钴降低了低膨胀铁镍合金的热膨胀率，如图 5 中的曲线所示。
Ceramvar® 合金 （ASTM F-1466） 是另一种含钴 （25%） 的合金，通常用于可伐合金可能无法提供所需服务的应用。这种铁镍钴合金专为陶瓷-金属密封而设计。它具有更接近高温钎焊应用中氧化铝陶瓷的膨胀特性。
六种铁镍合金具有一系列适用于玻璃密封应用的热膨胀特性。随着镍含量的变化，热膨胀率和居里温度等基本特性也会发生变化。
璃密封 “42” 合金 （ASTM F-30;Alloy No. 42） 最常用于集成电路引线框架和其他选定的玻璃-金属密封应用。
这种材料的改性材料称为玻璃密封“42”无气体合金，专为无气泡玻璃-金属密封而设计。这种合金的成分受到仔细控制，以防止在密封界面处形成二氧化碳或一氧化碳气泡。这一特性使该合金可用于接受电接触的漆包电阻器、工业灯和汽车前照灯套圈的端子。
Glass Sealing “42-6” 合金 （ASTM F-31） 的特殊热处理可形成紧密粘附的氧化物，有利于获得持久的气密密封。金属部件通常在玻璃密封之前通过热处理进行预氧化。这种合金已用于密封康宁 0120 玻璃。
玻璃密封 “46” 无气体合金 （ASTM F-30;Alloy No. 46） 已用于漆包电阻器的端子带和无需脱气的漆包包。玻璃密封 “51” 无气体合金 （ASTM F-30;51 号合金）的镍含量更高，通常用于干簧开关和密封馈通件。
六种铁镍合金中的最后一种，Glass Sealing “52” 合金 （ASTM F-30;Alloy No. 52）几乎专门用于半导体器件的引脚馈通。这种合金已被发现成功地密封到软玻璃上，如钾碱钠钙玻璃。软玻璃具有更高的膨胀系数 - 在每°C 7 至 11 x 10-6 （4 至 6 x 10-6/°F） 的范围内 - 比硬硼硅酸盐玻璃具有更高的膨胀系数 - 系数约为每 ºC 3 至 5 x 10-6（每°F 1.5 至 3.0 x 10-6），而硬硼硅酸盐玻璃的膨胀系数约为每°C6 至 27.256 x 18-256，使用可伐合金的密封效果更好。一些常见玻璃的膨胀曲线如图 27 所示。两种球墨铸铁铬合金 - Carpenter Technology lass 密封 “18” 合金 （ASTM F-<>;II 型）和 Carpenter Technology 玻璃密封“<>”合金（ASTM F-<>;I 型） - 用于大批量玻璃-金属密封应用，例如荧光灯管馈通，以及用作电视监视器内的螺柱销和其他支撑构件。
玻璃密封“<>”合金已广泛用于电子管和真空管以及荧光灯的密封。Carpenter Technology Glass Sealing “<>” 合金广泛用于电视监视器和荧光灯。这种合金的化学成分是平衡的，以防止通过高温玻璃密封循环发生相变。
铁铬玻璃密封合金不像铁镍低膨胀合金那样表现出“因瓦效应”;它们的膨胀率几乎是线性的。合金具有延展性。它们可以冲压，在大规模生产中深拉成零件，并在退火状态下使用。
这两种铁铬合金的机械硬度都比铁镍合金和铁镍钴牌号高，因此可能更容易加工。凭借其良好的延展性，它们可以很容易地成型和深冲，用于大批量零件生产。
这些受控膨胀合金的制造可以在规格范围内进行控制，以提供最适合特定制造操作的性能。影响制造特性的因素包括成分、机械性能、金属的内部质量、表面质量、形状和尺寸公差。例如，薄板或带材的深冲需要小晶粒尺寸、出色的延展性和非定向机械性能的组合。
高膨胀合金通常是铁基合金，通常含有镍和铬。有时，也会使用某些常见的不锈钢。有一种重要的高膨胀性有色合金。三种（图 7）高膨胀合金几乎完全用作恒温器双金属应用中的高膨胀成分。
高膨胀“22-3”合金 （ASTM B-753） - 含有 22% 的镍、3% 的铬和平衡铁 - 具有更高的热膨胀性能 - 等于或大于 19.8 x 10-6 每 °C （11 x 10-6 per °F） - 比 300 型不锈钢系列中的任何合金都要高。
作为配套等级，高膨胀“19-2”合金 （ASTM B-753） - 含有 19% 的镍、2% 的铬和平衡铁 - 具有与 高膨胀“22-3”合金相似的热膨胀系数。然而，19-2 合金可以制造成更高的抗拉强度，用于必须更坚固和/或更有弹性的双金属恒温器。
高膨胀“72”合金 （ASTM B-753） 是一种独特的有色金属合金，其热膨胀率明显高于黑色高膨胀合金。这种合金含有标称 72% 的锰、18% 的铜和 10% 的镍。它的热膨胀系数大于 27 x 10-6 每 ºC （15 x 10-6 每 °F）。当与非常低膨胀的合金结合时，由于热膨胀速率之间的差异更大，这种合金会促进更大的弯曲。
在双金属片恒温器中，两条具有不同膨胀系数的金属条并排或分层粘合在一起。带材可以通过施加压力和/或热处理以及焊接来连接。
在温度变化过程中，两种金属的不相等膨胀率导致带材弯曲成电弧。这种机械弯曲控制运动，就像电触点的接通和断开一样。
数十亿个零件用于任何温度控制的功能或过程，例如，防止电动机过热的恒温器、家庭和工业断路器的恒温器、家用电器中的安全装置、熔炉控制装置、流量控制装置等。这些器件既可以用作传感元件，也可以用作有源控制元件。
这些差动膨胀恒温器需要高膨胀和低膨胀合金的正确匹配。当制造商知道在预期温度范围内需要多少运动时，他可以通过考虑两种合金的膨胀率来设计适当的偏转程度。
双金属器件制造商通常会指定每种材料所需的厚度和横截面。最终组件通常由薄片材料组成，以便在与循环气体或液体接触时进行热响应弯曲。
铁镍铬高膨胀合金具有良好的可加工性。它们在热处理、焊接和粘合时与低膨胀铁镍合金兼容。
受控膨胀合金是通过优质的熔炼实践和专业加工制成的，以实现最佳性能。例如，在生产光刻质量的零件和由玻璃密封合金带深拉制的密封件时，晶粒尺寸的控制非常重要。
现代制造工艺的成功在很大程度上取决于这些合金的物理、机械和膨胀特性的精心控制。重要的是，制造商要意识到高质量合金与无故障生产之间的这种密切关系。
可控膨胀合金有多种标准形式可供选择 - 为深冲、冲压、压印或成型定制的带材;线材、棒材和坯料。此外，合金可以定制以控制化学性质、清洁度、热膨胀率和电阻率等性能。
