1996 年，金属界庆祝了被称为 Invar （UNS K93600） 的低膨胀合金被发现一百周年。这种非凡的合金对科学进步非常重要，以至于它于 1920 年因其发明者查尔斯-爱德华·纪尧姆 （Charles-Edouard Guillaume） 而获得诺贝尔奖，他是历史上第一位也是唯一一位因冶金成就而获得如此殊荣的科学家。
Invar 仍然表现出难以理解的“Invar 效应”，它培育出了一整套低膨胀镍铁合金，这些合金如今被广泛用于各种普通和高科技应用。商业用途在半导体、电视、信息技术、航空航天和低温运输等不同领域激增。
1896 年，受雇于国际计量局的纪尧姆正在寻找一种用于测地线带和电线的金属，这种金属在暴露于温度变化时长度不会改变。此外，他需要一种经济高效的材料，用于完美定义长度的参考杆，可以用作世界各地的二级标准。
他有许多镍铁合金熔化的热量，经常受到被污染的原料的影响。在此过程中，对 30% 至 60% 的镍含量进行实验，Guillaume 发现镍含量为 36% 时，室温下的膨胀系数最低。
事实上，由于 36% 的镍，该合金表现出任何已知合金中最小的热膨胀量。由于纪尧姆认为他的新合金的膨胀是“不变的”，因此它最终被称为因瓦合金。
纪尧姆发表了一张类似于图 1 的图表，直观地展示了“Invar-Effect”合金的独特热膨胀行为。这些镍铁合金的膨胀特性大致由铁磁性决定。
这些合金在居里温度（低于该温度时为铁磁性）时表现出非常低的膨胀率。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，36% 的镍和其他镍铁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现象。尽管这些理论提供了一些见解，但其机制尚未得到充分理解。
一旦发现了 36% 的镍及其配套的镍铁合金，很快就找到了可以利用其低热膨胀率的应用。测量卷尺和电线，以及老爷钟的钟摆成为重要的早期应用。在 1920 年代，镍铁合金被玻璃密封丝的铂取代，节省了大量成本。它们还用于收音机的灯泡和电子真空管。
用途在 1930 年代进一步扩大。镍铁合金被用作恒温器中的双金属之一，用于温度控制。一种镀铜的 42% 镍平衡铁合金被用于白炽灯的导入密封件。56% 的镍合金用于制造用于测试量具和机器零件的测量设备。
第二次世界大战大大增加了对“因瓦效应”镍铁合金的需求，尤其是军队的需求。在快速增长的电子行业中，对真空管和其他产品中使用的合金的需求急剧上升。
应用程序在繁荣的 1950 年代和 1960 年代继续传播。36% 的镍和其他镍铁合金用于断路器、电机控制、电视温度补偿弹簧、电器和加热器恒温器、航空航天和汽车控制、供暖和空调等双金属的低膨胀部件。
玻璃-金属和陶瓷-金属密封件的需求量很大。由于几种“Invar-Effect”镍铁合金具有与玻璃和陶瓷相似的热特性，因此它们是此类应用的自然选择。它们还用于半导体和微处理器的密封需求。这些包括引脚馈通、包装和盖子密封。
对恒温器金属的需求在 1980 年代和 1990 年代持续增长。36% 的镍合金已被发现对于用于在油轮上运输液化天然气的容器非常有用。该合金可最大限度地减少低温收缩。
36% 镍铁合金最近被用于高清 CRT（电视）管中的阴影遮罩。它已在日本和欧洲用于此应用，作为阴影蒙版的“圆顶效果”的解决方案。在美国，具有高膨胀合金的 36% 镍合金已用于偏转弹簧，将掩模重新定位到彩色荧光粉上。
较新的应用将镍铁合金用于精密激光和光学测量系统以及波导管的结构部件。这些合金已用于显微镜、望远镜中巨型镜子的支撑系统以及各种需要安装镜头的科学仪器中。
36% 的镍平衡铁合金已被航空航天工业用于复合模具。尤其是新一代飞机，模具需要 36% 的镍平衡铁合金，以保持严格的尺寸公差，同时先进复合材料在中等高温下固化。事实上，“Invar-Effect”合金系列正在帮助将现代科学提升到更高的水平，其应用在轨道卫星、激光器、环形激光陀螺仪和许多高科技应用中。
膨胀率的性质 如图 1 所示，“Invar-Effect” 合金的热膨胀曲线由低膨胀率部分和高膨胀率部分组成。低于居里温度时，这些合金具有磁性，并且它们的膨胀率异常低。在它之上，它们以正常的高速率膨胀。这个高速率延伸到合金的熔点。可以注意到，低膨胀和高膨胀分量之间存在过渡范围。这种转变显然与合金接近居里温度时铁磁性的劣化有关
在室温以下，这些合金的膨胀率较低。在接近液氮温度 （-196°C） 以下，它们的膨胀率下降到接近零。曲线的低膨胀部分是最重要的，因为它的斜率定义了膨胀系数，而它的长度描述了低膨胀率的有用温度范围。
拐点温度可以通过斜率截距法确定。它是从膨胀曲线的低膨胀率和高膨胀率曲线部分取的斜率相交的温度。测量居里温度很费力。然而，拐点温度可以简单地从膨胀曲线确定。
在早期研究中，纪尧姆了解了镍含量的变化如何影响镍铁合金的膨胀系数。他发现，当镍含量为 36% 时，膨胀率达到最小值（图 2），并且在这个值的两侧，膨胀系数急剧增加。
标称镍含量低于 36% 的合金很少用于受控膨胀应用，主要有两个原因：（a） 这些合金可以转变为马氏体，从而大大增加膨胀率，以及 （b） 它们具有较低的居里温度，这会降低它们的使用温度范围。因此，镍含量为 36% 或以上的合金通常被考虑用于受控膨胀应用。
Invar 系列中的所有合金都是镍铁或镍铁钴合金，并且都表现出面心立方晶体结构。随着镍含量从 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 565% 镍的 1050°C （50°F） 以上。
36% 镍合金的低膨胀系数及其现成的可用性使其成为需要低膨胀率的应用最常用的材料之一。但是，根据感兴趣的温度范围，它可能并不完全适合某些应用。虽然它表现出最低的热膨胀率，但它也具有最低的居里温度。这限制了它的有用温度范围。
对于环境温度周围需要最低膨胀率的应用，36% 的镍是显而易见的选择。它是镍铁合金应用最广泛的应用，例如必须将温度引起的尺寸变化降至最低的电子设备、精密光学测量设备中的结构构件以及双金属恒温器中的低膨胀侧。
然而，对于某些应用，Invar 系列中的其他合金可能更合适。在每种情况下，合金的选择都应考虑预期应用的温度范围，以及在该范围内所需的膨胀系数。“Invar-Effect” 合金的相对膨胀率如图 3 所示。
该系列中的两种合金（图 4）已发现适用于独特的低膨胀要求。 FCarpenter 技术易切削因瓦合金“36”®合金 （UNS K93050） 的膨胀性能略有提高，已被证明可以为需要高零件生产率的应用提供更好的机械加工性。这种合金已用于飞机控制和各种电子设备
第二种合金 - Carpenter Technology Super Invar “32-5” - 是一种铁镍钴合金，在室温或接近室温时，其热性能大约是 Carpenter Technology 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。
图 4 - Invar 合金系列的典型特性和化学成分。
其他四种镍铁合金中的任何一种都可能特别适合在更高的温度范围内使用。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 250°C （482°F）。它已被用作恒温器双金属片产品中的低膨胀元件。
Carpenter Technology 玻璃密封 42 合金，有时也称为 42 合金 （ASTM F-30），通常用于某些玻璃的气密密封。它还用于高可靠性陶瓷和塑料密封半导体封装。
Carpenter Technology 低膨胀“42”®恒温合金 （ASTM B-753） 在高达约 350°C （662°F） 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 450°C （842°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氧化铝陶瓷在一定温度范围内的热膨胀率。该合金系列中镍含量最高的 Carpenter Technology Glass Sealing “52” 合金 （ASTM F-30） 已用于某些“软”玻璃的玻璃密封。
整个“Invar-Effect”镍铁合金组的加工类似于 Carpenter Technology 316 奥氏体不锈钢，但不如 Carpenter Technology 36 奥氏体不锈钢。它们很容易加工，尽管它们很软并且确实会产生软糖片。因此，建议使用大型、锋利且刚性支撑的工具，速度较慢。在高生产率和良好的表面质量很重要的地方，Carpenter Technology 的易切削因瓦合金“<>”合金（自由加工合金变体）是一个很大的优势。
该系列中的所有合金都具有很强的延展性，因此很容易冷镦和成型。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。发生这种情况时，制造后投入使用的部件可能无法满足设计要求。为了防止此类事故，可能需要进行退火和应力消除热处理，以促进结构均匀性和尺寸稳定性。
经过严格的成型、弯曲和加工后，可以通过在 760°C （1400°F） 至 980°C （1800°F） 的温度下退火以彻底加热截面来消除这些操作引起的应力。然而，镍铁合金在这些高温下很容易氧化。
当无法在非氧化气氛（真空、干氢、游离氨、氩气等）中进行退火时，必须有足够的材料，以便在退火后通过轻磨、酸洗等进行清洁。对于退火后进行轻度精加工或磨削的截面，通过加热至 315°C （600°F） 至 425°C （800°F） 的时间足以均匀加热工件来完成应力消除。
Invar 是一种重要的合金，已经存在了一个多世纪。它自成一派，多年来的重要性日益增加，并为一系列新技术赋予了生命。
“Invar-Effect”合金组代表了当今特种金属领域中一个重要的、不断增长的数量。在居里温度下，这些合金表现出异常低的热膨胀率。低热膨胀率的最小值约为 36% 镍。增加镍含量会增加热膨胀率，也会提高居里温度。
总的来说，该系列镍铁合金适用于在较宽温度范围内需要不同膨胀率的许多应用。由于对其特殊性能的广泛和不断增长的需求，这些合金似乎有可能在地球上开始第二个世纪时为现代科学做出更大的贡献。
