Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения α (ТКЛР) и модуля нормальной упругости β (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

ТКЛР сплава определяют с помощью дилатометра по относительному удлинению образца в заданном температурном диапазоне.

Согласно правилу Курнакова, в том случае, если компоненты образуют твердый раствор, то ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР этих чистых компонентов. Коэффициент линейного расширения α возрастает с повышением температуры (рис. 24.1). Однако сплавы Fe—Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рис. 24.2). Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от –100 до 100 °С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт Гийомом в 1897 году и назван инваром (лат. неизменный) из-за минимальных значений теплового расширения.

Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.

Рис. 24.1. Кривая расширения сплавов при повышении температуры

Рис. 24.2. Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe—Ni

Рис. 24.3. Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe—Ni

Для сплавов Fe—Ni инварного состава помимо низких значений ТКЛР характерна еще одна аномалия — аномалия термического коэффициента модуля упругости ТКМУ. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же сплав Fe—Ni с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рис. 24.3). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.

В ферромагнитных сплавах Fe—Ni инварного типа велик уровень объемной магнитострикции — изменения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьшение магнитострикционной составляющей объема. Выше температуры точки Кюри магнитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.

ТКЛР ферромагнетиков определяется формулой: α = α₀ – Δ, где α₀ — нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; Δ — составляющая ТКЛР, обусловленная магнитострикцией парапроцесса.

Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет вследствие уменьшения энергии связи атомов. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции в результате снижения намагниченности, как следствие усиления тепловых колебаний атомов. В итоге при нагреве до температуры точки Кюри объем инварных сплавов мало меняется. ТКЛР для некоторых сплавов может даже приобретать отрицательные значения, и их объем даже уменьшается.

Внешние растягивающие напряжения действуют на Fe—Ni-ферромагнетики инварного состава подобно магнитному полю и также способствуют проявлению объемной магнитострикции, обычно называемую в этом случае механострикцией. Высокий уровень механострикции в элинварных сплавах способствует аномальному изменению модуля упругости при нагреве. Влияние нагрева на модуль упругости элинварных сплавов может быть описано формулой Е_t = Е₀ (1 + βt), где Е₀ — модуль упругости обычных сплавов, β — температурный коэффициент модуля нормальной упругости. В элинварных сплавах этот коэффициент всегда имеет положительное значение.

Снижение модуля упругости при нагреве обычных сплавов компенсируется составляющей за счет механострикции, что в итоге способствует стабилизации модуля упругости в широком температурном диапазоне.

Для обеспечения стабильности температурного коэффициента линейного расширения и модуля упругости для каждого конкретного случая необходимо применение сплавов строго определенного химического состава. Такие сплавы обычно называют прецизионными сплавами (от фр. precision), т. е. отличающимися высокой точностью химического состава.