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Würfel invar

invar ist ein Nickel-EisenLegierung mit einem extrem niedrigen Ausdehnungskoeffizient, bestehend aus ca. 36% Nickel, 64% Eisen und möglicherweise kleine Mengen anderer Elemente.

Invar wurde in 1896 entdeckt von der schweizerisch Physiker Charles-Edouard Guillaume, die teilweise dafür Nobelpreis erhielt 1920. Er gab den Namen Invar, abgeleitet von unveränderlich, auf der Legierung mit 35,6% Nickel, 0,1% Mangan, 0,4% Kohlenstoff und der Rest Eisen. Nach dem Glühen und Abkühlen an der Luft hat diese Legierung einen Ausdehnungskoeffizienten (α) von nur 1,2 10⁻⁶ k⁻¹ bei Raumtemperatur. Seitdem wird der Name Invar auch für andere Legierungen mit ähnlicher Zusammensetzung verwendet.

Zur Veranschaulichung ein Beispiel Schiene 20 Meter Länge dehnt sich bei einer Temperaturerhöhung von 20 °C um mehr als 5 Millimeter aus. Zu einer Spurspritzer Um dies zu verhindern, sind Fugen zwischen den Schienen notwendig. Wenn diese Schiene aus Invar wäre, wäre es nur ein halber Millimeter gewesen. Dafür ist Invar jedoch zu teuer.

Geschichte

Charles-Édouard Guillaume arbeitete an der Internationales Büro für Maß und Gewicht zu Sèvres in der Nähe Paris, das Institut, das Maßstäbe setztMeter gelang es. Das Internationale Büro lieferte Kopien dieses Messgeräts an viele nationale Kalibrierinstitute und wissenschaftliche Einrichtungen wie den Kalibrierdienst in Delft.

Die Normalspur, wo seit etwa 1869 die SI-Einheit bevor das Messgerät basierte, wurde von einem Henri Sainte-Claire-Deville entwickelt Platin-Iridium Legierung. Diese Legierung war so schwer, formstabil und chemikalienbeständig, dass es der Zeit standhält. Dieses Material war jedoch aufgrund seines hohen Preises ungeeignet, um eine große Anzahl von Kalibrierstandards für den täglichen Gebrauch herzustellen, und billigere Materialien lieferten einen unzuverlässigen Maßstab.

Das Internationale Komitee für Maß und Gewicht hat beschlossen, das Thema abgeleiteter Längennormale in das Forschungsprogramm des Internationalen Büros aufzunehmen. 1891 wurde Guillaume mit dieser Untersuchung betraut. Zunächst stellte er mit einigen einfachen Experimenten fest, dass Messing- und Bronze- waren keine geeigneten Kandidaten. Dann wandte er seine Forschungen Nickel und Nickel-Kupfer-Legierungen zu. Reines Nickel hatte einige ausgezeichnete Eigenschaften. Es war frei von Korrosion, formstabil, hatte einen hohen Steifheit und einen durchschnittlichen Ausdehnungskoeffizienten. Vermessungsanwendungen erforderten jedoch Messstäbe von vier Metern Länge und kein Hersteller war in der Lage, einen solchen Stab perfekt homogen und rissfrei herzustellen.

Unerwartete Phänomene

Im Jahr 1895 J. R. Benoît, damals Direktor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht, einer Nickel-Eisen-Legierung mit 22% Nickel und 3% Chrom. Dies führte zu einigen Überraschungen. Obwohl sowohl Eisen als auch Nickel magnetisch wurde festgestellt, dass die getestete Legierung nicht magnetisch war und ihr Ausdehnungskoeffizient viel höher war als der von reinem Nickel oder Eisen in seiner gängigsten Form. Die Untersuchung erfolgte auf Ersuchen der technischen Abteilung der Artillerie (Abschnitt Technik de l'artillerie) in Paris und die Legierung wurde vom Stahlwerk von Imphy (Acieries d'Imphy) Biene nie, dann Société de Commentry-Fourchambault genannt.

Einige Jahre zuvor John Hopkinson stellte fest, dass Nickel-Eisen-Legierungen eine bemerkenswerte Umwandlung erfahren können. Bei der Untersuchung einer Legierung mit 25 % Nickel stellte sich heraus, dass sie ziemlich weich und nicht magnetisch war. Wurde die Legierung jedoch z. B. in Trockeneis, es wurde hart und magnetisch. Das Volumen stieg sogar um 2 %. Damals war noch wenig darüber bekannt Kristallgitter von Metallen, so dass nicht bekannt war, dass es sich hierbei um einen Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen handelt.

Im Frühjahr 1896 wurde von demselben Imphy-Stahlwerk ein Stab aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit 30 % Nickel geliefert, der als Massennormal verwendet werden sollte. Guillaume maß den Ausdehnungskoeffizienten, der nur etwa ein Drittel des Platins betrug. Dies war ein sehr bemerkenswertes Ergebnis. Guillaume erklärte später, dass dies vor diesem Zeitpunkt kein Physiker für möglich gehalten hätte, da man glaubte, dass die physikalischen Eigenschaften von Legierungen irgendwo zwischen den Eigenschaften ihrer Bestandteile liegen würden – ein Prinzip, das als . bekannt ist Mischungsregel.

Guillaume erhielt von seinem Direktor J.R. Benoît, Erlaubnis, die Phänomene weiter zu untersuchen, aber die Agentur hatte keine Mittel für diese Untersuchung zur Verfügung. Guillaume beschloss daraufhin – es war im Mai 1896 – die Hilfe von Henri Fayol, dem Generaldirektor der Stahlwerke von Imphy, in Anspruch zu nehmen. Beide bereits untersuchten Legierungen, die mit 22 % und die mit 30 % Nickel, stammen von dort. Herr Fayol antwortete einfach: "Ihre Arbeit ist interessant. Was brauchen Sie, um Ihre Arbeit fortzusetzen? Sie können auf uns zählen." So begann eine Zusammenarbeit, bei der das Internationale Büro über 600 verschiedene Legierungen kostenlos erhielt.

Ausdehnungskoeffizient von Nickel-Eisen aufgetragen gegen die Zusammensetzung. Beachten Sie das Minimum hier um 36%.

Die Entdeckung von Invar

Im Herbst 1896 stellte Guillaume fest, dass der niedrigste Ausdehnungskoeffizient bei Raumtemperatur mit einer Legierung mit etwa 36 % Nickel erreicht wird und dass der Ausdehnungskoeffizient dieser Legierung ein Zehntel desjenigen von Eisen beträgt. Auf Anregung von Marc Thury wurde das Material Invar genannt. In der Folgestudie wurde der Einfluss einer Vielzahl von Additiven untersucht: Mangan, Kohlenstoff, Chrom und Kupfer.

Da keine industriell hergestellte Nickel-Eisen-Legierung völlig frei von Mangan und Kohlenstoff ist, hat Guillaume alle Messergebnisse auf eine Zusammensetzung mit 0,1 % Mangan und 0,4 % Kohlenstoff umgerechnet, die sogenannte Standardlegierungen.

Auch der Einfluss von thermischer und mechanischer Behandlung wurde untersucht. Legierungen, die geglüht und allmählich an der Luft abgekühlt im Naturzustand erwähnt. Diese Operationen führten zu einer leichten Erhöhung des Ausdehnungskoeffizienten. Eine schnelle Abkühlung führte zu einer Reduzierung der ohnehin geringen Wärmeausdehnung, während eine weitere Härtung durch Hämmern zu einer weiteren Reduzierung der Wärmeausdehnung führte.

Bereits 1896 war klar, dass es einen Zusammenhang zwischen der Wärmeausdehnung und der ferromagnetisches Verhalten. Als Guillaume verschiedene Nickel-Eisen-Legierungen verglich, stellte sich heraus, dass die Temperatur oder Zusammensetzung, bei der die Legierung gerade noch magnetisch war, dem Zustand entsprach, in dem sich der Ausdehnungskoeffizient (α) mit der Temperatur am schnellsten änderte.

Anfang 1897 beschrieb Guillaume seine Entdeckung in der Veröffentlichung Untersuchungen sur les aciers au nickel. Dilatationen aux temperature élevées; Widerstand elektrisch. (CR Acad. Sci. 125, 235 ± 238, 1897). Zu diesem Zeitpunkt hatte er siebzehn verschiedene Legierungen erforscht.

Für Guillaumes weitere Forschungen zu Nickel-Eisen-Legierungen siehe auch elinvar.

Am 10. Dezember 1920 erhielt Guillaume den Nobelpreis für Physik für seine Forschungen zu Nickel-Eisen-Legierungen.

Invar-Effekt

Die ungewöhnlich geringe Wärmeausdehnung von Invar, die auch bei einigen anderen Materialien auftritt, macht es Invar-Effekt erwähnt.

Invar hat a kubisch flächenzentriert (fcc) Kristallgitter, mit einer ungeordneten Substitution von Nickel. Das Invar kann zwei magnetische Zustände mit ungefähr gleichem Energieniveau annehmen, einen ferromagnetischen, den anderen antiferromagnetisch. Der ferromagnetische Zustand hat ein etwas größeres Volumen als der antiferromagnetische Zustand.

Bei höheren Temperaturen ist der antiferromagnetische Zustand energetisch etwas günstiger. Dadurch verschwindet das zusätzliche Volumen mit steigender Temperatur. Dadurch wird die normale Wärmeausdehnung teilweise kompensiert, so dass das tatsächliche Volumen mehr oder weniger konstant bleibt. Über Curie-Temperatur der Ferromagnetismus ist verschwunden und das Material verhält sich wieder normal. Die Curie-Temperatur von Invar beträgt 280 °C.

Anwendungen

Wärmeausdehnung von Invar in einem Graphen.

Invar kann aus mehreren Gründen verwendet werden:

• um die Abmessungen einer Struktur, beispielsweise in Messgeräten, genau erfassen zu können;
• um eine maximale Ausdehnungsdifferenz zu erhalten, in a bimetallisch;
• um sicherzustellen, dass sich ein Metallstück gut mit einem anderen Material verbinden kann; in diesem Fall darf der Ausdehnungskoeffizient nicht Null sein, sondern muss genau auf den des anderen Materials abgestimmt sein, mit dem er verbunden ist. Das andere Material ist beispielsweise Glas, Keramik oder Komposit;
• extremen Temperaturunterschieden standzuhalten, ohne thermischen Belastungen zu unterliegen.
• in Flüssiggastankern als Innenwand des Tanks, um den sehr niedrigen Temperaturen standzuhalten.

Längenmessung

Der Meter

Bei fast jeder physikalischen Untersuchung spielt die Längenmessung direkt oder indirekt eine Rolle. Das Abmessungen Länge ist ein Teil von Größen als die Geschwindigkeit, Druck, Leistung und Energie. Für eine genaue Längenmessung ist eine gute Temperaturkontrolle wichtig, da die Wärmeausdehnung die Genauigkeit der Messausrüstung einschränkt. Praktisch zu Guillaumes Zeit bedeutete dies, dass eine zuverlässige Längenmessung außerhalb der kontrollierten Umgebung eines Labors kaum möglich war. Auch die Wärmeabgabe des Forschers selbst könnte eine Messung stören.

Ein Invar-Maßstab bietet eine gute Lösung für diese Probleme. Das Vorhandensein einer kleinen Menge Mangan oder Kohlenstoff verhindert Lochfraßkorrosion. Die Oberfläche ist gut zu Polieren und te gravieren, die zum Anbringen der Abstandsmarkierungen benötigt wird. Es hält längerem Eintauchen und einer feuchten Atmosphäre stand. Ein eventueller leichter Angriff auf die Oberfläche kann leicht wegpoliert werden. Das Material ist jedoch nicht beständig gegen a Acid Umgebung.

Vermessungsinstrumente

Invar-Mitarbeiter.

Das Vermessung oder Geodäsie verwendet die Triangulation. Dafür hat man a Messleitung zwischen zwei Punkten mit einem bekannten gegenseitigen Abstand benötigt, zum Beispiel 10 Kilometer. Wenn man von beiden Punkten aus einen dritten Punkt beobachten kann und die Ecke zwischen der Messlinie und der Linie zum dritten Punkt messen, kann man die Position des dritten Punktes relativ zu den beiden ersten Punkten berechnen. Der Vorgang beginnt daher mit der Messung der Messleitung.

In der traditionellen Methode wurden dazu starre Vermessungsstäbe von vier Metern Länge verwendet. Diese Methode war genau, aber sehr umständlich. Mit einem Team von etwa 60 Leuten könnten sie, wenn alles gut lief, täglich etwa 400 Meter messen.

der Vermesser Edvard Jaderin hatte eine neue Methode entwickelt, bei der er mit einem gespannten Metalldraht die Messleitung vermisste. Der Metalldraht war standardmäßig 24 Meter lang, aber wenn es notwendig war, einen Fluss oder eine Schlucht oder ähnliches zu überspannen, konnten längere Drähte verwendet werden. Ein gut ausgebildetes Team von 12 bis 15 Personen könnte mit dieser Methode bis zu 5 Kilometer pro Tag zurücklegen. Die etwas geringere Genauigkeit konnte durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Messlinien und Mittelung der Differenzen ausgeglichen werden. Um die Wärmeausdehnung korrigieren zu können, wurde eine Kombination aus zwei Messdrähten, einer aus Stahl und einer aus Messing, verwendet. Der Längenunterschied war ein Maß für die durchschnittliche Temperatur.

Guillaume hatte die Imphy-Stahlwerke bereits gebeten, einen Invar-Draht herzustellen, als er von Jäderin eine Anfrage nach einem Draht für die Russisch-Schwedisch Vermessungsexpedition nach Spitzbergen die von 1899-1902 stattfinden sollte. Das Hinzufügen von Chrom gab der Legierung eine ausreichende Festigkeit, um einer gewissen Zugspannung standzuhalten. Das Glühen verlieh der Legierung eine ausreichende Formbarkeit, um einen Draht ziehen zu können. Das Ziehen am Draht sorgte für das richtige Maß an mechanischer Härten damit sie einer großen elastischen Verformung standhalten können. Am 13. September 1899 schrieb Jäderin aus dem Treurenbergbucht in Spitzbergen, dass sie eine Messlinie von 10 024 Metern gemessen und bei Wiederholung der Messung in umgekehrter Richtung nur 19 Millimeter Unterschied festgestellt haben.

Ein in einem Metrologielabor aufbereiteter und kalibrierter Messdraht konnte problemlos aufgerollt und in den Bereich transportiert werden, in dem eine Messlinie festgelegt werden musste.

1912 wurde ein interessantes Experiment durchgeführt, bei dem die Wärmeausdehnung des of Eiffelturm wurde gemessen. Ein Ende eines Drahtes aus Invar wurde an einem Pfahl im Boden befestigt und das andere Ende an einem Hebel in einem Gerät im zweiten Stock des Eiffelturms. Dieser Hebel markierte mit einem Stift die Position des Hebels auf einer Papierrolle. Bei einem Temperaturanstieg von 5 Grad bewegte sich der gesamte Boden einen Zentimeter nach oben. Auf diese Weise fungierte der Eiffelturm als eine Art riesiges Thermometer.

Zwischen 1922 und 1924 wurde die UNS. Küsten- und geodätische Vermessung ein Invar-Maßband zum Messen der Linie zwischen den Mount-Wilson-Observatorium und die 22 Meilen weiter weg gelegen Aussichtsberg messen. Michelson benutzte diese Linie als Messlinie zur Bestimmung des Lichtgeschwindigkeit.

Zeitmessung

Uhr mit a Pendel von invar.

Pendeluhr

EIN Pendeluhr verwendet a Pendel um eine genaue Zeitmessung zu erhalten. Das Zeitspanne eines Pendels hängt nur von der Länge und dem Erdbeschleunigung.

Mit steigender Temperatur dehnt sich das Pendel aus, wodurch die Uhr langsamer läuft. Diese Verzögerung beträgt 0,5 Sekunden pro Tag pro Grad Celsius Temperaturerhöhung. Es gab Methoden, die Temperaturempfindlichkeit zu kompensieren. Bei der Kompensationsmethode von Graham wurde das Pendel beispielsweise mit einem Lauf mit Merkur, die bei der Expansion aufstieg, so dass die Schwerpunkt Innerhalb weniger Jahre nach der Entdeckung von Invar wurde dieses Material auch für die Pendel von Pendeluhren verwendet, wodurch der Kompensationsmechanismus überflüssig wurde.

FA. Vening Meinesz benutzte drei Invar-Pendel in seinem Instrument, um die Stärke des zu messen Schwere messen.

Uhren mit Spiralfeder

Für Uhren und Uhren mit a Unruhe (ein drehendes Schwungrad) die Periode hängt von der Trägheitsmoment der Unruhen und die Elastizitätsmodul der Schraubenfeder. Eine Uhr mit Stahlspirale und Messingunruhe läuft mit jedem Grad Temperaturanstieg elf Sekunden am Tag langsamer. Dafür wurden auch Kompensationsmechanismen erfunden. Durch die Herstellung der Schraubenfeder aus einer Nickel-Stahl-Legierung mit den richtigen Eigenschaften konnte eine Uhr so ​​eingestellt werden, dass sie bei 0 °C und 30 °C und bei 15 °C höchstens 25 Sekunden am Tag gleich schnell lief Schneller. Das war zwölf- bis fünfzehnmal besser als das, was mit einer Stahlschraubenfeder erreichbar war. Als Guillaume der Nobelpreis verliehen wurde, wurden jedes Jahr drei Millionen Uhren mit einer solchen Feder ausgestattet. Weitere Verbesserungen wurden durch die Entwicklung von elinvar erreicht.

Sonnenuhren

Für die Erster Weltkrieg haben die eisenbahnen in frankreich groß Sonnenuhren von invar, um den Zugverkehr zu steuern. Diese hatten natürlich den Nachteil, dass sie bei klarem Wetter nur tagsüber genutzt werden konnten, aber der große Vorteil war, dass sie Jahr für Jahr gleich blieben. Sie bildeten daher eine gute Kontrolle für mechanische Zeitmesser. Die Anwendung von Invar verhinderte, dass hohe oder niedrige Temperaturen eine Drift verursachen.

Bimetalle

sehen bimetallisch für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Lange vor der Erfindung von Invar wurden Bimetalle in verschiedenen Instrumenten verwendet. Bimetalle wurden beispielsweise verwendet, um Chronometer bei Temperaturschwankungen auszugleichen. Das gleiche Prinzip wurde Ende des 20. Jahrhunderts für Temperaturkompensationssteuerungen in Fernsehgeräten verwendet.

Ein Bimetall entsteht durch das Zusammenfügen zweier Streifen aus zwei unterschiedlichen Metallen, wobei diese Metalle einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Je größer die Differenz, desto effektiver ist das Bimetall. Dabei lag es nahe, Invar zu verwenden, denn kein Metall hat einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten.

Bimetalle aus dem gefunden zwanziger Jahre auch eine tolle anwendung in Thermostate vor dem Lebenslauf-Installationen, Wasserkocher, Bügeleisen, Toaster, und so weiter.

Bimetalle werden auch als Sicherheitsschalter für Gasgeräte verwendet. Wenn die Flamme erlischt, sinkt die Temperatur und das Bimetall schaltet die Gaszufuhr ab.

Präzisionsinstrumente

Bei allen Arten von Instrumenten ist es wichtig, dass die Abmessungen auch bei schwankenden Temperaturen exakt gleich bleiben. Invar wird beispielsweise in Konstruktionsteilen von . verwendet Laser, optisch Interferometer und Teleskope.

Werkzeugmaschinen

Modern digital gesteuert Werkzeugmaschinen haben eine Genauigkeit von Mikrometer. Heutzutage ist ein Koordinatenmesssystem (Koordinatenmessgerät) dient zur Bestimmung der Werkstückabmessungen und der genauen Position, an der eine Bearbeitung erfolgen muss. Alle möglichen Wärmequellen können dazu führen, dass sich das Gerät ausdehnt und Abweichungen verursacht. Manchmal wird die Temperatur gemessen und die zugehörige Wärmeausdehnung berechnet. Der neueste Trend ist, den Rahmen eines Koordinatenmesssystems in Invar auszugeben, damit Temperaturschwankungen keinen Einfluss mehr haben.

Einige Koordinatenmesssysteme sind teilweise in Aluminium (Ausdehnungskoeffizient: 23 10⁻⁶ k⁻¹) und sind zudem in alle Bewegungsrichtungen mit Invarstäben ausgestattet, Sensoren messen die Längenänderung des Aluminiums relativ zum Invar mikrometergenau.

Schattenmasken

Farbfernseher haben für jede der drei Grundfarben eine Elektronenkanone. Eine Lochmaske mit Tausenden winziger Löcher sorgt dafür, dass jeder der Elektronenstrahlen an den richtigen Stellen landet, nämlich an den Pixeln, die in der gewünschten Farbe aufleuchten. Wenn sich die Schattenmaske ausdehnt, trifft ein Teil des Elektronenstrahls auf Pixel der falschen Farbe, wodurch eine Farbe in eine andere übergeht (Doming-Effekt). Das Ausführen der Schattenmaske in invar verhindert dies.

Wellenleiter

Wellenleiter und Filter vor dem Mikrowellen werden in Sende- und Empfangsanlagen für Satellitenkommunikation, Fernsehrundfunk und Mobilfunknetze eingesetzt.

Ein Mikrowellenfilter besteht aus einem Metallkasten oder -rohr mit mehreren Hohlräumen. Die Abmessungen dieser Hohlräume entsprechen den Wellenlänge des zu empfangenden Signals. Wenn sich der Filter ausdehnt, ändert sich die Wellenlänge und damit die Frequenz des Signals, auf das es abgestimmt ist. Um zu verhindern, dass Temperaturänderungen die Empfangsfrequenz beeinflussen, wird der Filter oft in invar implementiert.

Haftung von Metall auf anderen Materialien

Werden zwei Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aneinander befestigt, können sich die Materialien bei zu starker Temperaturänderung verbiegen oder reißen. Bei einem Bimetall ist diese Biegung wünschenswert, aber in der Regel ist die Wirkung schädlich. Die größten Probleme treten auf, wenn man versucht, ein Metall mit Glas, Keramik oder Verbundwerkstoffen zu verbinden, da diese tendenziell eine geringere Expansionsrate aufweisen als die meisten Metalle.

Vor der Entdeckung von Invar standen einige Metalle mit relativ niedrigem Ausdehnungskoeffizienten zur Auswahl, wie z. B. Iridium (6,5 10⁻⁶ k⁻¹), Tantal oder Wolfram (4,5 10⁻⁶ k⁻¹). Diese Metalle sind jedoch sehr teuer. Seit der Entdeckung von Invar konnte man eine Nickel-Eisen-Legierung mit genau dem gewünschten Ausdehnungsgrad zusammensetzen.

Glühbirnen und Elektronik

In der Entwicklung von Glühbirne hatte das Problem, elektrische Kontakte durch das Glas zu führen, ohne dass ein Leck auftritt. Immerhin wurden die Glühbirnen gesaugt. Ursprünglich wurde dafür das kostbare Platin verwendet. Es wurde gefunden, dass eine Nickel-Eisen-Legierung mit 45% Nickel den gewünschten Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Diese Legierung wird auch genannt Platin erwähnt.

Mit Kupfer beschichtete Drähte aus dieser neuen Legierung haben den Einsatz von Platin in der Glühlampenindustrie vollständig verdrängt. Die Gesamteinsparungen beliefen sich auf bis zu 20 Millionen Franken pro Jahr (Angaben von 1920).^[Quelle?] Dieses Material wurde natürlich auch für die wachsende Produktion von Radioröhren.

In der Optik wurde diese Legierung zur Aufnahme von Linsen in Mikroskopen und Teleskopen verwendet, um eine optimale, konstante Fixierung zu erhalten.

In der Elektronik, ICs und andere Komponenten haben oft ein Keramikgehäuse. Invar wird auch häufig verwendet, um die Kontakte zuverlässig durch den Mantel zu führen.

Formen für Verbundwerkstoffe

Modern Verbundwerkstoffe bestehen aus Kunstharz, das in eine Form oder Form gegossen oder eingespritzt und dann bei ca. 177°C ausgehärtet wird. Beim Abkühlen der Form muss die Form ebenso stark schrumpfen wie der Verbundwerkstoff, um ein Verbiegen oder Reißen des Werkstücks zu verhindern. Invar hat dafür den passenden Ausdehnungskoeffizienten. Verbundwerkstoffe sind im Flugzeugbau weit verbreitet, um Gewicht zu sparen. Das Airbus A380 das beispielsweise 150 Tonnen wiegt, enthält 40 Tonnen Verbundmaterial.

Einige hier verwendete Formen wiegen mehr als 12 Tonnen. Nur für die Flügelkasten, dem Teil des Rumpfes, an dem die Tragflächen befestigt sind, werden sieben dieser Formen benötigt.

Kryogene Anwendungen

Für den Transport von Erdgas in Tankschiffen wird das Gas durch Abkühlung auf −163 °C verflüssigt. Beim Beladen eines Erdgastankschiffs unterliegen die Tanks einer großen Temperaturänderung, die große thermische Spannungen verursachen kann. Ältere Typen von Erdgastankern hatten daher kugelförmige Tanks mit 5 bis 8 Zentimeter dicken Wänden.

In den 1960er Jahren entwickelt Gastransport Technigaz (GTT) ein Erdgastanker, dessen Wände aus zwei Invarschichten von 0,7 mm Dicke bestanden, die durch eine dicke Schicht von Sperrholz Kisten gefüllt mit perlit Isolierung. Zwischen der äußeren Invarschicht und dem Schiffsrumpf befand sich wieder eine Perlitschicht. Für diese Anwendung wurde ein spezieller Invar-Typ verwendet. Die dünnen Invar-Schichten halten extremen Temperaturwechseln stand, da sie kaum schrumpfen oder sich ausdehnen.

In einer späteren Variante dieses Prinzips "Kombiniertes System 1" (CS1) wurde eine der Invarschichten durch eine Membran aus einem Aluminium-Glasfaser-Verbundstoff ersetzt, der sich zusammensetzt Sperrholz wird genannt. Statt Perlit Polyurethanschaum benutzt.

Rohre für Flüssigerdgas werden ebenfalls aus Invar hergestellt, wodurch weniger Expansionsschleifen erforderlich.

Zusammensetzung und Eigenschaften

Streng genommen bezieht sich der Begriff "Invar" nur auf die Legierung mit 36% Nickel, die den niedrigsten Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Legierungen mit Nickelgehalten bis zu 50 % werden jedoch auch als Invar bezeichnet.

Curie-Temperatur

Wie bereits erwähnt, tritt der Invar-Effekt nur bei Temperaturen unter dem Curie-Temperatur. Die Curie-Temperatur von Invar (36%) beträgt 280 °C. Die Nickel-Eisen-Legierung mit 50 % Nickel hat eine Curie-Temperatur von 565°C. Bei Temperaturen zwischen 280 und 565°C wird der niedrigste Ausdehnungskoeffizient mit Nickel-Eisen-Legierungen zwischen 36 und 50 % erreicht. Oberhalb von 600 °C findet sich in Nickel-Eisen-Legierungen kein praktisch anwendbarer Invar-Effekt.

Ergänzungen

Mangan, Kohlenstoff, Chrom und Kupfer als mögliche Zusatzstoffe. Ebenfalls Magnesium und Silizium und Kobalt können hinzugefügt werden, um die mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen. Beispielsweise führt die Zugabe von Kohlenstoff und Mangan zu stärkeren Legierungen und die Zugabe von Chrom kann Lochfraß verhindern.

Stabilität

Wird Invar in einem Arbeitsgang von der Schmiedetemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt, dehnt es sich in den ersten Monaten etwas aus (einige Millionstel seiner ursprünglichen Länge). Dieses Laichen beginnt ziemlich schnell und verlangsamt sich dann, aber es kann jahrelang andauern. Wird das Material dann einige Zeit erhitzt, schrumpft es wieder. Die Differenz der bei 0 °C erreichten Endlänge kann bis zu 30 10 . betragen⁻⁶ abweichend von der Endlänge bei 100 °C. Dieses Phänomen wird „Kriechen“ genannt und kann auch durch Wärmebehandlungen weiter reduziert werden.

Enthält die Legierung weniger Kohlenstoff, tritt der Effekt in geringerem Maße auf. Die Wirkung kann auf die Bildung von Zementit (Fe₃C).

Dieser Artikel wurde am 20. April 2005 veröffentlicht diese Version in der Vitrine enthalten.