Invar

Invar is een nikkel-ijzerlegering met een extreem lage uitzettingscoëfficiënt, bestaande uit ongeveer 36% nikkel, 64% ijzer en eventueel kleine hoeveelheden van andere elementen.

Blokjes invar

Uitzettingscoëfficiënt van nikkel-ijzer uitgezet tegen de samenstelling. Merk hier het minimum op rond de 36%.

Invar werd in 1896 ontdekt door de Zwitserse natuurkundige Charles-Édouard Guillaume, die mede hiervoor een Nobelprijs ontving in 1920. Hij gaf de naam invar, afgeleid van invariable, aan de legering met 35,6% nikkel, 0,1% mangaan, 0,4% koolstof en voor de rest ijzer. Na uitgloeien en koelen in lucht heeft deze legering een uitzettingscoëfficiënt (α) van slechts 1,2 · 10⁻⁶ K⁻¹ bij kamertemperatuur. Sindsdien wordt de naam invar ook wel gebruikt voor andere legeringen met een vergelijkbare samenstelling.

Ter illustratie, een stalen spoorstaaf van 20 meter lengte zet bij een temperatuurstijging van 20 °C ruim 5 millimeter uit. Om een spoorspatting te voorkomen zijn daarom voegen tussen de rails noodzakelijk. Zou deze rail van invar zijn, dan zou de uitzetting maar een halve millimeter zijn. Invar is hier evenwel te duur voor.

Geschiedenis

Het Internationaal Bureau voor maten en gewichten in 1900

Charles-Édouard Guillaume omstreeks 1920

Charles-Édouard Guillaume werkte bij het Internationaal bureau voor maten en gewichten te Sèvres vlak bij Parijs, het instituut dat de standaardmeter beheerde. Het Internationaal bureau leverde kopieën van die meter aan vele nationale ijkinstituten en wetenschappelijke instellingen, zoals het IJkwezen in Delft.

De standaardmeter, waar sinds omstreeks 1869 de SI-eenheid voor de meter op gebaseerd was, was gemaakt van een door Henri Sainte-Claire-Deville ontwikkelde platina-iridium legering. Die legering was zo hard, vormvast en bestand tegen chemicaliën, dat hij de eeuwen zou kunnen doorstaan. Vanwege de hoge prijs was dit materiaal echter ongeschikt voor het maken van grote aantallen ijkstandaarden voor dagelijks gebruik, terwijl goedkopere materialen een onbetrouwbare maatstaf opleverden.

Het Internationaal Comité voor Maten en Gewichten besloot de kwestie van de afgeleide lengtestandaarden op te nemen in het onderzoeksprogramma van het Internationaal bureau. In 1891 werd Guillaume met dit onderzoek belast. Om te beginnen stelde hij met enkele simpele experimenten vast, dat messing en brons geen geschikte kandidaten waren. Vervolgens richtte hij zijn onderzoek op nikkel en nikkel-koperlegeringen. Zuiver nikkel had enkele uitstekende eigenschappen. Het was vrij van corrosie, vormvast, had een hoge stijfheid en een gemiddelde uitzettingscoëfficiënt. Voor landmeetkundige toepassingen had men echter meetstaven van vier meter lengte nodig en geen enkele fabrikant was in staat een dergelijke staaf te maken die perfect homogeen en vrij van scheurtjes was.

Onverwachte verschijnselen

De staalfabrieken van Imphy

In 1895 onderzocht J.R. Benoît, de toenmalige directeur van het Internationaal bureau voor Maten en Gewichten, een nikkel-ijzerlegering met 22% nikkel en 3% chroom. Dit leverde enkele verrassingen op. Hoewel zowel ijzer als nikkel magnetische materialen zijn, bleek de onderzochte legering niet-magnetisch te zijn en de uitzettingscoëfficiënt was veel hoger dan die van zuiver nikkel of ijzer in de meest gangbare vorm. Het onderzoek was verricht op verzoek van de technische afdeling van de artillerie (Section technique de l’artillerie) te Parijs en de legering was geleverd door de staalfabrieken van Imphy (Aciéries d'Imphy) bij Nevers, toentertijd Société de Commentry-Fourchambault geheten.

Enige jaren eerder had John Hopkinson opgemerkt, dat nikkel-ijzerlegeringen een opmerkelijke transformatie kunnen ondergaan. Bij het onderzoeken van een legering met 25% nikkel, bleek deze vrij zacht en niet-magnetisch te zijn. Als de legering echter werd gekoeld in, bijvoorbeeld, droogijs, werd het hard en magnetisch. Het volume nam daarbij wel 2% toe. Er was in die tijd nog weinig bekend van kristalroosters van metalen, zodat men niet wist dat het hier om een overgang tussen twee verschillende kristalstructuren ging.

In het voorjaar van 1896 werd er door dezelfde staalfabrieken van Imphy een staaf van een nikkel-ijzerlegering met 30% nikkel afgeleverd, bestemd om er een massastandaard van te maken. Guillaume mat de uitzettingscoëfficiënt, die slechts ongeveer een derde van die van platina bleek te zijn. Dit was een zeer opmerkelijk resultaat. Guillaume verklaarde later, dat vóór die tijd geen enkele natuurkundige dit voor mogelijk zou hebben gehouden, omdat men ervan uitging, dat de fysische eigenschappen van legeringen ergens tussen de eigenschappen van de samenstellende stoffen zouden liggen - een principe, dat bekendstond als de mengselregel.

Guillaume kreeg van zijn directeur, J.R. Benoît, toestemming om de verschijnselen verder te onderzoeken, maar het bureau had voor dat onderzoek geen fondsen beschikbaar. Guillaume besloot daarop - het was toen mei 1896 - de hulp in te roepen van Henri Fayol, de algemeen directeur van de staalfabrieken te Imphy. Beide reeds onderzochte legeringen, die van 22% en die van 30% nikkel, kwamen daar namelijk vandaan. De heer Fayol antwoordde hem eenvoudigweg: "Uw werk is interessant. Wat heeft u nodig om uw werk voort te zetten? U kunt op ons rekenen". Zo begon een samenwerking waarbij het Internationaal bureau kosteloos meer dan 600 verschillende legeringen ontving.

Ontdekking

Marc Thury in 1900

In de herfst van 1896 stelde Guillaume vast dat de laagste uitzettingscoëfficiënt bij kamertemperatuur bereikt werd met een legering die ongeveer 36% nikkel bevatte en dat de uitzettingscoëfficiënt van die legering een tiende van die van ijzer was. Op voorstel van Marc Thury werd het materiaal invar genoemd. In het vervolgonderzoek werd de invloed van een groot aantal additieven onderzocht: mangaan, koolstof, chroom en koper.

Daar geen enkele industrieel geproduceerde nikkel-ijzerlegering geheel vrij van mangaan en koolstof is, rekende Guillaume alle meetresultaten om naar een samenstelling met 0,1% mangaan en 0,4% koolstof, de zogenaamde standaard legeringen.

Ook de invloed van thermische en mechanische behandeling werd onderzocht. Als legeringen na uitgloeiing geleidelijk in lucht afgekoeld waren, werden ze geacht in de natuurlijke toestand te verkeren. Deze werkwijze leidde tot een lichte verhoging van de uitzettingscoëfficiënt, terwijl een snelle afkoeling juist leidde tot vermindering van de - toch al lage - thermische uitzetting. Een nog verdere verdere vermindering van de thermische uitzetting was te bereiken met harding door middel van hameren.

Het was in 1896 al duidelijk dat er een verband bestond tussen de thermische uitzetting en het ferromagnetisch gedrag. Als Guillaume verschillende nikkel-ijzerlegeringen met elkaar vergeleek, bleek de temperatuur of de samenstelling waarbij de legering nog net magnetisch was te maken, overeen te komen met de toestand waarbij de uitzettingscoëfficiënt (α) het snelst veranderde met de temperatuur.

Begin 1897 beschreef Guillaume zijn ontdekking in de publicatie Recherches sur les aciers au nickel. Dilatations aux temperatures élevées; résistance electrique. (CR Acad. Sci. 125, 235±238, 1897).^[1] Op dat moment had hij zeventien verschillende legeringen onderzocht.

Zie voor Guillaumes verdere onderzoek aan nikkel-ijzerlegeringen ook elinvar.

Op 10 december 1920 ontving Guillaume voor zijn onderzoek aan nikkel-ijzerlegeringen de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Samenstelling en eigenschappen

Soortelijke weerstand	75-85 µOhm·cm
Elasticiteitsmodulus	140-150 GPa
Hardheid (Brinell)	160
Rek bij breuk	< 45%
Treksterkte	450-590 MPa
Massadichtheid	8 g/cm³
Lineaire uitzettingscoëfficiënt (20-90 °C)	1,2-2,0 × 10−6 K−1
Thermische geleidbaarheid (bij 23 °C)	13 Wm−1K−1

Strikt genomen heeft de term 'invar' alleen betrekking op de legering met 36% nikkel, die de laagste uitzettingscoëfficiënt heeft. Legeringen met nikkelgehaltes tot 50% worden echter ook wel invar genoemd.

Curietemperatuur

Zoals reeds eerder opgemerkt, treedt het invareffect alleen op bij temperaturen beneden de curietemperatuur. De curietemperatuur van invar (36%) is 280 °C. De nikkel-ijzerlegering met 50% nikkel heeft een curietemperatuur van 565 °C. Voor temperaturen tussen de 280 en 565 °C wordt de laagste uitzettingscoëfficiënt bereikt met nikkel-ijzerlegeringen tussen de 36 en de 50%. Boven de 600 °C wordt er geen praktisch toepasbaar invareffect bij nikkel-ijzerlegeringen gevonden.

Toevoegingen

Hiervoor zijn reeds mangaan, koolstof, chroom en koper als mogelijke additieven genoemd. Ook magnesium, silicium en kobalt kunnen worden toegevoegd om de mechanische eigenschappen te beïnvloeden. Zo geeft de toevoeging van koolstof en mangaan sterkere legeringen en kan de toevoeging van chroom putcorrosie voorkomen.

Stabiliteit

Als invar in een keer vanaf de smeedtemperatuur wordt afgekoeld tot kamertemperatuur, zal het in de eerste maanden wat gaan uitzetten (enkele miljoensten van de oorspronkelijke lengte). Dit uitzetten begint vrij snel en gaat dan steeds langzamer, maar het kan jaren doorgaan. Als het materiaal dan enige tijd wordt verwarmd, krimpt het weer. Het verschil in de uiteindelijke lengte die bereikt wordt bij 0 °C kan wel 30 10⁻⁶ verschillend van de uiteindelijke lengte bij 100 °C. Dit fenomeen heet 'kruip' en is ook met warmtebehandelingen verder te reduceren.

Als de legering minder koolstof bevat, treedt het effect in mindere mate op. Mogelijk is het effect een gevolg van de vorming van cementiet (Fe₃C).^[bron?]

Invareffect

De ongewoon lage thermische uitzetting van invar, die ook bij sommige andere materialen voorkomt, wordt het invareffect genoemd.

Invar heeft een kubisch vlakgecentreerd (fcc) kristalrooster, met een ongeordende substitutie van nikkel. Het invar kan twee magnetische toestanden met ongeveer gelijk energieniveau aannemen, de ene ferromagnetisch, de andere antiferromagnetisch. De ferromagnetische toestand heeft een iets groter volume dan de antiferromagnetische toestand.

Bij hogere temperaturen is de antiferromagnetische toestand energetisch iets gunstiger. Daardoor zal het extra volume verdwijnen, naarmate de temperatuur stijgt. Hierdoor wordt de normale thermische uitzetting deels gecompenseerd, zodat het werkelijke volume min of meer constant blijft. Boven de curietemperatuur is het ferromagnetisme verdwenen en gedraagt het materiaal zich weer normaal. De curietemperatuur van invar is 280 °C.