Thép Invar: Giải thích về tính chất và ứng dụng chính

Thép Invar, còn được gọi là hợp kim Fe-Ni, là một loại thép chuyên dụng chủ yếu bao gồm sắt và niken, thường chứa khoảng 36% niken. Thành phần độc đáo này phân loại Invar là hợp kim có độ giãn nở thấp, khiến nó đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng mà độ ổn định kích thước là yếu tố quan trọng. Nguyên tố hợp kim chính, niken, ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính giãn nở nhiệt của vật liệu, dẫn đến hệ số giãn nở nhiệt gần bằng không trong một phạm vi nhiệt độ cụ thể.

Tổng quan toàn diện

Các đặc điểm quan trọng nhất của Invar bao gồm độ ổn định kích thước đặc biệt, hệ số giãn nở nhiệt thấp và các tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ phòng. Những đặc điểm này làm cho nó trở nên lý tưởng cho các dụng cụ chính xác, ứng dụng hàng không vũ trụ và các thành phần đòi hỏi độ chính xác kích thước cao.

Ưu điểm của thép Invar:
- Độ giãn nở nhiệt thấp: Ưu điểm chính của Invar là độ giãn nở nhiệt tối thiểu, phù hợp với các ứng dụng mà sự thay đổi nhiệt độ có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể về kích thước.
- Khả năng gia công tốt: Invar có thể gia công với dung sai chặt chẽ, điều này rất cần thiết trong kỹ thuật chính xác.
- Độ bền cao: Duy trì độ bền và độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ phòng.

Hạn chế của thép Invar:
- Chi phí: Hàm lượng niken cao khiến Invar đắt hơn thép tiêu chuẩn.
- Hiệu suất nhiệt độ cao hạn chế: Mặc dù hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng, nhưng các tính chất cơ học của nó có thể suy giảm ở nhiệt độ cao.
- Khả năng chống ăn mòn: Invar không có khả năng chống ăn mòn như một số loại thép không gỉ, điều này có thể hạn chế việc sử dụng trong một số môi trường nhất định.

Theo lịch sử, Invar được phát triển vào cuối thế kỷ 19 và kể từ đó đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hàng không vũ trụ, công cụ đo lường chính xác và dụng cụ khoa học, nhờ những đặc tính độc đáo của nó.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	K93600	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với Invar 36
Tiêu chuẩn ASTM	Một 320	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho Invar
VI	1.3912	Châu Âu	Những khác biệt nhỏ về thành phần cần lưu ý
Tiêu chuẩn Nhật Bản	G4303	Nhật Bản	Tương đương với Invar 36 với một số thay đổi nhỏ
Anh	0Cr18Ni9	Trung Quốc	Tính chất tương tự nhưng khả năng chống ăn mòn khác nhau

Trong cột 'Ghi chú/Nhận xét', điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù các cấp độ này thường được coi là tương đương nhau, nhưng sự khác biệt nhỏ trong thành phần có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, đặc biệt là về khả năng giãn nở vì nhiệt và khả năng chống ăn mòn.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
Fe (Sắt)	Sự cân bằng
Ni (Niken)	36.0 - 38.0
C (Cacbon)	0,03 tối đa
Mn (Mangan)	0,5 tối đa
Si (Silic)	0,5 tối đa
S (Lưu huỳnh)	0,01 tối đa
P (Phốt pho)	0,01 tối đa

Vai trò chính của niken trong Invar là giảm hệ số giãn nở nhiệt, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi độ ổn định kích thước cao. Carbon, mặc dù có lượng tối thiểu, giúp tăng cường độ bền của hợp kim, trong khi mangan và silic góp phần vào độ dẻo dai và khả năng gia công tổng thể.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	480 - 600MPa	70 - 87 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	220 - 350MPa	32 - 51 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	30-40%	30-40%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell B)	Ủ	Nhiệt độ phòng	80 - 90 HRB	80 - 90 HRB	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Ủ	-20°C	30 tháng	22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các đặc tính cơ học này làm cho Invar phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao, đặc biệt là trong điều kiện tải cơ học. Độ bền kéo thấp của nó so với các hợp kim có độ bền cao khác được bù đắp bằng độ ổn định kích thước tuyệt vời của nó.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	8,0 g/cm³	0,289 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1450 °C	2642 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	13 W/m·K	75 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,5 µΩ·m	0,5 µΩ·trong
Hệ số giãn nở nhiệt	20-100 °C	1,2 x 10⁻⁶ /K	0,67 x 10⁻⁶ /°F

Hệ số giãn nở nhiệt thấp đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng trong dụng cụ đo lường chính xác, nơi mà ngay cả những thay đổi nhỏ về kích thước cũng có thể dẫn đến sai số đáng kể.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3%	25°C / 77°F	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit sunfuric	10%	20°C / 68°F	Nghèo	Không khuyến khích
Axit Nitric	20%	25°C / 77°F	Tốt	Nói chung là kháng cự
Nước biển	-	25°C / 77°F	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn cục bộ

Invar có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong môi trường axit. Nó dễ bị rỗ trong môi trường giàu clorua, khiến nó ít phù hợp hơn cho các ứng dụng hàng hải so với thép không gỉ. Khi so sánh với các loại như AISI 304 hoặc AISI 316, khả năng chống ăn mòn của Invar kém hơn, đặc biệt là trong môi trường clorua, nơi thép không gỉ vượt trội hơn.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	300 °C	572 °F	Trên mức này, các thuộc tính có thể bị suy thoái
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	400 °C	752 °F	Chỉ phơi sáng trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa

Invar duy trì các đặc tính cơ học của nó ở nhiệt độ vừa phải, nhưng vượt quá 300 °C, nó có thể bị suy thoái đáng kể. Khả năng chống oxy hóa của nó bị hạn chế và phải cẩn thận trong các ứng dụng nhiệt độ cao để ngăn ngừa sự đóng cặn.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
TIG	ERNi-1	Khí Argon	Nên làm nóng trước
MIG	ERNi-1	Khí Argon	Có thể cần xử lý nhiệt sau khi hàn

Invar thường có thể hàn bằng quy trình TIG và MIG, nhưng thường được khuyến nghị nên gia nhiệt trước để giảm thiểu nguy cơ nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể giúp giảm ứng suất và cải thiện tính toàn vẹn tổng thể của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép Invar	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	50%	100%	Yêu cầu tốc độ chậm hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	60 m/phút	Sử dụng công cụ cacbua

Invar có khả năng gia công ở mức trung bình, đòi hỏi tốc độ cắt chậm hơn và dụng cụ chuyên dụng để đạt được kết quả tối ưu. Sự hiện diện của niken có thể dẫn đến mòn dụng cụ, đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các thông số cắt.

Khả năng định hình

Invar thể hiện khả năng định hình tốt, cả trong quá trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, do đặc tính làm cứng khi gia công, cần kiểm soát cẩn thận quá trình định hình để tránh nứt. Bán kính uốn cong phải lớn hơn bán kính thường dùng cho thép tiêu chuẩn để phù hợp với các đặc tính độc đáo của nó.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	800 - 1000 °C / 1472 - 1832 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Giải pháp điều trị	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	1 giờ	Nước	Cấu trúc vi mô đồng nhất

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ có thể thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của Invar, tăng cường độ dẻo và khả năng gia công của nó. Các biến đổi luyện kim trong quá trình xử lý này có thể dẫn đến sự phân bố pha đồng đều hơn, điều này rất quan trọng để duy trì các đặc tính mong muốn.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Hàng không vũ trụ	Linh kiện máy bay	Độ giãn nở nhiệt thấp, độ bền cao	Độ chính xác và ổn định
Đo lường	Dụng cụ chính xác	Độ ổn định kích thước, khả năng gia công	Độ chính xác trong phép đo
Điện tử	Bảng mạch	Độ giãn nở nhiệt thấp, tính chất điện	Độ ổn định dưới sự thay đổi nhiệt độ
Có tính khoa học	Thiết bị phòng thí nghiệm	Chống ăn mòn, độ giãn nở thấp	Độ tin cậy trong các thí nghiệm

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Thiết bị quang học
- Đồng hồ và đồng hồ đeo tay
- Gia công có độ chính xác cao

Invar được chọn cho các ứng dụng này chủ yếu vì độ giãn nở nhiệt thấp, điều này rất quan trọng trong môi trường mà sự thay đổi nhiệt độ có thể dẫn đến sai số đo lường đáng kể.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép Invar	AISI 304	AISI 316	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Vừa phải	Cao	Cao	Invar kém bền hơn thép không gỉ
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Xuất sắc	Xuất sắc	Invar ít có khả năng chống lại clorua
Khả năng hàn	Vừa phải	Tốt	Tốt	Invar đòi hỏi những cân nhắc đặc biệt
Khả năng gia công	Vừa phải	Cao	Cao	Invar yêu cầu tốc độ chậm hơn
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Xuất sắc	Invar có yêu cầu uốn cong cụ thể
Chi phí tương đối xấp xỉ	Cao	Vừa phải	Vừa phải	Hàm lượng niken của Invar thúc đẩy chi phí
Khả năng cung cấp điển hình	Giới hạn	Cao	Cao	Invar ít phổ biến hơn

Khi lựa chọn Invar cho một ứng dụng cụ thể, cần cân nhắc các yếu tố như chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học và nhiệt cụ thể cần thiết so với các lựa chọn thay thế như thép không gỉ. Các đặc tính độc đáo của Invar khiến nó trở nên vô giá trong các ứng dụng chuyên biệt, đặc biệt là trong kỹ thuật chính xác và hàng không vũ trụ, nơi mà độ ổn định về kích thước là tối quan trọng. Tuy nhiên, chi phí cao hơn và khả năng chống ăn mòn hạn chế so với thép không gỉ có thể hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng chung hơn.