L'alliage Invar est un alliage spécial composé principalement de fer et de nickel, caractérisé notamment par son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Son nom « Invar » vient du mot anglais « invariable », reflétant sa caractéristique de ne présenter pratiquement aucune expansion ou contraction dimensionnelle avec les changements de température. Les alliages Invar sont principalement utilisés dans les instruments de précision nécessitant une stabilité dimensionnelle élevée, les composants structurels aérospatiaux, les équipements optiques et les systèmes de stockage de gaz liquéfiés.
Principaux composants et structure de l'alliage Invar
La composition chimique typique de l'alliage Invar est d'environ 63 % de fer (Fe), environ 36 % de nickel (Ni), le reste étant constitué de traces de carbone, de silicium, de manganèse et d'autres éléments. La caractéristique de faible dilatation thermique de l'alliage provient de sa disposition atomique unique fer-nickel ; à mesure que la température augmente, les changements dans l'ordre magnétique interne de l'alliage contrecarrent l'effet de dilatation thermique des métaux ordinaires.
Les qualités d'alliage Invar courantes comprennent : Invar 36, Invar 32-5, Super Invar et Kovar. Invar 36 (également connu sous le nom de 4J36 ou UNS K93600) est le modèle le plus utilisé.
Propriétés physiques de l'alliage Invar
1. Coefficient de dilatation thermique extrêmement faible : dans la plage de température de 20 ℃ à 100 ℃, son coefficient de dilatation linéaire moyen n'est qu'environ 1,2 × 10⁻⁶/℃, bien inférieur à celui de l'acier au carbone ordinaire (environ 12 × 10⁻⁶/℃).
2. Densité : environ 8,1 g/cm³.
3. Conductivité thermique : Faible conductivité thermique, environ 10 à 14 W/(m·K).
4. Propriétés magnétiques : L'alliage Invar est ferromagnétique à température ambiante, perdant son magnétisme à son point de Curie d'environ 230 ℃.
5. Dureté : La dureté Brinell à l'état recuit est généralement de 130 à 180 HB, ce qui peut être amélioré par un écrouissage ou un traitement de vieillissement.
Avantages et applications de l'alliage Invar
Le plus grand avantage de l'alliage Invar réside dans sa stabilité dimensionnelle extrêmement élevée sous différentes températures. Il maintient un taux d'expansion très faible sur une plage allant de dizaines de degrés en dessous de zéro à des centaines de degrés Celsius, ce qui le rend idéal pour les composants structurels de précision et les environnements à température contrôlée.
Les principales applications comprennent :
— Supports de systèmes optiques, montures d'objectifs, bases d'interféromètres ;
— Équipements aérospatiaux, composants structurels de satellites, boîtiers de gyroscopes de précision ;
— Réservoirs de stockage de gaz liquéfié (GNL) et structures de pipelines ;
— Emballages électroniques, balances d'instruments, blocs étalons et autres outils de mesure.
Performances d'usinage de l'alliage Invar
Bien que l'alliage Invar ait des propriétés mécaniques relativement stables, son usinabilité est généralement considérée comme « légèrement difficile à usiner ». Les principales raisons incluent :
1. Tendance significative à l’écrouissage ;
2. Mauvaise conductivité thermique, entraînant une chaleur de coupe concentrée ;
3. Sujet au collage des outils et à l'usure des outils.
Il est généralement recommandé d'utiliser des outils tranchants en carbure, des vitesses de coupe plus faibles et un liquide de refroidissement forcé. Il a une bonne soudabilité, mais l'apport de chaleur doit être strictement contrôlé pour éviter le grossissement de la microstructure.
Comparaison de l'alliage Invar avec d'autres matériaux
Comparé à l'acier au carbone ordinaire, l'alliage Invar a un coefficient de dilatation thermique qui n'est que de 1/10 ; comparé à l'acier inoxydable, l'alliage Invar a une résistance légèrement inférieure mais une meilleure stabilité thermique ; Par rapport aux alliages de titane, l'alliage Invar présente une stabilité dimensionnelle supérieure à basse température, ce qui le rend irremplaçable dans les instruments d'ingénierie cryogénique et de métrologie.
Qualités nationales et internationales typiques
— Qualités chinoises : 4J36, 4J32-5, 4J38 ;
— Numéros US UNS : K93600 (Invar 36), K93500 (Super Invar) ;
— Classe DIN allemande : 1.3912 ;
— AFNOR française : FeNi36.
L'alliage Invar est un « alliage de précision à faible expansion » typique, largement utilisé dans les domaines de l'aérospatiale, de l'optique et de l'ingénierie cryogénique en raison de son excellente stabilité thermique et de sa soudabilité. Bien qu'il soit difficile à mettre en œuvre, sa stabilité dimensionnelle est presque irremplaçable, ce qui en fait l'un des matériaux de base essentiels dans la mécanique de précision.
