Edición de «Invar»

[[Archivo:Invar 800.jpg|thumb|300px|Bloques de invar]]

El '''invar''', también llamado '''FeNi36''' o '''nivarox''', es una [[aleación]] de [[hierro]] (64%) y [[níquel]] (36%), manganeso, con muy poco [[carbono]] y algo de [[cromo]].<ref name=vdm>{{Cite web|url=https://www.vdm-metals.com/fileadmin/user_upload/Downloads/Data_Sheets/Data_Sheet_VDM_Alloy_36.pdf|title=Material Data Sheet Alloy 36|access-date=24 de noviembre de 2017}}</ref> Por su pequeño [[coeficiente de dilatación]]<ref name="alloying">{{cite book |last = Davis | first = Joseph R. | title = Alloying: Understanding the Basics |url = https://archive.org/details/alloyingundersta00davi | year = 2001 | publisher = ASM International |pages = [https://archive.org/details/alloyingundersta00davi/page/n577 587]–589|isbn = 0-87170-744-6}}</ref> se emplea en la fabricación de '''piezas de precisión''' (relojería, aparatos de física, válvulas de motores, etc.) y, especialmente, en instrumentos para medir longitudes, tales como los utilizados en [[topografía]]. También tiene aplicaciones en la fabricación de útiles para procesos de conformado de [[material compuesto|materiales compuestos]]. 

== Historia ==
El hallazgo de la composición del invar lo realizó en 1896 el físico suizo [[Charles Édouard Guillaume]],<ref>Les metaux "invar" et "elinvar": leurs proprietes, leurs applications. M. Guillaume. Société Anonyme de L'imprimerie Théolier, 1922.</ref> galardonado con el [[premio Nobel de Física]] en 1920<ref>[http://books.google.fr/books?id=P-V76TvgjWEC&pg=PA444 Invar and Elinvar.] Charles Edouard Guillaume. En: Nobel lectures in Physics, 1901-1921, v. 1 de Physics 1901-, Stig Lundqvist. World Scientific, 1998 ISBN 9810234015 pg. 444</ref> por dicho descubrimiento.<ref>{{cite web |title=The Nobel Prize in Physics 1920 |url=https://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1920/ |work=nobelprize.org |publisher=The Nobel Foundation |access-date=20 de marzo de 2011 |quote=The Nobel Prize in Physics 1920 was awarded to Charles Edouard Guillaume ''"in recognition of the service he has rendered to precision measurements in Physics by his discovery of anomalies in nickel steel alloys"''.}}</ref> Hacia 1920 también inventó una aleación de composición parecida, llamada [[elinvar]], que posee un [[módulo de elasticidad]] que no varía mucho con la temperatura.<ref>[http://books.google.fr/books?id=_FM5Lx7wRmkC&pg=PA213 The Invar and Elinvar family.] En: Magnetism: Materials and applications. Vol. 2. D. Gignoux, Michel Schlenker, Étienne du Trémolet de Lacheisserie. Grenoble sciences. Springer, 2005. ISBN 0387230009. Pág. 213</ref>

== Propiedades ==
[[Archivo:Invar-Graph-CTE-composition.svg|thumb|250px|Variación del coeficiente de dilatación del invar en función del contenido de níquel]]
[[Archivo:Invar Magnetosriction.GIF|mini|250px|Evolución del coeficiente de [[magnetoestricción]] en función del contenido de níquel]]

Como otras composiciones de níquel/hierro, el Invar es una [[solución sólida]], es decir, es una [[aleación]] [[Fase (materia)|monofásica]]. En un grado comercial llamado Invar&nbsp;35, consta de aproximadamente 36 % de níquel y 64 % de hierro,<ref name=vdm /> tiene un [[punto de fusión]] de 1427&nbsp;°C, una [[densidad]] de 8,05 g/cm³ y una [[resistividad]] de 8,2x10<sup>-5</sup> Ω·cm.<ref name="am1">{{cite news|url=https://www.americanelements.com/invar-36-alloy|title=Invar 36 Alloy }}</ref> El ''rango de las aleaciones invar'' fue descrito por los científicos de Westinghouse en 1961 como "hierro con entre el 30 y el 45 por ciento de níquel".<ref name="peavler61">{{cite journal|doi=10.1038/192962a0|title=A New Reversible Solid-State Transformation in Iron–Nickel Alloys in the Invar Range of Compositions|year=1961|last1=Ananthanarayanan|first1=N. I.|last2=Peavler|first2=R. J.|journal=Nature|volume=192|issue=4806|pages=962–963|bibcode=1961Natur.192..962A|s2cid=4277440}}</ref>

Las composiciones comunes del Invar tienen un coeficiente de expansión térmica (denominado <var>α</var> y medido entre 20&nbsp;°C y 100&nbsp;°C) de aproximadamente 1,2×10<sup>−6</sup>[[Kelvin|K]]<sup>−1</sup> (1,2[[Partes por notación|ppm]]/°C), mientras que los aceros ordinarios tienen valores de alrededor de 11 a 15 ppm/°C. Los grados extrapuros (con <0.1% de [[cobalto]]) pueden producir fácilmente valores tan bajos como 0,62–0,65 ppm/°C. Algunas formulaciones muestran características de [[dilatación térmica negativa]] (NTE). Aunque muestra una alta estabilidad dimensional en un amplio rango de temperaturas, tiene propensión a la [[deformación por fluencia lenta]].<ref>{{Cite journal|last1=Myslowicki|first1=Thomas|last2=Crumbach|first2=Mischa|last3=Mattissen|first3=Dorothea|last4=Bleck|first4=Wolfgang|date=August 2002|title=Short time creep behaviour of Invar steel|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/srin.200200218|journal=Steel Research|language=en|volume=73|issue=8|pages=332–339|doi=10.1002/srin.200200218}}</ref><ref>{{Cite journal|last1=Thackar|last2=Trivedi|first1=Romin A.|first2=Snehal V.|date=June 2017|title=An Overview of Dimensional Stability of Invar 36 Material for Space Based Optical Mounting Applications|url=https://ijritcc.org/download/conferences/ICIIIME_2017/ICIIIME_2017_Track/1496822245_07-06-2017.pdf|journal=International Conference on Ideas, Impact and Innovation in Mechanical Engineering (ICIIIME 2017)|volume=5|issue=6|pages=147|via=}}</ref>

Estrictamente hablando, el término Invar solo se refiere a la aleación que contiene un 36% de níquel, que tiene el coeficiente de expansión más bajo (aunque las aleaciones con un 50% de níquel a veces se denominan Invar). A continuación se enumeran las propiedades físicas de esta aleación a 20 °C (salvo que se indique algo diferente):<ref name='ImphyAlloys'>Pdf {{cita web|idioma=en|url=http://test2.imphyalloys.com/fileadmin/pdf/datasheets_fr/Invar_M93_Fr.pdf|título=Propriétés de l'Invar recensées par ImphyAlloys|fechaacceso=2009-10-12|serie=ImphyAlloys}}</ref><ref>{{cita web|idioma=en|título=Material Data Sheet Alloy 36|url=https://www.vdm-metals.com/fileadmin/user_upload/Downloads/Data_Sheets/Data_Sheet_VDM_Alloy_36.pdf|obra=|fecha=|fechaacceso=15 novembre 2017}}.</ref>

{|class="wikitable col2cen"
|[[Resistividad]]||{{unidad|75-85 µΩ cm}}
|-
|[[Módulo de Young]]||140-{{unidad|150|GPa}}
|-
|[[Módulo de cizalladura]]||{{unidad|57|GPa}}
|-
|[[Dureza|Dureza Brinell]]||160
|-
|Alargamiento de rotura||< 45 %
|-
|[[Resiliencia (ingeniería)|Resiliencia]] (a  20 °C)||{{unidad|140-150 J cm-2}}
|-
|[[Coeficiente de Poisson]]||0,22807 (= E/2G - 1)
|-
|Límite de rotura||{{unidad|450-590|MPa}}
|-
|[[Densidad relativa]]||8,125
|-
|[[Dilatación térmica|Coeficiente de dilatación]] lineal (20-90 °C)||{{unidad|1,2 - 2,0 e−6 K−1}}
|-
|[[Conductividad térmica]] (a 23 °C)||{{unidad|13 W m−1 K−1}}
|-
|[[Calor específico]]||{{unidad|510 J kg−1 K−1}}
|}

==Aplicaciones==
El Invar se utiliza en aplicaciones en las que se requiere una alta estabilidad dimensional, como instrumentos de precisión, relojes, medidores de fluencia sísmica, marcos de la [[máscara de sombra]] de los tubos de televisión en color,<ref>{{cite web|title=Nickel & Its Uses|publisher=Nickel Institute|work=Nickel Magazine|date=3 May 2005|url=http://www.nickelinstitute.org/index.cfm/ci_id/12313.htm|access-date=2011-03-20|archive-url=https://web.archive.org/web/20101219005643/http://www.nickelinstitute.org/index.cfm/ci_id/12313.htm|archive-date=2010-12-19 }}</ref> en válvulas de motores y en los moldes de para conformar las aspas de los aerogeneradores.<ref>{{Citation|title=Boeing 787 Fuselage (MIE-375)|date=2018-10-30|url=https://www.youtube.com/watch?v=VyWFiUnoT5E|access-date=2023-06-29|language=en}}</ref>

Una de sus primeras aplicaciones fue en el [[volante regulador]] de los relojes de bolsillo y en las varillas de los [[péndulo]] de los [[reloj de péndulo|relojes de péndulo]] de precisión. En el momento en que se inventó, el [[reloj de péndulo]] era el sistema de cronometraje más preciso del mundo, y el límite de su precisión se debía a las variaciones térmicas en la longitud de los péndulos. El [[reloj regulador Riefler]], desarrollado en 1898 por Clemens Riefler, fue el primer reloj que utilizó un péndulo de Invar. Con una precisión de 10 milisegundos al día, sirvió como estándar de hora principal en los [[Observatorio Naval de los Estados Unidos|observatorios navales]] y para los servicios horarios nacionales hasta la década de 1930.

En [[topografía]], cuando se va a materializar una poligonal de primer orden con una [[nivelación]] de alta precisión, las [[mira (topografía)|miras]] utilizadas están hechas de Invar, en lugar de madera, fibra de vidrio u otros metales.<ref>{{Cite book|last1=Baričević|first1=Sergej|last2=Barković|first2=Đuro|last3=Zrinjski|first3=Mladen|last4=Staroveški|first4=Tomislav|chapter=Development of Levelling Staff Scale Calibration Method by Integrating a CCD Camera|date=2022|editor-last=Ademović|editor-first=Naida|editor2-last=Mujčić|editor2-first=Edin|editor3-last=Akšamija|editor3-first=Zlatan|editor4-last=Kevrić|editor4-first=Jasmin|editor5-last=Avdaković|editor5-first=Samir|editor6-last=Volić|editor6-first=Ismar|title=Advanced Technologies, Systems, and Applications VI|chapter-url=https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-90055-7_40|series=Lecture Notes in Networks and Systems|volume=316|language=en|location=Cham|publisher=Springer International Publishing|pages=514–521|doi=10.1007/978-3-030-90055-7_40|isbn=978-3-030-90055-7}}</ref><ref>{{Cite web|title=ISO 12858-1:2014 Optics and optical instruments — Ancillary devices for geodetic instruments — Part 1: Invar levelling staffs|url=https://www.iso.org/standard/57606.html|access-date=2023-09-02|website=ISO|language=en}}</ref> También se han utilizado bielas de Invar en algunos pistones para limitar su expansión térmica dentro de los cilindros.<ref>{{cite book|title=Internal combustion engines illustrated|year=1947|publisher=Odhams Press Limited|location=Long Acre, London|page=85}}</ref> En la fabricación de grandes piezas de [[material compuesto|materiales compuestos]] de [[Polímero reforzado con fibra de carbono|fibra de carbono]] utilizadas en la [[aeroespacio|ingeniería aeroespacial]], se emplean moldes de Invar para poder obtener tolerancias dimensionales extremadamente estrictas.<ref>[https://www.aero-mag.com/tooling-mould-die/ Tooling to mould and die for!] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20180410202335/https://www.aero-mag.com/tooling-mould-die/|date=2018-04-10 }}, Mike Richardson, Aerospace Manufacturing, 6 April 2018, accessed 10 April 2018.</ref>

En el campo astronómico, el Invar se utiliza como componente estructural que soporta la óptica más sensible de los telescopios astronómicos.<ref>{{Cite book|first1=Hiromichi T.|last1=Fujii|first2=Naoki|last2=Sakaguchi|first3=Kotaro|last3=Ona|first4=Yutaka|last4=Hayano|first5=Fumihiro|last5=Uraguchi|title=Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation IV|chapter=Precise control of negative thermal expansion in stainless invar type alloy for astronomical telescopes|editor-first1=Roland|editor-first2=Ramón|editor-last1=Geyl|editor-last2=Navarro|year=2020|chapter-url=https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11451/2561193/Precise-control-of-negative-thermal-expansion-in-stainless-invar-type/10.1117/12.2561193.short|volume=11451|pages=1145118|doi=10.1117/12.2561193|bibcode=2020SPIE11451E..18F|isbn=9781510636897|s2cid=230575165|accessdate=2021-05-08}}</ref> La elevada estabilidad dimensional del Invar permite a los telescopios astronómicos mejorar significativamente la precisión y la exactitud de las observaciones realizadas.

== Variantes ==
Existen variantes del material Invar original, que tienen un coeficiente de expansión térmica ligeramente diferente, como por ejemplo:
*'''Inovco''', que es Fe–33Ni–4.5Co y tiene un <var>α</var> de 0,55&nbsp;ppm/°C (de 20 a 100&nbsp;°C).
*''FeNi42'' (por ejemplo, la aleación NILO 42), que tiene un contenido de níquel del 42% y {{nowrap|<var>α</var> ≈ 5.3&nbsp;ppm/°C}}, que coincide con el coeficiente de expansión del [[silicio]], se usa ampliamente como material de estructura de conductores para circuitos integrados.
*Aleaciones de FeNiCo, denominadas '''[[Kovar]]''' o Dilver P, que tienen el mismo comportamiento de expansión (~{{nowrap|5&nbsp;ppm/°C}}) y forman enlaces fuertes con el [[vidrio borosilicatado]] fundido, y por eso se utilizan para el [[sello vidrio-metal|sellado vidrio-metal]] y para soportar piezas ópticas en una amplia gama de temperaturas y aplicaciones, como los [[satélite artificial|satélites artificiales]].

== Explicación de sus propiedades anómalas ==
Ha sido difícil para los físicos dar una explicación detallada del coeficiente de expansión térmica anormalmente bajo del Invar.

Todas las aleaciones cúbicas de Fe-Ni centradas en cara ricas en hierro muestran anomalías similares a las del Invar en sus propiedades térmicas y magnéticas, que evolucionan continuamente en intensidad con la composición variable de la aleación. Los científicos habían propuesto que el comportamiento del Invar era una consecuencia directa de una transición de alto momento magnético a bajo momento magnético que se producía en la serie cúbica Fe-Ni centrada en cara (y que da origen al mineral [[antitaenita]]). Sin embargo, se demostró que esta teoría era incorrecta.<ref>{{cite journal|author1=K. Lagarec|author2=D.G. Rancourt|author3=S.K. Bose|author4=B. Sanyal|author5=R.A. Dunlap|url=http://fizz.phys.dal.ca/~dunlap/index_files/index_files/journal/c210_lagarec.pdf|title=Observation of a composition-controlled high-moment/low-moment transition in the face centered cubic Fe–Ni system: Invar effect is an expansion, not a contraction|journal=Journal of Magnetism and Magnetic Materials|volume=236|year=2001|issue=1–2|pages=107–130|doi=10.1016/S0304-8853(01)00449-8|bibcode=2001JMMM..236..107L|archive-url=https://web.archive.org/web/20120425145000/http://fizz.phys.dal.ca/~dunlap/index_files/index_files/journal/c210_lagarec.pdf|archive-date=2012-04-25 }}</ref> En cambio, parece que la transición de momento bajo/momento alto está precedida por un [[Frustración (física)|estado ferromagnético frustrado]] de momento magnético alto, en el que los enlaces de intercambio magnético Fe-Fe tienen un gran efecto de volumen magnético del signo y magnitud correctos para crear la anomalía de expansión térmica observada.<ref>{{cite journal|author1=D.G. Rancourt|author2=M.-Z. Dang|title= Relation between anomalous magneto-volume behaviour and magnetic frustration in Invar alloys|journal=Physical Review B|volume= 54|issue= 17|year=1996|pages= 12225–12231|doi=10.1103/PhysRevB.54.12225|pmid=9985084|bibcode=1996PhRvB..5412225R}}</ref>

Wang y sus colaboradores consideraron la mezcla estadística entre la configuración totalmente ferromagnética (FM) y las configuraciones de giro invertido (SFC) en el {{chem|Fe|3|Pt}}, con las energías libres de FM y SFC predichas a partir de cálculos de primeros principios, y fueron capaces de predecir los rangos de temperatura de expansión térmica negativa bajo diversas presiones.<ref>Wang, Y., Shang, S. L., Zhang, H., Chen, L.-Q., & Liu, Z.-K. (2010). Thermodynamic fluctuations in magnetic states: Fe 3 Pt as a prototype. Philosophical Magazine Letters, 90(12), 851–859. https://doi.org/10.1080/09500839.2010.508446</ref> Se demostró que todas las configuraciones ferromagnéticas y de giro invertido individuales tienen expansión térmica positiva, y la expansión térmica negativa se origina en las crecientes poblaciones de átomos de giro invertido con volúmenes más pequeños que los de configuración totalmente ferromagnética.<ref>{{Cite journal|doi=10.1038/srep07043|pmid=25391631|pmc=4229665|title=Thermal Expansion Anomaly Regulated by Entropy|journal=Scientific Reports|volume=4|pages=7043|year=2014|last1=Liu|first1=Zi-Kui|last2=Wang|first2=Yi|last3=Shang|first3=Shunli|bibcode=2014NatSR...4E7043L}}</ref>

== Véase también ==
{{lista de columnas|3|
* [[Escape Riefler]]
* [[Reloj sincrónico Shortt]]
* [[Hilos invar]], instrumento geodésico
* [[Nivarox]]
* [[Constantán]] y [[Manganina]], aleaciones con resistividad eléctrica relativamente constante
* [[Elinvar]], aleación con elasticidad relativamente constante a diferentes temperaturas
* [[Sitall]] y [[Zerodur]], materiales cerámicos con una expansión térmica relativamente baja
* [[Vidrio borosilicatado]] y [[Ultra low expansion glass|vidrio de expansión ultrabaja]], vidrios de baja expansión resistentes al choque térmico
}}

== Referencias ==
{{listaref|2}}

{{Control de autoridades}}
[[Categoría:Aleaciones de níquel]]
[[Categoría:Aleaciones de hierro]]
[[Categoría:Materiales en ingeniería]]
[[Categoría:Ciencia de 1896]]
[[Categoría:Ciencia y tecnología de Suiza]]
[[Categoría:Aleaciones con nombre]]