因瓦合金4J32與4J36大家都很熟悉，但是因瓦效應(yīng)是怎么被發(fā)現(xiàn)與發(fā)展過(guò)程，上海墨鉅就整理了一篇資料講述一下因瓦效應(yīng)。篇幅過(guò)于長(zhǎng)，為了方便大家閱讀，上海墨鉅把這份資料整理成若干篇。

因瓦效應(yīng)(InvarEffect)一般指一些磁性體在磁性相變溫度即居里點(diǎn)Tc以下，其熱膨脹索數(shù)趨近為零的現(xiàn)象.

1896年法國(guó)物理學(xué)家C.E.Guialme發(fā)現(xiàn)了一種奇妙的合金[1]，這種合金在磁性溫度即居里點(diǎn)附近熱膨脹系數(shù)顯著減少，出現(xiàn)所謂反常熱膨脹現(xiàn)象（負(fù)反常），從而可以在室溫附近很寬的溫度范圍內(nèi)，獲得很小的甚至接近零的膨脹系數(shù)，這種合金的組成是64%的Fe和36%的Ni，呈面心里方結(jié)構(gòu)，其牌號(hào)為4J36，它的中文名字叫殷鋼，英文名字叫因瓦合金（invar），意思是體積不變。這個(gè)卓越的合金對(duì)科學(xué)進(jìn)步的貢獻(xiàn)如此之大，致使其發(fā)現(xiàn)者法國(guó)人C.E.Guilaume為此獲得1920年的諾貝爾獎(jiǎng)，在歷史上他是第一位也是唯一的科學(xué)家因一項(xiàng)冶金學(xué)成果而獲此殊榮。

因瓦合金自從十九世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們就被它的巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力和所蘊(yùn)含的豐富的物理內(nèi)容所吸引，因瓦效應(yīng)的研究不僅是闡明金屬及其合金、化合物磁性起源的重要途徑，而且在精密儀器儀表、微波通訊、石油運(yùn)輸容器以及高科技產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣泛的實(shí)際作用，因而因瓦合金是許多冶金材料學(xué)家力于開(kāi)拓的新材料領(lǐng)域，其機(jī)理也是凝聚態(tài)物理學(xué)家尚待解決的難題。一般來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)金屬和合金都是在受熱時(shí)體積膨脹，冷卻時(shí)體積收縮，它們的熱膨脹系數(shù)呈線性增大，但是元素周期表中的鐵、鎳、鈷等過(guò)渡族元素組成的某些合金，由于它們的鐵磁性，在一定的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹不符合正常的膨脹規(guī)律，具有因瓦效應(yīng)的反常熱膨脹。例如，4J36因瓦合金在居里點(diǎn)以上的熱膨脹與一般合金相似，但在居里點(diǎn)以下形成反常熱膨脹，為了搞清因瓦合金的機(jī)理，科學(xué)家們作了大量的實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明，它的機(jī)理與化學(xué)成分及磁性有關(guān)，它在一定范圍的線膨脹系數(shù)是由低膨脹和高膨脹兩部分組成，含鎳量在一定范圍內(nèi)的增減會(huì)引起鐵、鎳合金線膨脹系數(shù)的急劇變化。當(dāng)含有32%-36%的鎳合金具有很低的線膨脹系數(shù)，一般平均膨脹系數(shù)為?=1.5×10-6 oC，當(dāng)含Ni量達(dá)到36%時(shí)，因瓦合金熱膨脹系數(shù)最低，達(dá)到a=1.8 10-6 oC，從而可獲得低到接近零值甚至負(fù)值的熱膨脹系數(shù)。該合金在居里溫度以上（230oC），失去了磁性，膨脹系數(shù)變大，而在居里點(diǎn)Tc附近熱脹系數(shù)比正常的系數(shù)小，出現(xiàn)所謂的“負(fù)反常”現(xiàn)象。為什么因瓦合金會(huì)隨化學(xué)成分及磁性的變化會(huì)出現(xiàn)“負(fù)反?！钡臒崤蛎浵禂?shù)？科學(xué)家根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在理論方面對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，研究表明因瓦效應(yīng)主要是在具有面心里方的γ-Fe中出現(xiàn)，在γ相和α相的相界，當(dāng)α相為零時(shí)就出現(xiàn)因瓦效應(yīng)，象這樣關(guān)于只在γ-Fe系合金中出現(xiàn)因瓦效應(yīng)的原因，目前有各種解釋?zhuān)谴蠖鄶?shù)人認(rèn)為，有兩種：（1）在fcc合金中，F(xiàn)e具有高自旋和低自旋兩種不同的能態(tài)，高自旋態(tài)使鐵磁性穩(wěn)定并使合金的體積膨脹。這樣從居里溫度以上的溫度區(qū)逐漸降低過(guò)程中Fe從低自旋向高自旋能態(tài)過(guò)渡，使合金體積逐漸膨脹。但是，隨著溫度的降低，晶格振動(dòng)減弱，合金體積也同時(shí)縮小，這個(gè)效應(yīng)與Fe的磁性膨脹之間發(fā)生竟?fàn)?，結(jié)果使實(shí)際體積變化減小，產(chǎn)生正的自發(fā)體積磁致伸縮，使因瓦合金在居里點(diǎn)附近出現(xiàn)所謂的“負(fù)反?！?。（2）invar合金的費(fèi)米能級(jí)位于d能帶低能態(tài)密度附近，從而在鐵磁性極化的同時(shí)，電子動(dòng)能的增長(zhǎng)比普通合金大得多，能帶寬度減?。軕B(tài)密度提高），使之力圖減少動(dòng)能的增長(zhǎng)，而能帶寬度的減小相當(dāng)于晶格膨脹，即磁性膨脹，其結(jié)果和上述（1）一樣，由于晶格膨脹與晶格振動(dòng)相競(jìng)爭(zhēng)，于是出現(xiàn)低膨脹特性。考察以上兩種見(jiàn)解，可以發(fā)現(xiàn)，invar效應(yīng)是由Fcc立方Fe基合金的鐵磁性的能態(tài)所具有的一種特性引起的，這是上述兩種解釋都包含的共同概念。根據(jù)這個(gè)概念，可以設(shè)計(jì)其它因瓦合金。