迈克尔逊干涉仪研究Fe-Ni-Co超因瓦合金的热膨胀性能

邓 文， 王 昊， 聂 鹏， 徐守磊， 张文春， 黄宇阳

(广西大学 物理科学与工程技术学院，广西 南宁 530004)

0 引 言

随着精密物理测量技术的发展，精密仪器仪表要求材料具有很小的热膨胀系数。Guillaume发现，当Ni含量在35%(原子百分比)附近时，Fe-Ni合金的热膨胀系数几乎为零(其室温至100 ℃的平均膨胀系数约为1.6×10-6/℃)，该现象称为因瓦效应，具有这种特性的合金，称为因瓦合金[1]。因瓦合金的发现便在精密仪器仪表上展现了突出的优势。随着科学技术的进步，特别是航空、航天、微电子等高端产业的快速发展，因瓦合金的应用越来越广泛，主要应用领域包括：精密天平的臂，标准件的摆杆，摆轮，钟表的外补偿；长度标尺；微波谐振腔，波导管，标准频率发生器；标准电容器的叶片及支承杆；液态氢，液态氧，液态天然气的储蓄罐及运输管道；热双金属片的被动层；阴极射线管的阴罩；宇航工业复合材料零件的模具；人造卫星，激光，环形激光陀螺仪；微电子产业光刻机关键部件的制造；高性能飞机和运载火箭的关键零部件的制造[2]。随着器件的灵敏度不断提高，器件的小型化和多功能化迫切需要热膨胀系数更低的合金。用少量的钴取代Fe-Ni因瓦合金中的镍可获得热膨胀系数更低的Fe-Ni-Co系合金，这种合金称为超因瓦合金[3]。

虽然对因瓦效应的研究已有相当长的历史，但因瓦合金反常的热膨胀现象和奇特的磁效应的内在本质至今还是一个未解之迷。对因瓦效应的研究不仅因为因瓦合金应用广泛，而且是了解合金磁性起源的重要途径，因而引起科学工作者的广泛关注，一直是材料物理界研究的热点问题。为揭示因瓦效应的微观本质进而改善因瓦合金的性能，科学工作者从多方面对其进行了大量的理论和实验研究[4-12]。

如何准确、快速地测量因瓦合金的热膨胀系数是该研究领域要着力解决的关键问题。由于超因瓦合金的热膨胀系数极小，随着温度的变化，其伸缩量极小，用普通方法难以测量其微小伸缩量。迈克尔逊干涉仪是根据光的干涉原理制成的精密测量仪器[13]。两列传播方向相同、频率相同、振动方向相同和位相差恒定的相干光在空间相交区域将会发生相互加强或减弱现象，即光的干涉现象。根据干涉条纹数目和间距的变化与光程差、波长等的关系式，可以算出微小长度的变化量。本文将迈克尔逊干涉仪改装成可精密、准确、快速地测量固体长度微小变化的仪器，从而计算出三元Fe-Ni-Co合金和二元Fe-Ni合金的热膨胀系数。这对探索合金的因瓦效应机理，研发性能优良的低膨胀合金具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 样品制备

将纯度为99.999%金属Fe、纯度为99.99%金属Ni和纯度为99.99%金属Co，按表1所示的化学成分配制成三元Fe-Ni-Co合金(合金编号：T1～T7)和二元Fe-Ni合金(合金编号：B1～B5)，用真空非自耗电弧炉在氩气保护下进行熔炼。为使合金成分均匀，每种合金反复熔化3次以上得到合金铸锭。由于在熔化过程中，材料损失的质量低于0.01%(质量百分数)，本文中将用标称化学成分表示合金。这些合金铸锭在真空炉中作温度为1 000 ℃，时间为10 h的均匀化热处理；用线切割机将铸锭切成直径为6 mm，长为20 mm的圆柱体。并将圆柱体的上下两切面用金相砂纸磨平并抛光后得到实验样品。

表1 Fe-Ni-Co合金的化学成分(原子百分数) %

1.2 迈克尔逊干涉仪的结构和测量微小位移的方法

图1 迈克尔逊干涉仪原理图

当d增大时，将看到圆环型干涉条纹从中心向外“冒出”;反之，d由大逐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“湮没”于中心。而且，当光线(1′)和光线(2′) 到光屏E的光程差Δ增加或减少一个波长λ，干涉图样将从中心向外“冒出”或向中心“湮没”一个条纹，d就增加或减少λ/2，即M1就移动了λ/2。因此，当M1镜移动时，若有N个条纹从中心向外“冒出”，就相当于M1与M2′之间的距离增加了ΔL：

(1)

反之，若有N个条纹向中心“湮没”时，则说明M1与M2′之间的距离减小了同样的距离。

1.3 合金热膨胀系数的测量方法

实验时，把待测Fe-Ni-Co及Fe-Ni合金加工成直径为6 mm，长为20 mm的圆柱体，放进内外径分别为7 mm和8 mm，长为18 mm圆柱形陶瓷管中，圆柱形陶瓷管的外表面均匀绕上加热电阻丝，并将迈克尔逊干涉仪的反射镜M1黏在圆柱形合金的垂直切面上，而圆柱形合金的另一个垂直切面黏在直径约为30 mm，厚度约为3 mm的金属圆片中心位置处，用三颗螺丝把该金属圆片(连同黏在其上的合金及反射镜M1)固定在支架上，再将支架紧固在迈克尔逊干涉仪的滑道上，并确保激光束始终与反射镜M1的表面垂直。当合金因受热发生膨胀时黏在其上反射镜M1的位置将发生改变，而且反射镜M1位置的改变量即为合金受热的伸长量。把温度传感器黏在合金上，控制加热电阻丝的电流，可改变合金的温度。

给电阻丝通电流，圆柱形合金被加热发生热膨胀，迈克尔逊干涉仪的动镜(反射镜M1)被推向光屏的方向，光屏E上的干涉图像(通常为明暗相间的同心圆干涉条纹)就发生变化：当动镜的位移d每增加或减少半个波长，干涉图就增加或减少一级(如果观察者的目光固定在圆心，则可看到干涉条纹不断“冒出”或“缩进”)，从干涉环变化的数量，可以算出圆柱沿轴向的膨胀量ΔL，用数显温度计记录温度的变化Δt(Δt=t2-t1)，根据下式可计算合金的热膨胀系数α[15],

(2)

式中:L为待测合金棒原长，可用游标卡尺测得；N为当合金温度从t1升高到t2时干涉条纹变化的个数；λ为氦氖激光的波长(λ=632.8 nm)。

2 结果与讨论

采用改装后的迈克尔逊干涉仪，测量了不同化学成分的三元Fe64Ni36-xCox合金和二元Fe-Ni合金在25～65 ℃的热膨胀系数α。图3为Fe64Ni36-xCox合金在25～65 ℃温区的平均热膨胀系数α随Co含量的变化。图4为 Fe-Ni合金在25～65 ℃温区的平均热膨胀系数α随Ni含量的变化。

图3 Fe64Ni36-xCox合金在25～65 ℃温区的α随Co含量的变化

图4 Fe-Ni合金在25～65 ℃温区的α随Ni含量的变化

图4表明，对二元Fe-Ni合金，Fe65Ni35合金的热膨胀系数最小达到1.58×10-6/℃，表现出显著的因瓦效应。实验发现，当Fe-Ni二元合金中Ni含量高于35%时，合金为铁基fcc结构；当Ni含量低于20%时，合金是bcc结构；其间是两种结构的混合。铁基fcc结构是铁磁性的，因瓦效应发生在居里点以下的温度范围内[16]。Kondorsky[17-18]提出了在因瓦合金中存在潜在反铁磁性相的理论模型。通常认为，因瓦合金在居里点以下呈现铁磁性，并具有本征体积磁致伸缩效应，当温度升高时，合金饱和磁化强度迅速下降伴随的体积收缩抵消了正常热膨胀；而反铁磁性合金在奈尔点温度以下具有反铁磁性，当温度升高时，反铁磁性造成的体积收缩也会抵消部分正常的热膨胀[1]。Kaufman等[19]提出了不均匀结构模型，认为具有面心立方结构(fcc)的Fe-Ni因瓦合金是由多个晶胞组成的不均匀体系。晶胞心部与晶胞表面在磁性上存在差异。fcc结构的铁有γ1和γ2为两种电子状态。由于升温导致部分γ2态热激发为γ1态，铁的晶格常数减小导致了异常热膨胀。Matsui等[20-22]利用中子衍射试验和Mossbauer效应，提出自旋起伏理论。Kohgi等发现晶态因瓦合金中自旋波劲度常数的反常行为[23]。鲜于泽等[24]发现非晶态因瓦合金中也具有的反常现象，并指出因瓦效应可能起因于能使铁磁性不稳定的特殊电子结构。Moriya[25-26]提出统一铁磁性理论；Ishikawa[27]用中子衍射方法，按自旋起伏理论证实了因瓦效应起源于自旋起伏而非晶体结构或原子热振动一声子反常。Shiga[28-29]还提出直观模型；Shimizu[30-32]提出铁磁性相和顺磁性相的混合模型等。Window[33-34]根据Fe-Ni合金和Cu基合金的Mossbauer效应实验结果建立和解释了Fe-Ni合金的磁性模型。Schilfgaarde等[1]采用从头计算方法对因瓦效应进行了分析，结果发现从高容积高自旋状态转变到低容积低自旋状态时，该系统以连续转变的模式进入到无序的非共线自旋配置状态。这种非共线自旋导致结合能对晶胞体积的异常影响，并解释了因瓦合金的特性[35]。

三元Fe64Ni36-xCox合金是以少量的Co取代因瓦合金中的Ni。从图3看出，当Co含量为5%时，Fe64-Ni31Co5合金的热膨胀系数最小，到达0.79×10-6/℃，其热膨胀系数比Fe65Ni35因瓦合金更低，即加入少量的Co进一步降低了合金的线膨胀系数。Fe64Ni31Co5超因瓦合金主要用于在室温变化范围内，对尺寸精度要求很高的零部件及精密仪器装置中，可满足器件的小型化和多功能化对低膨胀合金的要求。与Fe-Ni因瓦合金的因瓦效应机制相似，Fe-Ni-Co 超因瓦合金的低膨胀特性与其自身磁性有关，一般认为，当温度升高时，Fe-Ni-Co 合金的磁矩逐渐减弱，晶格体积减小，这一部分磁致伸缩引起的体积减小抵消掉一部分原子热振动引起的热膨胀，因而使得合金具有很低的热膨胀系数[2]。目前，关于Fe-Ni-Co超因瓦合金热膨胀性能的深入研究仍在继续。

图3显示，化学成分对三元Fe64Ni36-xCox合金的热膨胀系数有很大的影响， Fe64Ni31Co5合金的热膨胀系数最小，到达0.79×10-6/℃；偏离该成分，合金的热膨胀系数升高。图4表明，化学成分对二元Fe-Ni合金的热膨胀系数也有很大的影响， Fe65Ni35合金的热膨胀系数最小，到达1.58 ×10-6/℃；偏离该成分，合金的热膨胀系数升高。比较图3和图4的结果可以看出，Fe-Ni合金的热膨胀系数随合金中Ni含量的变化相对较大；而Fe64Ni36-xCox合金的热膨胀系数随合金中Co含量的变化相对较小。

因此，利用改装后的迈克尔逊干涉仪，可准确并快速地测量固体长度微小变化量，是测量材料热膨胀系数的有效方法。这为探索低膨胀合金的因瓦效应机理、研发性能优良的低膨胀合金提供可行的实验方法。

3 结 论

(1) 采用改装后的迈克尔逊干涉仪，通过观测合金加热膨胀时干涉条纹吞进或吐出圆环个数，获得合金的微小伸长量，进而计算出该合金的热膨胀系数。

(2) 对三元Fe64Ni36-xCox合金，Fe64Ni31Co5合金的热膨胀系数最小，达到0.79×10-6/℃；偏离该成分，合金的热膨胀系数升高。

(3) 对二元Fe-Ni合金，Fe65Ni35合金的热膨胀系数最小，达到1.58×10-6/℃；偏离该成分，合金的热膨胀系数升高。

(4) Fe64Ni31Co5超因瓦合金的热膨胀系数比Fe65-Ni35因瓦合金更低。

(5) Fe-Ni合金的热膨胀系数随Ni含量的变化相对较大；而Fe64Ni36-xCox合金的热膨胀系数随Co含量的变化相对较小。

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