Metallerin doğası gereği ısındıklarında genleştiklerini, soğuduklarında ise büzüştüklerini lise fizik derslerinden hatırlarız. Tren raylarının arasındaki boşlukların sebebi veya elektrik tellerinin kışın gerginleşmesi hep bu fizik kuralına dayanır. Ancak bir metal var ki, bu kurala inatla karşı çıkıyor: Invar Alaşımı.
Bu yazımızda, boyutlarını değiştirmeyi reddeden, Nobel Ödülü kazandıran ve modern hassas mühendisliğin temel taşı olan Invar alaşımını (Invar 36) detaylarıyla inceliyoruz.
Invar, adını İngilizce "Invariable" (Değişmez) kelimesinden alır. Temel olarak %36 Nikel ve %64 Demir elementlerinin birleşiminden oluşan bir alaşımdır.
Bu alaşımı özel kılan şey, son derece düşük termal genleşme katsayısına sahip olmasıdır. Basitçe anlatmak gerekirse; Invar alaşımı, sıcaklık değişimlerine maruz kalsa bile boyutlarını neredeyse hiç değiştirmez. Standart çelikle kıyaslandığında, Invar'ın genleşme oranı yaklaşık 10 kat daha düşüktür.
Bu keşif, malzeme biliminde o kadar büyük bir devrim yarattı ki, mucidine Nobel Ödülü kazandırdı. İsviçreli fizikçi Charles Édouard Guillaume, 1896 yılında Invar'ı keşfetti. O dönemde hassas ölçüm aletlerinin sıcaklıktan etkilenmesi büyük bir sorundu. Guillaume'un bu buluşu, bilimsel ölçümlerin doğruluğunu artırdığı için kendisine 1920 yılında Nobel Fizik Ödülü verildi.
Bilim insanları buna "Invar Etkisi" adını verir. Bu durum, "ferromanyetizma" ile ilgilidir.
Sıcaklık arttığında atomlar normalde daha fazla titreşir ve birbirinden uzaklaşır (genleşme). Ancak Invar alaşımında, ısıtma sırasında manyetik özelliklerde meydana gelen bir değişim (manyetostriksiyon), atomların birbirinden uzaklaşma isteğini tersine çevirerek bir nevi "büzülme" etkisi yaratır. Bu iki zıt kuvvet birbirini dengeler ve sonuç olarak metalin boyutu sabit kalır.
Sıcaklık değişimlerinde boyut istikrarının hayati önem taşıdığı her yerde Invar kullanılır. İşte en yaygın kullanım alanları:
Hassas Saatler: Mekanik saatlerdeki denge yaylarının sıcaklıktan etkilenip saatin geri kalmasını veya ileri gitmesini engeller.
Bilimsel Ölçüm Cihazları: Sismik sürünme ölçerler, lazerler ve laboratuvar ekipmanları.
Havacılık ve Uzay: Kompozit malzemelerin kalıplanmasında kullanılır. Uçak parçaları fırınlanırken kalıbın genleşmemesi gerekir.
LNG Tankerleri: Sıvılaştırılmış doğalgaz -162 derece gibi çok düşük sıcaklıklarda taşınır. Tankların bu soğukta büzüşüp çatlamaması için Invar membranlar kullanılır.
Elektronik: Yüksek hassasiyetli elektronik çip üretim cihazlarında ve OLED ekran maskelerinde.
Her mühendislik malzemesi gibi Invar'ın da artıları ve eksileri vardır:
Mükemmel boyutsal kararlılık.
Kriyojenik (çok düşük) sıcaklıklarda bile yüksek performans.
Manyetik özelliklere sahip olması.
Maliyet: İçeriğindeki yüksek nikel oranı nedeniyle pahalı bir malzemedir.
İşlenebilirlik: "Sakız gibi" bir yapısı vardır. Talaşlı imalatta (kesme, delme) takımlara yapışabilir ve işlenmesi zordur.
Korozyon: Paslanmaz çelik kadar korozyona dayanıklı değildir, nemli ortamlarda paslanabilir.
Invar alaşımı, doğanın kurallarını esneten ender malzemelerden biridir. Charles Édouard Guillaume'un 100 yıl önceki keşfi, bugün hala okyanusların altındaki LNG gemilerinden uzaydaki uydulara kadar modern teknolojinin en hassas noktalarında bize hizmet etmeye devam ediyor.
