1896年瑞士物理學(xué)家C.E.Guialme發(fā)現(xiàn)了一種合金。這種合金在居里點附近熱膨脹系數(shù)顯著減少，出現(xiàn)所謂反常熱膨脹現(xiàn)象。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%的鐵和36%的鎳，呈面心立方結(jié)構(gòu)，其牌號為4J36，它的中文名字叫殷瓦鋼，英文名稱Invar，原本的含義是“不變的，一定的”。。這個性能優(yōu)越的合金對材料學(xué)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，其發(fā)現(xiàn)者C.E.Guilaume也因此獲得1920年的諾貝爾物理學(xué)獎，在歷史上他是第一位也是唯一的一位科學(xué)家因一項材料學(xué)成果而獲此殊榮的科學(xué)家。
因瓦效應(yīng)
因瓦合金自從19 世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)以來，人們就被它的巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力和所蘊含的豐富的物理內(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、石油運輸容器以及高科技產(chǎn)品等得到廣泛的應(yīng)用，因瓦合金也是許多冶金材料學(xué)家政力于開拓的新材料領(lǐng)域，其機理也是凝聚態(tài)物理學(xué)家尚待解決的難題。
一般來說，絕大多數(shù)金屬和合金都是在受熱時體積膨脹，冷卻時體積收縮，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因瓦合金在居里點以上的熱膨脹與一般合金相似，但在居里點以下形成反常熱膨脹。試驗表明，它的機理與化學(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)的增減會引起鐵、鎳合金線膨脹系數(shù)的急劇變化。當(dāng)合金中鎳的含量趨近于36%時，合金熱膨脹系數(shù)最低，從而可獲得低到接近零值甚至負(fù)值的熱膨脹系數(shù)。合金在居里溫度以上（230℃）失去了磁性，膨脹系數(shù)變大，而在居里點附近熱脹系數(shù)比正常的系數(shù)小，出現(xiàn)所謂的“負(fù)反?！爆F(xiàn)象。
因瓦合金的特性
因瓦合金屬于鐵基高鎳合金（一個字，貴），通常含有32%~36%的鎳，還含有少量的硫、磷、碳等元素，其余為60%左右的鐵。由于鎳為擴(kuò)大奧氏體元素（從物理化學(xué)的角度來講，鎳元素加入鋼中后以固溶體的形態(tài)存在，使得鋼以奧氏體存在時的自由能比以其他組織形式的存在要低，因此鎳也就成為了奧氏體穩(wěn)定化元素。），所以高鎳使奧氏體轉(zhuǎn)為馬氏體的相變降至室溫以下，因而經(jīng)退火后，因瓦合金在室溫及室溫以下一定溫度范圍內(nèi)，均為具有面心晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體組織，因而因瓦合金具有以下性能。
（1）膨脹系數(shù)小。因瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數(shù)一般為1.5×10^-6℃, 含鎳在36%時達(dá)到1.8×10^-8℃，且在室溫-80℃~+100℃時均不發(fā)生變化。
（2）強度、硬度不高。因瓦合金含碳量小于0.05%時，硬度和強度不高，抗拉強度在517MPa左右，屈服強度在276MPa左右，維氏硬度在160左右，一般可以通過冷變形來提高強度，在強度提高的同時仍具有良好的塑性。
（3）導(dǎo)熱系數(shù)低。因瓦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅為45號鋼導(dǎo)熱系數(shù)的1/3~1/4。
（4）塑性、韌性高。
（5）其它性能。由于因瓦合金含鎳較高，提高了鋼的淬透性和可淬性，提高了鋼的耐氣性，耐蝕性和耐磨性。通過因瓦合金的化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)、物理性能分析可知，因瓦合金的切削加工性與奧氏體不銹鋼類似。但比奧氏體不銹鋼還要難加工，所以因瓦合金在加工中主要具有切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等特點，因而因瓦合金在加工過程中，出現(xiàn)軟、粘和很大的塑性，切屑不易折斷，增加了切屑和前刀面的摩擦，加劇了刀具的磨損，這樣不僅降低了刀具的耐用度，而且降低了工件的加工精度。因而在加工因瓦合金加工時，必須采用高性能的硬質(zhì)合金涂層刀具和新的加工方法。解決因瓦合金的加工問題也是研發(fā)因瓦合金的課題之一。
因瓦合金和LNG
這一部分主要圍繞著GTT最著名的兩種貨物維護(hù)系統(tǒng)展開，今天先說NO96型。這一專利使用的殷瓦鋼是上述因瓦合金的一種，具有所有因瓦合金的特性，經(jīng)過特殊的工藝處理后更適合薄膜型貨物維護(hù)系統(tǒng)的建造。
1. NO96主次屏壁的主要部件。
主要部件包括：液貨艙薄膜（Membrane），絕熱木箱（Insulation Box），木箱四角調(diào)平墊塊（Wedge），木箱緊固裝置，樹脂繩（Resin Rope）。以下做分別介紹。
（1）液貨艙薄膜。也就是殷瓦鋼，它是NO96型液貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)中最重要的部分，它構(gòu)成了裝載低溫液貨的完整界限面，和絕熱木箱一起構(gòu)成了這一維護(hù)系統(tǒng)主屏壁和次屏壁。這兩層薄膜的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同，均為0.7毫米厚，500毫米寬的殷瓦鋼板條拼接而成。薄膜板條沿船長方向縱向鋪設(shè)，橫向采用拼接。
板條縱向與船體結(jié)構(gòu)的連接方式如下：
當(dāng)殷瓦鋼縱向鋪設(shè)至橫艙壁角隅處時中斷，通過搭接板與預(yù)制的殷瓦鋼管(Invar Tube)的面板焊接，而殷瓦鋼管的另一面則通過搭接板與焊接在橫艙壁上的錨板（Anchoring Bar）連接，從而使殷瓦鋼與相鄰結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)。這樣殷瓦鋼在縱向上，一方面與船體結(jié)構(gòu)一起參與總縱彎曲，承受與船體縱向結(jié)構(gòu)相同的應(yīng)力；另一方面，還由于貨艙溫度的變化承受熱應(yīng)力，應(yīng)力水平比較高。因此，搭接板與相鄰結(jié)構(gòu)的搭接焊縫的強度必須引起足夠的重視。該焊縫的抗拉強度和疲勞強度均應(yīng)滿足相應(yīng)要求。在與薄膜連接的構(gòu)件中，錨板也同樣參與總縱彎曲，并承受縱向的拉應(yīng)力，其與橫艙壁的角接焊縫的焊接質(zhì)量也是檢查和檢驗的重點。根據(jù)傳熱學(xué)計算，因薄膜的熱傳導(dǎo)作用，錨板處的溫度較低，必須采用不銹鋼等耐低溫材料。
殷瓦鋼的橫向連接型式：
該結(jié)構(gòu)型式是將536mm寬的殷瓦鋼折邊成500mm，相鄰板的折邊部分采用電阻焊（Seam resistance weld）與木箱上預(yù)先安裝、并且相對固定的舌型板（Tongue）焊接，從而形成液密的界限面，并且使殷瓦鋼能夠緊貼木箱表面，不發(fā)生過大的橫向和垂向位移。
采用這種結(jié)構(gòu)型式使薄膜在橫向有一定的延展性，可以通過折邊圓角半徑的變形，減小作用在薄膜上的橫向機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。在施工過程中，舌型板和殷瓦鋼都是通過半自動折邊機鋪設(shè)的。殷瓦鋼折邊的半徑要求相當(dāng)嚴(yán)格，比如0.7mm板的折角半徑一般應(yīng)為3～4mm 之間，如果半徑過小則會在折邊時使材料發(fā)生過大的塑性變形，對提高材料的疲勞強度不利；如果半徑過大則會因為殷瓦鋼得不到木箱的有效支撐，在貨物載荷的作用下，在焊縫上產(chǎn)生附加彎矩。舌形板與兩側(cè)的殷瓦鋼的焊接是由特別設(shè)計的自動電阻焊機來進(jìn)行的，如果不存在設(shè)備缺陷，則按規(guī)定的焊接參數(shù)完成焊接后，焊縫一般不會出現(xiàn)缺陷。由于大量采用自動焊，因此薄膜的焊接效率高，焊縫質(zhì)量有可靠保證，這也是NO 96 型比Mark III型薄膜液艙具有優(yōu)勢的方面。
（2）絕熱木箱（Insulation box）。
絕熱木箱分為第一層和第二層絕熱木箱，平面部分絕熱木箱的尺寸為：第一層木箱：
1200×1000×230mm；第二層木箱：1140×1000×300mm。絕熱木箱的面板、附件及內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)由特制的多層板（Plywood）拼成，用于木箱制作的多層板的材料性能需符合GTT制定的標(biāo)準(zhǔn)的要求。絕熱木箱加工制做的精度非常高，一般其尺寸精確至0.1mm。特別地，當(dāng)木箱頂表面的薄膜結(jié)構(gòu)存在厚度方向差異或以搭接方式連接時，還需在木箱表面做出相應(yīng)的臺階，以便對薄膜提供妥貼支持，防止在薄膜厚度方向產(chǎn)生剪力和附加彎曲應(yīng)力。在木箱的側(cè)板及內(nèi)部加強板上開有通氣孔，以便于氣體流通，使屏壁間處所惰化時，惰氣能夠均勻充滿整個空間，并且能夠在貨艙內(nèi)的天然氣發(fā)生泄漏時，能夠被安裝在屏壁間處所固定位置的探頭及時感知。木箱的內(nèi)部裝滿珍珠巖（Perlite）顆粒作為絕熱材料，珍珠巖顆粒的大小及含水量均有嚴(yán)格規(guī)定。珍珠巖向木箱內(nèi)的填充是在專用振蕩機上完成的，以保證填充的密實程度滿足對絕熱性能的要求。
由于在以前型式的液貨艙上，曾發(fā)生因貨物晃動載荷引起艙頂部分的絕熱木箱破裂，因此，將艙高30％以上高度的頂部絕熱木箱的強度加強，即制成所謂重箱（Heavy box）。自采取此項措施后，艙頂木箱未再因液貨晃動發(fā)生破壞。
（3）木箱緊固裝置
主、次層絕熱木箱都是通過緊固裝置與主船體結(jié)構(gòu)作相對固定的。該裝置是通過焊接在內(nèi)殼板上的螺栓基座（coupler base socket），將螺栓（coupler rod）固定在內(nèi)殼板上，然后通過螺栓頂部的螺帽、彈簧墊片（spring washer）、壓緊板（setting plate）等將緊固力傳遞到木箱側(cè)面的固定耳板（cleat）上，進(jìn)而將第二層木箱與內(nèi)殼板之間相對固定。第一層絕熱木箱的固定同樣是通過緊固螺栓（collar stud）將緊固力傳遞到第一層木箱的固定耳板上實現(xiàn)的。該螺栓的基座通過螺栓與其下層的壓緊板連接，進(jìn)而將所有緊固裝置連為一體，并將緊固力傳遞至船體結(jié)構(gòu)。在這些緊固件中，鄰近第二層薄膜的所有金屬部件均要求有耐低溫性能。
從以上布置可以看出，該緊固裝置所承受的所有拉力均通過最下面的螺栓基座傳遞給船體結(jié)構(gòu)。因此該基座與內(nèi)殼板之間的焊縫質(zhì)量有比較嚴(yán)格的要求，一般應(yīng)通過焊接工藝認(rèn)可試驗。實際施工過程中，該焊縫一般采用TIG自動焊完成，以保證焊接質(zhì)量。在該裝置中，第二層木箱固定用的彈簧墊片也起著非常重要的作用，它使得木箱可以在垂直方向發(fā)生較小的移動，以防止與其相鄰的船體內(nèi)殼結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致木箱承受較大彎曲應(yīng)力而損壞。在施工中，該彈簧墊片的數(shù)量可以為3~5個，其數(shù)量的選取需根據(jù)對貨艙不同部位在壓載水的壓力下內(nèi)殼結(jié)構(gòu)變形量的不同選取，以保證在變形量較大的區(qū)域，木箱可以產(chǎn)生較大的相對位移。同時，為了保證彈簧墊片能夠起到上述緩沖作用，緊固螺帽的緊固力也必須滿足設(shè)計要求。
（4）木箱四角調(diào)平墊塊（Wedge）
該墊塊由多層板制成，安裝于第二層木箱四角固定螺栓的基座處。其作用是調(diào)節(jié)木箱四個底角的高度，使整個貨艙長、寬、高度內(nèi)木箱的頂面在一個比較光順的曲面內(nèi)。每一箱角處的墊塊厚度是不同的，其厚度根據(jù)激光經(jīng)緯儀對內(nèi)殼表面平面度的測量結(jié)果經(jīng)計算得出。墊塊安裝后，木箱只需就位后上緊四角的固定螺栓即可保證木箱頂面在同一平面內(nèi)，避免了在每個木箱安裝時均須進(jìn)行的調(diào)平工作，方便了絕熱木箱的安裝。
（5）樹脂繩（Resin rope）
樹脂繩的主要作用是補償內(nèi)殼板的不平整，保證第二層絕熱木箱安裝后，木箱上表面處于同一平面內(nèi)。使鋪設(shè)于木箱表面的薄膜得到支持，并且僅受到薄膜平面內(nèi)的應(yīng)力作用，避免受到附加的剪力和彎矩。同時，該材料還應(yīng)具有足夠的強度，以承受通過薄膜和絕熱木箱傳遞的貨物載荷。為防止因鄰近船體結(jié)構(gòu)的變形而導(dǎo)致木箱損壞，在具體施工過程中，樹脂繩直接與木箱底部粘結(jié)在一起，但其與內(nèi)殼板之間鋪有一層牛皮紙(kraft paper)，使得木箱與樹脂繩可以通過特殊的系固螺栓布置，在與木箱平面垂直的方向上整體進(jìn)行有限度的相對移動，從而使船體結(jié)構(gòu)的變形不會導(dǎo)致木箱變形，并進(jìn)而影響木箱頂面的平面度。
在橫向艙壁與縱向艙壁連接的角隅處，絕熱木箱與內(nèi)殼板是通過樹脂繩相互粘連的。這一方面是由于這一區(qū)域結(jié)構(gòu)剛性較強，內(nèi)殼結(jié)構(gòu)不會發(fā)生較大變形從而引起木箱損壞；另一方面是由于該處結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，薄膜及其預(yù)制件的安裝精度要求較高。木箱與結(jié)構(gòu)粘結(jié)為一體，有助于在受力情況下仍然保證各部件的相對位置不發(fā)生較大變化，從而使薄膜及鄰近結(jié)構(gòu)的受力接近理想狀態(tài)。
在樹脂繩施工時，采用半自動流水線，通過圓形噴嘴將調(diào)和好的樹脂原料按一定位置鋪在木箱底面。噴嘴的直徑有多種規(guī)格，分別對應(yīng)于艙內(nèi)不同位置木箱所需的補償量，該補償量通過艙內(nèi)各平面平整度測量并經(jīng)計算得出。完成上述工序后，木箱底面的樹脂材料截面為圓形，固化前可隨意變形。在樹脂繩未固化前，將木箱安裝于對應(yīng)位置，并采用螺栓固定。（注意這時候一定不要手欠上去摸，不要問我怎么知道的。）由于樹脂繩可自由變形，因此可以補償和填充木箱底面和內(nèi)殼板之間的間隙。在固化后，樹脂繩將變得非常堅硬，保證木箱得到內(nèi)殼板的支持。
下次說MARK III型薄膜系統(tǒng)。MARK III薄膜系統(tǒng)是是托尼·斯塔克創(chuàng)造的第三套裝甲，也是托尼使用最多的裝甲。在電影《鋼鐵俠》中，托尼就是穿著MARK III裝甲去打擊恐怖分子。MARK III是第一套上色的裝甲，顏色為著名的、經(jīng)典的紅**，顏色主題源自托尼的跑車。
