Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) - физическая величина, характеризующая относительное изменение линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 °К при постоянном давлении.
Прецизионные сплавы с заданным ТКЛР - материалы, для которых регламентировано значение данного коэффициента в определенных интервалах температур. То есть эти сплавы гарантируют заранее известное изменение линейных размеров изделия в заданном температурном диапазоне.
Рассматриваемые материалы отличаются достаточной прочностью и высокой пластичностью, что позволяет изготавливать из них продукцию широкого сортамента.
Можно выделить несколько химических систем, на основе которых строятся сплавы с заданным ТКЛР. Для магнитных материалов это железо-никель (Fe-Ni) и железо-хром (Fe-Cr). Они имеют минимальный, низкий и средний коэффициент. Для немагнитных базой являются системы на основе хрома (Cr) с легирующими добавками в виде железа (Fe), марганца (Mn), рения (Re), тантала (Ta) и др. Они дают минимальный и низкий коэффициент. Средний температурный коэффициент характерен для сплавов на базе никеля (Ni) с добавками молибдена (Mo), вольфрама (Wo), хрома (Cr), марганца (Mn); на базе циркония (Zr) с легирующим элементом в виде титана (Ti); на основе титана (Ti) с легированием молибденом (Mo) и ванадием (V). Системы марганец-никель-медь (Mn-Ni-Cu) имеют высокий температурный коэффициент.
Основными факторами, влияющими на характеристики материалов, являются химический состав, технология производства и ряд других особенностей.
С практической точки зрения для прецизионных сплавов рассматриваемой группы самым важным является температурный коэффициент линейного расширения. Условно его значения можно классифицировать как минимальные, низкие, средние, высокие.
Также важными являются технологические, физические, механические и химические свойства. Первые определяют, какой тип продукции и каким способом можно изготовить. Остальные определяют эксплуатационные характеристики (максимальные рабочие температуры, механические нагрузки, среда и так далее). В общем для всех групп сплавов можно отметить хорошую пластичность (определяет возможность обработки давлением) и достаточную прочность.
Химический состав и прочие требования к ним регламентируются стандартами ГОСТ 10994-74.
В метрологии, криогенной, радиоэлектронной технике и геодезии используют сплавы со значением ТКЛР порядка 10-6 K-1 и ниже. Величины температурного коэффициента, близкие к нулевому значению, необходимы для обеспечения высокой точности измерительного инструмента, создания стабильных эталонов длины, газовых лазеров, а также сооружения бескомпенсационных трубопроводов для перекачки сжиженных газов.
Большинство конструкций электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов имеет спаи металла с неорганическим диэлектриком (например, стеклом, керамикой, слюдой), к которым предъявляются высокие требования по вакуумной плотности. Большинство из них имеет ТКЛР ниже, чем у обычных металлов и сплавов. Чтобы получить герметичные спаи стекла, керамики или полупроводников со сплавами, необходимо иметь соответствие тепловых коэффициентов для соединяемой пары в технологическом и эксплуатационном интервалах температур. Допустимые различия в значениях ТКЛР соединяемых материалов зависят от конструкции спая, свойств окисной пленки, качества спая, пластичности материала. В случае большого различия теплового расширения сплава и неорганического диэлектрика возникающие напряжения приводят к образованию трещин в спаях и к потере герметичности в процессе работы узла прибора.
Ферромагнитные материалы с минимальным ТКЛР применяются в точном приборостроении для различных деталей измерительных приборов, в метрологии, геодезии, в качестве составляющих термобиметаллов, для базисных устройств газовых лазеров, трубопроводов для криогенных жидкостей и т.п. Выбор сплава производится с учетом его ТКЛР, механических свойств устойчивости к фазовым превращениям в интервале рабочих температур и нагрузок. Материалы из этой же группы но с низким и средним ТКЛР нашли применение в производстве многочисленных электровакуумных приборов (приемо-усилительные лампы, магнетроны, клистроны, телевизионные трубки и т. д., герметичные вводы и корпуса полупроводниковых приборов). Выбор сплавов проводится с учетом характеристик теплового расширения неорганических диэлектриков или других материалов, спаи с которыми должны быть получены, а также с учетом требований к физическим и механическим свойствам сплавов. Рассматриваемые материалы используются также в точном приборостроении в качестве элементов приборов и для штриховых мер длины в станкостроении.
В связи с развитием радиоэлектроники потребовались металлические материалы с минимальным температурным коэффициентом расширения на неферромагнитных основах. Ферромагнетизм сплавов на железоникелевых основах не позволяет использовать их в некоторых приборах, где магнитное поле, наводимое остаточным ферромагнетизмом, является недопустимым. Поэтому возникла необходимость в материалах с минимальным коэффициентом расширения, не обладающих ферромагнетизмом. Сплавы применяются для согласованных и не полностью согласованных соединений с металлами, сплавами, керамическими материалами и стеклами, в том числе для спаев, работающих при повышенных температурах, для составляющих термобиметаллов, для исходных мер длины - эталонов оптико-механических дилатометров.