Mechanical properties of a new Fe-Ni-based Invar alloy doped with Ti, V and C

R.R. Timiryaev, O.R. Valiakhmetov, I.I. Musabirov ORCID logo , K.A. Krylova, R.M. Imayev, R.R. Mulyukov show affiliations and emails
Received 26 September 2025; Accepted 29 October 2025;
Citation: R.R. Timiryaev, O.R. Valiakhmetov, I.I. Musabirov, K.A. Krylova, R.M. Imayev, R.R. Mulyukov. Mechanical properties of a new Fe-Ni-based Invar alloy doped with Ti, V and C. Lett. Mater., 2025, 15(4) 317-323
BibTex   https://doi.org/10.48612/letters/2025-4-317-323

Abstract

The new Fe-32Ni-2.7(Ti, V, C) Invar alloy demonstrates high strength after hot forging and thermal treatment while maintaining acceptable ductility and a low coefficient of thermal expansion.The Fe-36 wt.% Ni binary Invar alloy has low mechanical strength, with an ultimate tensile strength (σUTS) of less than 500 MPa. This greatly limits its practical applications. An increase in mechanical properties was achieved by the development of a new Invar alloy, Fe-32 wt.% Ni-2.7 wt.% (Ti, V, C). Alloying the binary alloy with carbon, titanium and vanadium, followed by deformation and heat treatment, allows increasing the ultimate tensile strength to σUTS =1185 ± 3 MPa, which is more than twice that of classical Invar. At the same time, it retains acceptable ductility (δ = 4.6 ± 0.3 %) and a low coefficient of thermal expansion at room temperature (about 1.2 ×10−6 K−1). The high strength of the new Invar alloy can be explained by the fact that, as a result of alloying followed by deformation and heat treatment, several hardening mechanisms are implemented, namely, dispersion, solid-solution, deformation and grain-boundary ones. However, the study showed that the potential for dispersion strengthening is not realized to its fullest extent due to carbide coarsening during hot forging and incomplete dissolution during further annealing. Further work will focus on optimizing the hot working and heat treatment parameters to prevent carbide growth and increase the strength of the alloy. These results will enable the use of the new Invar alloy in advanced industrial sectors where high accuracy, dimensional stability and the ability to withstand significant mechanical loads are required.

References (21)

1. GTT - Technology for a Sustainable World, Available online: https://stg-gtt.com (accessed 23 September, 2025).
2. Improving the reliability and energy efficiency of 35-750 kV power transmission lines and railway contact networks through the use of plastically deformed products, Available online: https://metsbytservis.ru/attachments/razrabotka-modifikatsiiy-plasticheski-deformirovannyih-provodov.pdf (accessed 23 September, 2025). (in Russian) [Повышение надежности и энергоэффективности линий электропередач 35-750 кВ и контактной сети железных дорог за счет применения пластически деформированных изделий, Available online https://metsbytservis.ru/attachments/razrabotka-modifikatsiiy-plasticheski-deformirovannyih-provodov.pdf (обращение: 23 сентября 2025).].
3. V. V. Avdeev, A. V. Kepman, A. V. Babkin, E. S. Afanaseva, A. A. Kuznetsova, E. M. Erdni-Goryaev, M. Y. Yablokova, Equipment for forming products of polymer composite materials and method of its manufacture. Patent RU №2630798C1, 2017. (in Russian) [В. В. Авдеев, А. В. Кепман, А. В. Бабкин, Е. С. Афанасьева, А. А. Кузнецова, Э. М. Эрдни-Горяев, М. Ю. Яблокова, Оснастка для формирования изделий из полимерных композиционных материалов и способ ее изготовления. Патент РФ № 2630798C1, 2017.].
8. M. V. Chukin, E. M. Golubchik, A. S. Kuznetsova, Yu. L. Rodionov, I. A. Korms, N. Yu. Bukhvalov, A. V. Kasatkin, D. P. Poduzov, Development of multifunctional alloy invarnogo class compositions with enhanced performance, Vestnik of NMSTU 3 (2013) 62 - 65. (in Russian) [М. В. Чукин, Э. М. Голубчик, А. С. Кузнецова, Ю. Л. Родионов, И. А. Кормс, Н. Ю. Бухвалов, А. В. Касаткин, Д. П. Подузов, Разработка композиций многофункциональных сплавов инварного класса с расширенными эксплуатационными характеристиками, Вестник МГТУ им. Г. И. Носова 3 (2013) 62 - 65.].
9. M. P. Baryshnikov, E. M. Golubchik, N. V. Koptseva, Ju. Ju. Efimova, A. S. Kuznetsova, M. B. Gitman, Study on properties of high-strength invar alloys new generation, Processing of solid and faminate materials 2 (2015) 13 - 18. (in Russian) [М. П. Барышников, Э. М. Голубчик, Н. В. Копцева, Ю. Ю. Ефимова, А. С. Кузнецова, М. Б. Гитман, Исследование свойств высокопрочных инварных сплавов нового поколения, Обработка сплошных и слоистых материалов 2 (2015), 13 - 18.].
10. M. V. Chukin, E. M. Golubchik, A. S. Kuznetsova, G.S. Gun, N.M. Koptseva, Yu.Yu. Efimova, D.M. Chukin, A.N. Matushkin, The study of physical and mechanical properties and structure of high-strength alloys of invar all-in-one-generation class, Vestnik of NMSTU 1 (2014) 43 - 46. (in Russian) [М. В. Чукин, Э. В. Голубчик, Г. С. Гун, Н. В. Копцева, Ю. Ю. Ефимова, Д. М. Чукин, А. Н. Матушкин, Исследование физико-механических свойств и структуры высокопрочных многофункциональных сплавов инварного класса нового поколения, Вестник МГТУ им. Г. И. Носова 1 (2014) 43 - 46.].
11. M. V. Chukin, E. M. Golubchyk, A. S. Kuznetsova, E. M. Medvedev, Development of innovative technology for the new generation high strength invar alloys, Processing of solid and faminate materials 1 (2013) 65 - 69. (in Russian) [М. В. Чукин, Э. М. Голубчик, А. С. Кузнецова, Е. М. Медведева, Разработка инновационной технологии производства высокопрочных инварных сплавов нового поколения, Обработка сплошных и слоистых материалов 1 (2013) 65 - 69.].
12. N. V. Koptseva, D. M. Chukin, O. A. Nikytenko, Yu. Yu. Efimova, E. M. Golubchyk, N. N. Ilyina, Peculiarities of structure formation during quenching of high-strength invar alloys with a low temperature coefficient of linear expansion, Processing of solid and faminate materials 1 (2014) 27 - 32. (in Russian) [Н. В. Копцева, Д. М. Чукин, О. А. Никитенко, Ю. Ю. Ефимова, Э. М. Голубчик, Н. Н. Ильина, Особенности формирования структуры при закалке высокопрочных инварных сплавов с низким температурным коэффициентом линейного расширения, Обработка сплошных и слоистых материалов 1 (2014) 27 - 32.].
13. R. R. Mulyukov, A. A. Nazarov, R. M. Imayev, Principles of fabrication of volumetric UGM and nanostructured materials by the multiple isothermal forging, Prospective materials spec. issue 7 (2009) 130 -134. (in Russian) [Р. Р. Мулюков, А. А. Назаров, Р. М. Имаев, Принципы получения объемных УМЗ и наноструктурных материалов методом всесторонней изотермической ковки, Перспективные материалы спец. выпуск 7 (2009) 130 -134.].
14. R. R. Mulyukov, R. M. Imayev, A. A. Nazarov, M. F. Imayev, V. M. Imayev (Eds.), Principles of obtaining ultrafine-grained materials, in: Superplasticity of ultrafine-grained materials: experiment, theory, practice, IMSP RAS, Moscow, Nauka, 2014, 284 p. (in Russian) [Р. Р. Мулюков, Р. М. Имаев, А. А. Назаров, М. Ф. Имаев, В. М. Имаев (Ред.), Принципы получения ультрамелкозернистых материалов, Глава в монографии: Сверхпластичность ультрамелкозернимстых материалов: эксперимент, теория, практика, ИПСМ РАН, Москва, Наука, 2014, 284.].
15. R. R. Mulyukov, R. M. Imayev, A. A. Nazarov, Principles of obtaining ultrafine-grained materials, Scientific and technical bulletins of SPbPU. Physical and mathematical sciences 4 - 1 (182) (2013) 190 - 203. (in Russian) [Р. Р. Мулюков, Р. М. Имаев, А. А. Назаров, Принципы получения ультрамелкозернистых материалов, Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 4 - 1 (182) (2013) 190 - 203.].

Funding

1. State Assignment of IMSP RAS -