هو الصلب المغناطيسي? دليل كامل للمغناطيسية الصلب

مقدمة

للوهلة الأولى, السؤال "هل الفولاذ مغناطيسي؟?"يبدو تافهاً. يلتصق مشبك الورق بمغناطيس الثلاجة - لذا نعم, الفولاذ مغناطيسي.

لكن اسأل مهندسًا يعمل بمكونات خطوط الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ, ويصبح الجواب: ذلك يعتمد.

الصلب ليس مادة واحدة; إنها عائلة من سبائك الحديد والكربون ذات هياكل مجهرية متنوعة على نطاق واسع.

بعض أنواع الفولاذ ذات مغناطيسية حديدية قوية, والبعض الآخر غير مغناطيسي تمامًا, وعدد قليل يقع بينهما.

يشرح هذا المقال مغناطيسية الفولاذ من خمس زوايا: الفيزياء الأساسية, علم البلورات, تكوين سبائك, تاريخ المعالجة, و الاختبار العملي.

بحلول النهاية, سوف تفهم ليس فقط سواء فولاذ معين مغناطيسي, لكن لماذا – وكيفية التنبؤ بهذا السلوك أو تعديله.

1. لماذا عادة ما يكون الفولاذ مغناطيسيًا؟

عادة ما يكون الفولاذ ممغنطًا لأن مراحله المعدنية الأكثر شيوعًا مبنية عليه حديد, والحديد عنصر مغناطيسي حديدي في أشكاله البلورية المتمركزة في الجسم.

من الناحية العملية, يتم التحكم في الاستجابة المغناطيسية للصلب عن طريق الهيكل البلوري, محاذاة دوران الإلكترون, و توازن المرحلة.

كلما احتوى الفولاذ على بنية من الحديد أو المارتنسيت, كلما كان انجذابه للمغناطيس أقوى بشكل عام.

التركيب البلوري كأساس للمغناطيسية

السلوك المغناطيسي للفولاذ ليس عشوائيًا. وهو متجذر في الطريقة التي يتم بها ترتيب ذرات الحديد في الشبكة البلورية وفي كيفية تفاعل إلكتروناتها غير المتزاوجة.

الفريت: المرحلة المغناطيسية الرئيسية

أهم مرحلة مغناطيسية في الفولاذ العادي هي ألفا الفريت, الذي لديه مكعب متمركز حول الجسم (نسخة مخفية الوجهة) الهيكل البلوري.

في هذا الترتيب, تسمح ذرات الحديد بمحاذاة المجالات المغناطيسية بسهولة, لذلك تظهر المادة مغناطيسية حديدية قوية.

هذا هو السبب في الكربون الصلب, الصلب منخفضة الصلب, والعديد من الفولاذ الإنشائي ينجذب بقوة إلى المغناطيس.

أوستنيت: المرحلة المغناطيسية الضعيفة أو غير المغناطيسية

على النقيض من ذلك, الأوستينيت لديه مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) بناء.

يغير هذا التغليف الذري الأكثر إحكامًا ترتيب الإلكترون ويمنع محاذاة المجال المغناطيسي بعيد المدى بنفس طريقة الفريت.

نتيجة ل, عادة ما يكون الفولاذ الأوستنيتي مغناطيسيًا ضعيفًا أو غير مغناطيسي تقريبًا في الحالة الملدنة.

martensite: المغناطيسي وتصلب

عندما يطفئ الفولاذ, يمكن أن يتحول الأوستينيت إلى مارتنسيت, هيكل رباعي الأضلاع متمحور حول الجسم مشتق من عائلة BCC.

يظل المارتنسيت مستجيبًا مغناطيسيًا, وهذا هو السبب في أن الفولاذ المقسى لا يزال مغناطيسيًا، وغالبًا ما يكون أقوى من الحالة الأوستنيتي التي جاء منها.

لماذا عادة ما يكون الفولاذ في درجة حرارة الغرفة مغناطيسيًا؟

في درجة حرارة الغرفة, تحتوي معظم أنواع الفولاذ الشائعة على الفريت, مارتنسيت, أو خليط من الاثنين معا. تحافظ هذه المراحل على محاذاة المجال اللازمة للمغناطيسية الحديدية.

هذا هو السبب في الفولاذ الهيكلي العادي, أداة الصلب, والعديد من سبائك الفولاذ تستجيب بقوة للمغناطيس دون أي معاملة خاصة.

الاستثناء الرئيسي هو الفولاذ الأوستنيتي, ولكن حتى أنها ليست دائمًا غير مغناطيسية تمامًا.

العمل البارد, تشكيل, أو يمكن أن يؤدي التشوه الشديد إلى حدوث تحول مارتنسيتي محلي ويجعلها مغناطيسية جزئيًا.

هكذا, الجواب العملي "هو الفولاذ المغناطيسي?" يكون: الفولاذ المغناطيسي مغناطيسي; يعتبر الفولاذ البارامغناطيسي غير مغناطيسي تقريبًا بالنسبة للمراقبة العرضية.

تأثير درجة حرارة كوري

تعتمد المغناطيسية في الفولاذ أيضًا على درجة الحرارة. كل مادة ذات مغناطيسية حديدية لها درجة حرارة كوري, وفوق ذلك يتغلب التحريض الحراري على ترتيب المجال المغناطيسي وتصبح المادة ممغنطة.

للحديد النقي, درجة حرارة كوري حوالي 770درجة مئوية. فوق هذه النقطة, يفقد الحديد مؤقتًا خواصه المغناطيسية.

عندما يبرد مرة أخرى, تعود المغناطيسية دون أي تغيير تركيبي دائم.

وهذا ما يفسر الملاحظة الصناعية المفيدة: قد يبدو الفولاذ غير مغناطيسي عندما يكون ساخنًا أثناء التشكيل, المعالجة الحرارية, أو الأوستنيتي, ولكنها تستعيد سلوكها المغناطيسي بعد التبريد.

وبالتالي فإن التغير المغناطيسي قابل للعكس ويحركه درجة الحرارة, ليس بالضرورة علامة على التغير الكيميائي.

2. السلوك المغناطيسي من قبل عائلة الصلب

من الناحية الهندسية العملية, كلما احتوت العائلة الفولاذية الفريت أو مارتنسيت, كلما كان أكثر مغناطيسية يميل إلى أن يكون.

كلما زاد استقراره في الأوستنيتي بناء, كلما أصبحت استجابتها المغناطيسية أضعف عادة.

عائلات الصلب المشتركة والسلوك المغناطيسي

3. ما الذي يغير الاستجابة المغناطيسية للصلب؟

الاستجابة المغناطيسية للفولاذ ليست ثابتة. يمكن أن يتغير مع تعبير, المعالجة الحرارية, تشوه, توازن المرحلة, ودرجة الحرارة.

من الناحية العملية, فالفولاذ الذي يبدو مغناطيسيًا بقوة في حالة ما قد يصبح أضعف, أقوى, أو متغير محليا في مكان آخر.

كيمياء السبائك

تؤثر عناصر صناعة السبائك في الفولاذ على المراحل التي تتشكل ومدى ثباتها.

• النيكل يميل إلى تثبيت الأوستينيت وتقليل الاستجابة المغناطيسية.
• الكروم يحسن مقاومة التآكل, ولكن في حد ذاته لا يزيل المغناطيسية.
• المنغنيز والنيتروجين يمكن أيضًا تثبيت البنية الأوستنيتي في بعض أنواع الفولاذ.
• الكربون يؤثر بشدة على قابلية التصلب ويمكن أن يعزز التحول المارتنسيتي بعد التبريد.

وهذا هو السبب في أن الفولاذ الكربوني العادي عادة ما يكون مغناطيسيًا بقوة, في حين أن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الذي يحتوي على نسبة كبيرة من النيكل قد يكون مغناطيسيًا ضعيفًا فقط.

المعالجة الحرارية

المعالجة الحرارية تغير البنية البلورية الداخلية للصلب, وهذا يغير المغناطيسية بشكل مباشر.

• الصلب يمكنه تليين الفولاذ وتغيير الاستجابة المغناطيسية اعتمادًا على المرحلة الحالية.
• التبريد يمكن تحويل الأوستينيت إلى مارتنسيت, مما يزيد عادة من المغناطيسية.
• هدأ يعدل المارتنسيت ولكنه بشكل عام لا يلغي السلوك المغناطيسي.
• الحل الصلب في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يمكن أن يقلل المغناطيسية عن طريق استعادة بنية الأوستنيتي الأكثر استقرارًا.

ولهذا السبب قد تظهر نفس السبيكة سلوكًا مغناطيسيًا مختلفًا قبل وبعد المعالجة الحرارية.

العمل البارد وتشوه البلاستيك

التشوه الميكانيكي يمكن أن يزيد من المغناطيسية, وخاصة في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.

الانحناء, المتداول, ختم, رسم, أو يمكن أن تتسبب الآلات الثقيلة في تحويل جزء من الأوستينيت إلى مارتنسيت.

والنتيجة هي الفولاذ الذي يصبح أكثر مغناطيسية بعد التشكيل مما كان عليه في الحالة الصلبة.

غالبًا ما يكون هذا التأثير أكثر وضوحًا في:

• أنابيب غير قابلة للصدأ عازمة,
• مكونات غير قابلة للصدأ مرسومة بعمق,
• ورقة توالت بشكل كبير,
• وأجزاء الأوستنيتي تشكيله مع سلالة المحلية.

توازن المرحلة

تعتمد الاستجابة المغناطيسية للفولاذ بشكل كبير على مقدارها الفريت, مارتنسيت, و الأوستينيت أنه يحتوي على.

• المزيد من الفريت → استجابة مغناطيسية أقوى
• المزيد من المارتنسيت ← استجابة مغناطيسية أقوى
• المزيد من الأوستينيت → استجابة مغناطيسية أضعف

وهذا مهم بشكل خاص في الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين, حيث يحدد التوازن بين الفريت والأوستينيت السلوك المغناطيسي العام.

بما أن الفولاذ المزدوج يحتوي على جزء من الحديد, عادة ما تكون مغناطيسية على الرغم من أنها ليست مغناطيسية بقوة مثل الفولاذ الكربوني العادي.

درجة حرارة

يمكن أن تؤدي درجة الحرارة إلى قمع المغناطيسية مؤقتًا في الفولاذ المغناطيسي.

فوق درجة حرارة كوري, تفقد المجالات المغناطيسية المطلوبة محاذاة وتصبح المادة ممغنطة.

بمجرد أن يبرد الفولاذ إلى ما دون تلك العتبة, تعود المغناطيسية.

وهذا يعني أن الفولاذ الساخن قد يبدو غير مغناطيسي أثناء عملية التشكيل أو المعالجة الحرارية, لكن هذا لا يعني أن المادة توقفت عن كونها فولاذية أو أنها فقدت خصائصها المغناطيسية بشكل دائم.

التغيير قابل للعكس وحراري.

حالة السطح والمعالجة المحلية

طحن السطح, لحام, طلقة نارية, بالقطع, والضغوط المتبقية يمكن أن تخلق تباينًا محليًا في الاستجابة المغناطيسية.

في بعض الفولاذ, يمكن أن تصبح الطبقة السطحية أكثر مغناطيسية من الطبقة الأساسية إذا خضع السطح للتحول الناجم عن الإجهاد أو تغير الطور الموضعي.

وهذا هو أحد الأسباب التي قد تجعل اختبار المغناطيس يظهر جاذبية غير متساوية عبر نفس الجزء.

4. اختيار المواد الموجهة نحو التطبيق بناءً على الأداء المغناطيسي للصلب

المغناطيسية الفولاذية ليست مجرد فضول مختبري. في الهندسة الحقيقية, إنه يؤثر سلوك التجميع, التوافق الاستشعار, إعادة التدوير, تقتيش, التفاعل الكهربائي, والملاءمة البيئية.

وبالتالي فإن الاختيار الصحيح ليس "الفولاذ المغناطيسي مقابل الفولاذ غير المغناطيسي" بالمعنى البسيط, لكن عائلة الفولاذ المناسبة للمتطلبات المغناطيسية للتطبيق.

عندما تكون المغناطيسية القوية مفيدة

عادة ما يكون الفولاذ المغناطيسي القوي هو الخيار الأفضل عندما تكون الاستجابة المغناطيسية مفيدة في التطبيق نفسه.

حالات الاستخدام النموذجية

• التصنيع الهيكلي والآلات العامة
• أنظمة التثبيت والتثبيت المغناطيسي
• فرز الخردة وإعادة تدويرها
• الفواصل المغناطيسية وأجهزة الإمساك
• المكونات المعرضة للاهتراء في الكربون, أداة, أو الفولاذ المارتنسيتي

في هذه الحالات, استجابة مغناطيسية قوية تساعد في التعامل, الانفصال, والاحتفاظ بالتركيبات.

الصلب الكربوني, الصلب منخفضة الصلب, أداة الصلب, غالبًا ما يتم تفضيل الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد أو المارتنسيت لأنها تجمع بين المنفعة الميكانيكية والجذب المغناطيسي الموثوق.

عندما تكون هناك حاجة إلى المغناطيسية المنخفضة

تتطلب بعض التطبيقات استجابة مغناطيسية ضعيفة جدًا أو سلوكًا شبه غير مغناطيسي.

في تلك الحالات, صلب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عادة ما تكون أول عائلة مادية يتم تقييمها.

حالات الاستخدام النموذجية

• المعدات الطبية والمخبرية
• التجمعات الإلكترونية الحساسة
• أنظمة القياس الدقيقة
• البيئات المرتبطة بالتصوير بالرنين المغناطيسي
• العلب والتركيبات الحساسة مغناطيسيا

في هذه الحالات, حتى المغناطيسية الطفيفة يمكن أن تتداخل مع الوظيفة.

الدرجات الأوستنيتي مثل 304 و 316 يتم اختيارها بشكل شائع لأنها عادة ما تكون مغناطيسية ضعيفة في حالة التلدين.

لكن, يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار حقيقة أن العمل البارد يمكن أن يزيد من المغناطيسية, لذا فإن معالجة التاريخ لا تقل أهمية عن الدرجة الاسمية.

عندما تكون المغناطيسية الخاضعة للرقابة مفيدة

لا تتطلب بعض التطبيقات الحد الأقصى من المغناطيسية أو الحد الأدنى من المغناطيسية. انهم بحاجة يمكن التنبؤ به, السلوك المغناطيسي المعتدل.

حالات الاستخدام النموذجية

• هياكل دوبلكس من الفولاذ المقاوم للصدأ
• معدات مقاومة للتآكل مع متطلبات الحاملة
• المكونات الصناعية المعرضة لبيئات الكلوريد
• تتطلب الأجزاء الحاملة للضغط قوة أفضل من 316L

يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج مثالًا قويًا. إنه يوفر قوة عالية ومقاومة للتآكل مع الحفاظ على المغناطيسية بسبب الكسر الحديدي.

يكون هذا مفيدًا عندما يجب أن يقاوم الجزء التشقق الناتج عن إجهاد الكلوريد ويظل يحتفظ بأداء ميكانيكي جيد.

الاستجابة المغناطيسية ليست هدف التصميم, ولكنها نتيجة متوقعة للبنية المجهرية.

5. الآثار العملية والمفاهيم الخاطئة

لماذا ثلاجة "الفولاذ المقاوم للصدأ" مغناطيسية؟?

العديد من أبواب الثلاجة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديديك (على سبيل المثال, 430), ليس الأوستنيتي.

الفولاذ الحديدي أرخص, لديه مقاومة جيدة للتآكل للاستخدام الداخلي, و مغناطيسي - مما يسمح للمغناطيس بالالتصاق بسهولة.

لو كانت ثلاجتك مصنوعة من 304, المغناطيس لن يلتصق.

هل يمكنني استخدام المغناطيس لفرز خردة الفولاذ؟?

نعم, ولكن مع التحذيرات:

• الصلب الكربوني, الحديدي, المارتنسيت → المغناطيسي → الخردة الحديدية.
• الأوستنيتي غير القابل للصدأ (304, 316) ← غير مغناطيسية ← خردة مقاومة للصدأ عالية القيمة.
• دوبلكس غير قابل للصدأ ← مغناطيسي ضعيف ← يمكن أن يتم فرزه بشكل خاطئ إذا لم يكن حذرًا.
• الأوستنيتي المعالج على البارد → قد يكون مغناطيسيًا ضعيفًا, إرباك فارز.

هل "الفولاذ غير المغناطيسي" غير مغناطيسي تمامًا؟?

لا. حتى الفولاذ الأوستنيتي لديه نفاذية مغناطيسية >1. في المجالات المغناطيسية القوية (على سبيل المثال, آلات التصوير بالرنين المغناطيسي), أنها تنتج جاذبية صغيرة ولكن قابلة للقياس.

للتطبيقات التي تتطلب لأقصى حد حساسية مغناطيسية منخفضة (على سبيل المثال, أنابيب الرنين المغناطيسي النووي), يتم استخدام سبائك خاصة مثل MP35N أو التيتانيوم.

هل يمكنني إزالة مغناطيسية الفولاذ المغناطيسي؟?

نعم, ولكن مع القيود:

• للصلب الكربوني: تطبيق بالتناوب, انخفاض المجال المغناطيسي (مغناطيسية). لكن, تبقى الطبيعة المغناطيسية للصلب; يمكن إعادة مغنطتها بسهولة.
• للمارتنسيت الناجم عن السلالة في الفولاذ الأوستنيتي: التلدين بمحلول بدرجة حرارة عالية (1050درجة مئوية) سوف يستعيد الأوستينيت غير المغناطيسي, القضاء على المغناطيسية. لكن هذا غير عملي بالنسبة للتجمعات الكبيرة.

6. خاتمة

"هو الصلب المغناطيسي?لا يمكن الإجابة عليه بنعم أو لا. الجواب الصحيح هو:

يكون الفولاذ ممغنطًا إذا كان تركيبه البلوري في درجة حرارة الغرفة مكعبًا متمركزًا حول الجسم (نسخة مخفية الوجهة) أو رباعي الأضلاع متمركز حول الجسم (الفريق القتالي).

إنه غير مغناطيسي (ممغنطيسي) إذا كان هيكلها مكعبًا محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية).

إن فهم علم المعادن وراء المغناطيسية يسمح للمهندسين باختيار الفولاذ المناسب للتطبيقات التي تتراوح بين الطبطبات المغناطيسية (حيث هناك حاجة إلى المغناطيسية القوية) إلى الأدوات الجراحية المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي (حيث يُحظر حتى تتبع المغناطيسية).

اختبر دائمًا بطريقة معايرة, ولا تعتمد أبدًا على اختبار المغناطيس البسيط وحده للتحقق من المواد المهمة.

 

الأسئلة الشائعة

يمكن أن يتحول 316L غير المغناطيسي إلى مغناطيسي بعد اللحام?

يترسب فريت الدلتا المحلي داخل منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة أثناء التبريد غير المتساوي, توليد مغناطيسية جزئية باهتة بالقرب من طبقات اللحام; لا تزال لوحة القاعدة الشاملة تحتفظ بميزة غير مغناطيسية.

لماذا يعتبر الأوستينيت عالي النيكل غير مغناطيسي بينما الفولاذ المقاوم للصدأ من الفريت منخفض النيكل مغناطيسي?

يعمل النيكل على تثبيت شبكة الأوستينيت FCC التي تعطل ترتيب المجال المغناطيسي المطلوب; لا يمكن لتركيبة الكروم والنيكل المنخفضة أن تمنع تكوين الفريت BCC بالمغناطيسية الحديدية المتأصلة.

هل تؤثر مغناطيسية الفولاذ المقاوم للصدأ على قدرته المضادة للتآكل؟?

لا تغير المغناطيسية الجزئية الناتجة عن التشوه قدرة تكوين طبقة الكروم السلبية في السبائك;

تظل مقاومة التآكل متوافقة مع مواصفات الدرجة الأصلية بغض النظر عن الاختلاف المغناطيسي المحلي البسيط.

هل هناك أي الفولاذ الأوستنيتي المغناطيسي?

نعم, ولكن ليس شائعا. بعض عالية المنغنيز, فولاذ عالي الألمنيوم (ما يسمى "غير المغناطيسي" في الواقع) يمكن أن تكون مغناطيسية عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

في درجة حرارة الغرفة, لا يوجد فولاذ مقاوم للصدأ تجاري أوستنيتي مستقر يتمتع بمغناطيسية حديدية.