Уводзіны
На першы погляд, пытанне «Ці магнітная сталь?» здаецца дробязным. Скрепка прыліпае да магніта на халадзільнік - так, сталь магнітная.
Але спытайцеся ў інжынера, які працуе з кампанентамі трубаправода з нержавеючай сталі, і адказ становіцца: гэта залежыць.
Сталь - гэта не адзіны матэрыял; гэта сямейства жалеза-вугляродзістых сплаваў з рознымі мікраструктурамі.
Некаторыя сталі моцна ферамагнітныя, іншыя зусім немагнітныя, і некалькі трапляюць паміж імі.
У гэтым артыкуле разглядаецца магнетызм сталі з пяці бакоў: фундаментальная фізіка, крышталяграфія, склад сплаву, гісторыя апрацоўкі, і практычная праверка.
Да канца, вы зразумееце не толькі будзь дадзеная сталь магнітная, але чаму – і як прадбачыць або змяніць гэтыя паводзіны.
1. Чаму сталь звычайна магнітная
Сталь звычайна з'яўляецца магнітнай, таму што на ёй заснаваны найбольш распаўсюджаныя металургічныя фазы жалеза, і жалеза з'яўляецца ферамагнітным элементам у яго аб'ёмна-цэнтрычных крышталічных формах.
На практыцы, магнітная рэакцыя сталі кантралюецца крышталічная структура, выраўноўванне спіна электрона, і баланс фаз.
Чым больш сталь змяшчае ферытных або мартенситных структуры, тым мацнейшым будзе яго прыцягненне да магніта.
Крышталічная структура як аснова магнетызму
Магнітныя паводзіны сталі не выпадковыя. Гэта караніцца ў тым, як атамы жалеза размешчаны ў крышталічнай рашотцы і ў тым, як іх няпарныя электроны ўзаемадзейнічаюць.
Ферытавы: асноўнай магнітнай фазы
Найбольш важнай магнітнай фазай у звычайнай сталі з'яўляецца альфа-ферыт, які мае а целацэнтрычны куб (БКК) крышталічная структура.
У такім парадку, атамы жалеза дазваляюць магнітным даменам лёгка выраўноўвацца, таму матэрыял паказвае моцны ферамагнетызм.
Вось чаму вугляродзістай сталі, нізкалегаванай сталі, і многія канструкцыйныя сталі моцна прыцягваюцца да магніта.
Аўстэніты: слабамагнітная або немагнітная фаза
Наадварот, аустениты мае а гранецэнтрычны куб (FCC) структура.
Гэтая больш шчыльная ўпакоўка атамаў змяняе размяшчэнне электронаў і прадухіляе выраўноўванне магнітных даменаў далёкага дзеяння гэтак жа, як і ферыт.
У выніку, аўстэнітная сталь звычайна слабамагнітная або амаль немагнітная ў отожженном стане.
Мартэнсіт: магнітныя і загартаваныя
Пры загартоўцы сталі, аустенит можа ператварацца ў мартэнсіт, целацэнтрычная тэтраганальная структура, якая паходзіць з сямейства BCC.
Мартэнсіт застаецца магнетычна рэагуючым, вось чаму загартаваныя сталі па-ранейшаму з'яўляюцца магнітнымі і часта нават больш моцнымі, чым аўстэнітныя ўмовы, з якіх яны паходзяць.
Чаму сталь пакаёвай тэмпературы звычайна магнітная
Пры пакаёвай тэмпературы, найбольш распаўсюджаныя сталі ўтрымліваюць альбо ферыт, мартэнсіт, або сумесь абодвух. Гэтыя фазы захоўваюць выраўноўванне даменаў, неабходнае для ферамагнетызму.
Таму звычайная канструкцыйная сталь, інструментальная сталь, і многія легаваныя сталі моцна рэагуюць на магніт без якой-небудзь спецыяльнай апрацоўкі.
Аўстэнітныя сталі - галоўнае выключэнне, але нават яны не заўсёды цалкам немагнітныя.
Халодная праца, фарміраванне, або моцная дэфармацыя можа стварыць мясцовае мартенситное пераўтварэнне і зрабіць іх часткова магнітнымі.
| Магнітныя паводзіны | Апісанне | Сустракаецца ў сталі? |
| Ферамагнітны | Моцнае прыцягненне; захоўвае магнетызм (гістэрэзіс) | Так - большасць вугляродзістай сталі, ферытная нержавеючая, мартенситная нержавеючая |
| Парамагнітны | Слабы, часовае прыцягненне; няма гістарэзісу | Так - аўстэнітныя нержавеючыя сталі (e.g., 304, 316) |
| Антыферамагнітныя | Няма чыстай намагнічанасці; магнітныя моманты адмяняюцца | Ніякі |
| Дыямагнітныя | Вельмі слабое адштурхванне; гэта ёсць ва ўсіх матэрыялах | Ніякі (перагружаны больш моцнымі эфектамі ў сталі) |
Так, практычны адказ «магнітная сталь?” ёсць: ферамагнітныя сталі магнітныя; парамагнітныя сталі амаль немагнітныя пры выпадковым назіранні.
Тэмпературны эфект Кюры
Магнетызм сталі таксама залежыць ад тэмпературы. Кожны ферамагнітны матэрыял мае a Тэмпература Кюры, вышэй якога цеплавое перамешванне пераадольвае ўпарадкаванне магнітнага дамена, і матэрыял становіцца парамагнітным.
Для чыстага жалеза, тэмпература Кюры складае каля 770° С. Над гэтай кропкай, жалеза часова губляе ферамагнетызм.
Калі астыне назад, магнетызм вяртаецца без пастаяннай змены складу.
Гэта тлумачыць карыснае прамысловае назіранне: сталь можа выглядаць немагнітнай, пакуль яна гарачая падчас кавання, тэрмічная апрацоўка, або аустенитизирующий, але аднавіць свае магнітныя паводзіны пасля астуджэння.
Такім чынам, магнітнае змяненне зварачальна і залежыць ад тэмпературы, не абавязкова прыкмета хімічных змен.
2. Magnetic Behavior ад Steel Family
У практычным інжынерным плане, чым больш утрымлівае сталёвая сям'я ферыт або мартэнсіт, тым больш ён магнетычны.
Тым больш ён стабілізуецца ў ан аўстэнітны структура, тым слабей звычайна становіцца яго магнітная рэакцыя.
Агульныя сем'і сталі і магнітныя паводзіны
| Сталёвая сям'я | Агульныя гатункі / тыпаў | Тыповыя магнітныя паводзіны | Тэхнічная запіска |
| Вугляродзістай сталі | Асі 1010, 1018, 1020, 1045, 1095 | Моцна магнітны | Большасць вугляродзістых сталей змяшчае ферыт і/або мартэнсіт, таму яны звычайна моцна прыцягваюцца магнітам. |
| Низколегированная сталь | 4140, 4340, 8620, 4130 | Моцна магнітны | Легіраванне не здымае магнетызм, калі яно моцна не стабілізуе аўстэніт; большасць низколегированных сталей застаюцца магнітнымі. |
| Легаваная сталь | Хромомолибденовая сталь, хромоникелевая сталь, канструкцыйная легаваная сталь | Звычайна магнітныя | «Лёгаваная сталь» - шырокая катэгорыя; большасць марак па-ранейшаму з'яўляюцца ферытнымі або мартенситными і, такім чынам, магнітнымі. |
| Канструкцыйная сталь | ASTM A36, Q235, S235, S355 | Моцна магнітны | Шырока выкарыстоўваюцца канструкцыйныя сталі, як правіла, ферытныя і выразна рэагуюць на магніты. |
| Інструментальная сталь | D2, O1, A2, H13, W1 | Моцна магнітны | Інструментальныя сталі часта з'яўляюцца магнітнымі нават пасля тэрмічнай апрацоўкі, таму што мартенсит з'яўляецца дамінуючай фазай. |
Рэсорная сталь |
5160, 1075, 1095 спружынная сталь | Моцна магнітны | Высокавугляродзістыя спружынныя сталі пасля тэрмічнай апрацоўкі звычайна становяцца мартэнсітнымі і застаюцца моцнымі магнітнымі. |
| Сталь падшыпнікавая | Асі 52100 | Моцна магнітны | Высокавугляродзістая хромістая сталь звычайна з'яўляецца магнітнай дзякуючы сваёй мартенситной матрыцы. |
| Выветрыванне сталі | Кортэн А, Кортэн Б | Моцна магнітны | Устойлівыя да атмасфернага ўздзеяння сталі па-ранейшаму з'яўляюцца канструкцыйнымі сталямі на аснове жалеза і захоўваюць моцны магнітны водгук. |
| Электратэхнічная сталь / крэмніевая сталь | М19, М27, 1008 электратэхнічная сталь | Магнітныя, часта распрацаваны для кантраляванага магнетызму | Гэтыя сталі спецыяльна распрацаваны для магнітных характарыстык у рухавіках і трансфарматарах. |
| Ферытная нержавеючая сталь | 409, 430, 439 | Магнітныя | Ферытныя нержавеючыя сталі застаюцца магнітнымі, таму што іх структура ферытная, не аўстэнітны. |
Мартэнсітная нержавеючая сталь |
410, 420, 440C | Моцна магнітны | Гэтыя маркі магнітныя і загартоўваюцца. |
| Дуплекс з нержавеючай сталі | 2205, 2507 | Магнітныя | Дуплексныя сталі ўтрымліваюць як ферыт, так і аўстэніт, таму яны праяўляюць прыкметны магнетызм. |
| Аўстэнітная нержавеючая сталь | 304, 316, 316L, 321 | Звычайна ад слабамагнітных да амаль немагнітных | У отожженном стане яны звычайна немагнітныя або слаба магнітныя; халодная праца можа павялічыць магнетызм. |
| Дыспансерная нержавеючая сталь | 17-4Ph, 15-5Ph, 13-8Мо | Звычайна магнітныя | Гэтыя гатункі часта паказваюць магнітную рэакцыю з-за іх змешанай структуры і стану тэрмічнай апрацоўкі. |
3. Што змяняе магнітны водгук сталі
Магнітная рэакцыя Steel не фіксуецца. Гэта можа змяніцца з склад, тэрмічная апрацоўка, дэфармацыя, баланс фаз, і тэмпература.
На практыцы, сталь, якая ў пэўных умовах выглядае моцна магнітнай, можа стаць слабейшай, мацней, або лакальна зменнай у іншым.
Хімія легіравання
Легіруючыя элементы ў сталі ўплываюць на тое, якія фазы ўтвараюцца і наколькі яны застаюцца стабільнымі.
- Нік імкнецца стабілізаваць аўстэніт і паменшыць магнітны водгук.
- Хром павышае ўстойлівасць да карозіі, але сам па сабе не здымае магнетызм.
- Марганец і азот можа таксама стабілізаваць аўстэнітную структуру ў некаторых сталях.
- Вуглярод моцна ўплывае на прокаливаемость і можа спрыяць мартенситному пераўтварэнню пасля загартоўкі.
Вось чаму простая вугляродзістая сталь звычайна моцна магнітная, у той час як аўстэнітная нержавеючая сталь са значным утрыманнем нікеля можа быць толькі слабамагнітнай.
Тэрмічная апрацоўка
Тэрмічная апрацоўка змяняе ўнутраную крышталічную структуру сталі, і гэта непасрэдна змяняе магнетызм.
- Адпачынку можа змякчыць сталь і змяніць магнітны водгук у залежнасці ад прысутнай фазы.
- Тушэнне можа пераўтварыць аўстэніт у мартэнсіт, што звычайна павялічвае магнетызм.
- Загармаванне змяняе мартэнсіт, але ў цэлым не ліквідуе магнітныя паводзіны.
- Адпал раствора у аўстэнітнай нержавеючай сталі можа паменшыць магнетызм шляхам аднаўлення больш стабільнай аўстэнітнай структуры.
Вось чаму адзін і той жа сплаў можа паказваць розныя магнітныя паводзіны да і пасля тэрмаапрацоўкі.
Халодная апрацоўка і пластычная дэфармацыя
Механічная дэфармацыя можа павялічыць магнетызм, асабліва ў аустенитной нержавеючай сталі.
Згінанне, скрутка, марнаванне, малюнак, або цяжкая механічная апрацоўка можа прывесці да таго, што частка аустенита ператворыцца ў мартенсит.
У выніку атрымліваецца сталь, якая пасля фармавання становіцца больш магнітнай, чым у отожженном стане.
Гэты эфект часта найбольш прыкметны ў:
- гнутая нержавеючая трубка,
- кампаненты з нержавеючай глыбокай выцяжкі,
- моцна згорнуты ліст,
- і апрацаваныя аўстэнітныя дэталі з лакальнай дэфармацыяй.
Фазавы баланс
Магнітная рэакцыя сталі ў значнай ступені залежыць ад таго, колькі ферыт, мартэнсіт, і аустениты ён змяшчае.
- Больш ферыту → мацнейшы магнітны водгук
- Больш мартэнсіту → мацнейшая магнітная рэакцыя
- Больш аўстэніту → слабейшы магнітны адказ
Гэта асабліва важна для дуплекснай нержавеючай сталі, дзе баланс паміж ферытам і аўстэнітам вызначае агульныя магнітныя паводзіны.
Так як дуплексныя сталі ўтрымліваюць ферритных фракцыю, яны звычайна магнітныя, нават калі яны не такія моцныя, як звычайная вугляродзістая сталь.
Тэмпература
Тэмпература можа часова здушыць магнетызм у ферамагнітнай сталі.
Над Тэмпература Кюры, упарадкаваныя магнітныя дамены губляюць выраўноўванне, і матэрыял становіцца парамагнітным.
Як толькі сталь астыне ніжэй за гэты парог, магнетызм вяртаецца.
Гэта азначае, што гарачая сталь можа выглядаць немагнітнай падчас кавання або тэрмічнай апрацоўкі, але гэта не азначае, што матэрыял перастаў быць сталлю або назаўжды страціў магнітныя ўласцівасці.
Змена зварачальная і тэрмічная.
Стан паверхні і лакальная апрацоўка
Шліфоўка паверхні, вінжаванне, Стрэл Пінінг, апрацоўванне, і рэшткавыя напружання могуць ствараць лакальныя змены ў магнітнай рэакцыі.
У некаторых сталях, павярхоўны пласт можа стаць больш магнітным, чым ядро, калі паверхня падвяргаецца трансфармацыі, выкліканай дэфармацыяй, або лакальнай фазавай змене.
Гэта адна з прычын, па якой магнітны тэст можа паказаць нераўнамернае прыцягненне адной і той жа часткі.
4. Выбар матэрыялу, арыентаваны на прымяненне, на аснове магнітных характарыстык сталі
Сталёвы магнетызм - гэта не проста лабараторная цікаўнасць. У рэальным машынабудаванні, гэта ўплывае мантажныя паводзіны, зандзіраванне сумяшчальнасці, перапрацоўка, агляд, электрычнае ўзаемадзеянне, і экалагічная прыдатнасць.
Такім чынам, правільны выбар - гэта не «магнітная сталь супраць немагнітнай сталі» ў простым сэнсе, але правільнае сямейства сталі для магнітных патрабаванняў прыкладання.
Калі моцны магнетызм карысны
Моцнамагнітныя сталі звычайна з'яўляюцца лепшым выбарам, калі магнітная рэакцыя карысная ў самім прымяненні.
Тыповыя выпадкі выкарыстання
- Выраб канструкцый і агульныя машыны
- Сістэмы магнітнага заціску і мацавання
- Сартаванне і перапрацоўка лому
- Магнітныя сепаратары і трымальнікі
- Схільныя зносу кампаненты з вугляроду, інструмент, або мартенситной сталі
У гэтых выпадках, моцная магнітная рэакцыя дапамагае ў кіраванні, падзел, і ўтрыманне арматуры.
Вугляродзістай сталі, нізкалегаванай сталі, інструментальная сталь, часта аддаюць перавагу ферытнай або мартенситной нержавеючай сталі, таму што яны спалучаюць механічную карыснасць з надзейным магнітным прыцягненнем.
Калі патрабуецца нізкі магнетызм
Некаторыя прыкладанні патрабуюць вельмі слабой магнітнай рэакцыі або амаль немагнітных паводзін.
У тых выпадках, отожженная аўстенитная нержавеючая сталь звычайна гэта першае матэрыяльнае сямейства для ацэнкі.
Тыповыя выпадкі выкарыстання
- Медыцынскае і лабараторнае абсталяванне
- Адчувальныя электронныя зборкі
- Сістэмы прэцызійных вымярэнняў
- Асяроддзі, звязаныя з МРТ
- Магнітна адчувальныя карпусы і свяцільні
У гэтых сітуацыях, нават невялікі магнетызм можа перашкодзіць функцыянаванню.
Аўстэнітныя маркі, такія як 304 і 316 звычайна выбіраюцца, таму што яны звычайна слабамагнітныя ў отожженном стане.
Аднак, дызайн павінен ўлічваць той факт, што халодная праца можа павялічыць магнетызм, таму гісторыя апрацоўкі мае такое ж значэнне, як і намінальная адзнака.
Калі кіраваны магнетызм карысны
Некаторыя праграмы не патрабуюць максімальнага або мінімальнага магнетызму. Яны патрэбныя прадказальны, умеранае магнітнае паводзіны.
Тыповыя выпадкі выкарыстання
- Дуплексныя канструкцыі з нержавеючай сталі
- Каразійна-ўстойлівае абсталяванне з патрабаваннямі да апорнай здольнасці
- Прамысловыя кампаненты падвяргаюцца ўздзеянню хларыдных асяроддзяў
- Дэталі, якія вытрымліваюць ціск, патрабуюць лепшай трываласці, чым 316L
Дуплексная нержавеючая сталь - яскравы прыклад. Ён забяспечвае высокую трываласць і ўстойлівасць да карозіі, застаючыся пры гэтым магнітным дзякуючы сваёй ферытнай фракцыі.
Гэта карысна, калі дэталь павінна супрацьстаяць хларыднаму каразійнаму расколіне і пры гэтым захоўваць добрыя механічныя характарыстыкі.
Магнітная рэакцыя не з'яўляецца мэтай праектавання, але гэта прадказальнае наступства мікраструктуры.
5. Практычныя наступствы і памылковыя ўяўленні
Чаму мой халадзільнік з нержавеючай сталі магнітны??
Многія дзверцы халадзільнікаў зроблены з ферритная нержавеючая сталь (e.g., 430), не аўстэнітны.
Ферритная нержавеючая танней, мае добрую ўстойлівасць да карозіі для выкарыстання ў памяшканнях, і з'яўляецца магнітным – што дазваляе зручна прыліпаць магніты.
Калі б ваш халадзільнік быў зроблены з 304, магніты не прыліпнуць.
Ці магу я выкарыстоўваць магніт для сартавання сталёвага лому?
Так, але з агаворкамі:
- Вугляродзістай сталі, ферытны, мартэнсітны → магнітны → лом чорных металаў.
- Аўстэнітная нержавеючая сталь (304, 316) → немагнітныя → лом высокай нержавеючай сталі.
- Дуплексная нержавеючая сталь → слабамагнітная → пры неасцярожнасці можна няправільна адсартаваць.
- Аўстэніт халоднай апрацоўкі → можа быць слабамагнітным, заблытаўшы сартавальнік.
Ці з'яўляецца «немагнітная сталь» цалкам немагнітнай?
Ніякі. Нават аўстэнітная нержавеючая сталь валодае парамагнітнай пранікальнасцю >1. У моцных магнітных палях (e.g., Апараты МРТ), яны ствараюць невялікую, але вымерную прывабнасць.
Для прыкладанняў, якія патрабуюць надзвычай нізкая магнітная ўспрымальнасць (e.g., трубкі ЯМР), выкарыстоўваюцца спецыяльныя сплавы тыпу MP35N або тытан.
Ці магу я размагніціць магнітную сталь?
Так, але з абмежаваннямі:
- Для вугляродзістай сталі: прымяніць чаргаванне, памяншэнне магнітнага поля (размагнічванне). Аднак, ферамагнітная прырода сталі застаецца; яго можна лёгка паўторна намагніціць.
- Для дэфармаванага мартэнсіту ў аўстэнітнай нержавеючай сталі: высокатэмпературны адпал раствора (1050° С) аднавіць немагнітны аўстэніт, ліквідацыю магнетызму. Але гэта немэтазгодна для вялікіх зборак.
6. Conclusion
«Сталь магнітная?»нельга адказаць проста так ці не. Правільны адказ:
Сталь з'яўляецца магнітнай, калі яе крышталічная структура пры пакаёвай тэмпературы з'яўляецца целацэнтрычнай кубічнай (БКК) або целацэнтрычны чатырохкутнік (BCT).
Ён немагнітны (парамагнітныя) калі яго структура гранецэнтрычная кубічная (FCC).
Разуменне металургіі, якая стаіць за магнетызмам, дазваляе інжынерам выбіраць правільную сталь для прымянення, пачынаючы ад магнітных патронаў (дзе неабходны моцны ферамагнетызм) да МРТ-сумяшчальных хірургічных інструментаў (дзе нават сляды магнетызму забароненыя).
Заўсёды правярайце адкалібраваны метад, і ніколі не спадзявацца толькі на просты магнітны тэст для праверкі крытычнага матэрыялу.
FAQ
Ці можа немагнітны 316L стаць магнітным пасля зваркі?
Пры нераўнамерным астуджэнні ў зоне тэрмічнага ўздзеяння зваркі выпадае лакальны дэльта-ферыт, ствараючы слабы частковы магнетызм каля зварных швоў; агульная базавая пліта па-ранейшаму захоўвае немагнітныя характарыстыкі.
Чаму аўстэніт з высокім утрыманнем нікеля немагнітны, а ферытавая нержавеючая сталь з нізкім утрыманнем нікеля - магнітная?
Нікель стабілізуе FCC аўстэнітную краты, што парушае ўпарадкаванае размяшчэнне магнітных даменаў; склад з нізкім утрыманнем хрому і нікеля не можа здушыць адукацыю ферыту BCC з уласцівым ферамагнетызмам.
Ці ўплывае магнетызм нержавеючай сталі на яе антыкаразійную здольнасць?
Частковы магнетызм, выкліканы дэфармацыяй, не змяняе здольнасць сплаву ўтвараць пасіўную плёнку хрому;
каразійная ўстойлівасць застаецца адпаведнай спецыфікацыі першапачатковага гатунку, незалежна ад нязначных мясцовых магнітных змяненняў.
Ці існуюць ферамагнітныя аустенитные сталі?
Так, але не часта. Трохі з высокім утрыманнем марганца, высокоалюминиевые сталі (на самай справе так званыя «немагнітныя».) можа быць ферамагнітным пры вельмі нізкіх тэмпературах.
Пры пакаёвай тэмпературы, не стабільная аўстэнітная камерцыйная нержавеючая сталь з'яўляецца ферамагнітнай.
