Je ocelová magnetická? Kompletní průvodce ocelovým magnetismem

Zavedení

Na první pohled, otázka „Je ocel magnetická?“ zdá se triviální. K magnetu ledničky se přilepí kancelářská sponka – takže ano, ocel je magnetická.

Ale zeptejte se inženýra pracujícího s nerezovými komponenty potrubí, a odpověď zní: to záleží.

Ocel není jeden materiál; je to rodina železo-uhlíkových slitin s velmi proměnlivou mikrostrukturou.

Některé oceli jsou silně feromagnetické, ostatní jsou zcela nemagnetické, a několik mezi nimi.

Tento článek rozebírá magnetismus oceli z pěti úhlů: základní fyzika, krystalografie, Složení slitiny, historie zpracování, a praktické testování.

Na konci, pochopíte nejen zda daná ocel je magnetická, ale proč – a jak toto chování předvídat nebo upravovat.

1. Proč je ocel obvykle magnetická

Ocel je obvykle magnetická, protože jsou na ní postaveny její nejběžnější metalurgické fáze železo, a železo je ve svých krystalických formách soustředěných na tělo feromagnetický prvek.

Z praktického hlediska, magnetická odezva oceli je řízena Krystalová struktura, elektronové spinové uspořádání, a fázová rovnováha.

Čím více ocel obsahuje feritickou nebo martenzitickou strukturu, tím silnější bude obecně jeho přitažlivost k magnetu.

Krystalová struktura jako základ magnetismu

Magnetické chování oceli není náhodné. Je to zakořeněno ve způsobu, jakým jsou atomy železa uspořádány v krystalové mřížce a ve způsobu interakce jejich nepárových elektronů..

Ferit: hlavní magnetická fáze

Nejdůležitější magnetická fáze v běžné oceli je alfa ferit, který má a kubický na tělo (BCC) Krystalová struktura.

V tomto uspořádání, atomy železa umožňují snadné zarovnání magnetických domén, takže materiál vykazuje silný feromagnetismus.

Proto uhlíková ocel, Ocel s nízkým obsahem kliky, a mnoho konstrukčních ocelí je silně přitahováno magnetem.

Austenité: slabě magnetická nebo nemagnetická fáze

Naopak, austenity má a kubický zaměřený na obličej (FCC) struktura.

Toto těsnější atomové balení mění uspořádání elektronů a zabraňuje zarovnání magnetických domén na dlouhé vzdálenosti stejným způsobem jako ferit.

V důsledku toho, austenitická ocel je typicky slabě magnetická nebo téměř nemagnetická v žíhaném stavu.

Martenzit: magnetické a tvrzené

Když je ocel kalená, austenit se může přeměnit na Martensite, na tělo centrovaná tetragonální struktura odvozená z rodiny BCC.

Martenzit zůstává magneticky citlivý, proto jsou kalené oceli stále magnetické a často ještě silněji než austenitický stav, ze kterého pocházejí.

Proč je ocel pokojové teploty obvykle magnetická

Při pokojové teplotě, nejběžnější oceli obsahují buď ferit, Martensite, nebo směs obou. Tyto fáze zachovávají zarovnání domén potřebné pro feromagnetismus.

Proto obyčejná konstrukční ocel, nástrojová ocel, a mnoho legovaných ocelí silně reaguje na magnet bez zvláštní úpravy.

Austenitické oceli jsou hlavní výjimkou, ale ani ty nejsou vždy zcela nemagnetické.

Práce za studena, formování, nebo silná deformace může vytvořit místní martenzitickou transformaci a učinit je částečně magnetickými.

Tedy, praktická odpověď „je ocel magnetická?“ je: feromagnetické oceli jsou magnetické; paramagnetické oceli jsou pro běžné pozorování téměř nemagnetické.

Curieho teplotní efekt

Magnetismus v oceli také závisí na teplotě. Každý feromagnetický materiál má a Curieova teplota, nad nímž tepelné míchání překonává uspořádání magnetické domény a materiál se stává paramagnetickým.

Pro čisté železo, Curieova teplota je asi 770° C.. Nad tímto bodem, železo dočasně ztrácí svůj feromagnetismus.

Až se zase ochladí, magnetismus se vrací bez jakékoli trvalé změny složení.

To vysvětluje užitečné průmyslové pozorování: ocel se může během kování jevit jako nemagnetická, když je horká, tepelné zpracování, nebo austenitizující, ale po ochlazení znovu získá své magnetické chování.

Magnetická změna je tedy vratná a řízená teplotou, nemusí nutně znamenat chemickou změnu.

2. Magnetické chování Steel Family

Z praktického inženýrského hlediska, tím více ocelová rodina obsahuje ferit nebo Martensite, tím více magnetický bývá.

Čím více je stabilizován v an Austenic struktura, tím slabší se obvykle stává jeho magnetická odezva.

Společné rodiny ocelí a magnetické chování

3. Co mění magnetickou odezvu oceli

Magnetická odezva oceli není pevná. Může se změnit s složení, tepelné zpracování, deformace, fázová rovnováha, a teplotu.

Z praktického hlediska, ocel, která se v jednom stavu jeví jako silně magnetická, může zeslábnout, silnější, nebo lokálně proměnná v jiném.

Legující chemie

Legující prvky v oceli ovlivňují, které fáze se tvoří a jak stabilní zůstávají.

• Nikl má tendenci stabilizovat austenit a snižovat magnetickou odezvu.
• Chromium Zlepšuje odolnost proti korozi, ale sama o sobě magnetismus neodstraní.
• Mangan a dusík může také stabilizovat austenitickou strukturu některých ocelí.
• Uhlík silně ovlivňuje prokalitelnost a může podporovat martenzitickou přeměnu po kalení.

Proto je obyčejná uhlíková ocel obvykle silně magnetická, zatímco austenitická nerezová ocel s podstatným obsahem niklu může být pouze slabě magnetická.

Tepelné zpracování

Tepelné zpracování mění vnitřní krystalovou strukturu oceli, a to přímo mění magnetismus.

• Žíhání může změkčit ocel a změnit magnetickou odezvu v závislosti na přítomné fázi.
• Zhášení dokáže přeměnit austenit na martenzit, který obvykle zvyšuje magnetismus.
• Temperování modifikuje martenzit, ale obecně neeliminuje magnetické chování.
• Žíhání řešení v austenitické nerezové oceli může snížit magnetismus obnovením stabilnější austenitické struktury.

To je důvod, proč stejná slitina může vykazovat odlišné magnetické chování před a po tepelném zpracování.

Práce za studena a plastická deformace

Mechanická deformace může zvýšit magnetismus, zejména v austenitických nerezových ocelích.

Ohýbání, válcování, lisování, výkres, nebo těžké obrábění může způsobit přeměnu části austenitu na martenzit.

Výsledkem je ocel, která se po tváření stává magnetičtější, než byla v žíhaném stavu.

Tento efekt je často nejvíce patrný v:

• ohýbané nerezové trubky,
• hlubokotažené nerezové komponenty,
• silně válcovaný plech,
• a obrobené austenitické díly s místním pnutím.

Fázová rovnováha

Magnetická odezva oceli silně závisí na tom, jak moc ferit, Martensite, a austenity to obsahuje.

• Více feritu → silnější magnetická odezva
• Více martenzitu → silnější magnetická odezva
• Více austenitu → slabší magnetická odezva

To je důležité zejména u duplexní nerezové oceli, kde rovnováha mezi feritem a austenitem určuje celkové magnetické chování.

Protože duplexní oceli obsahují feritickou frakci, jsou obvykle magnetické, i když nejsou tak silně magnetické jako obyčejná uhlíková ocel.

Teplota

Teplota může dočasně potlačit magnetismus ve feromagnetické oceli.

Nad Curieova teplota, uspořádané magnetické domény ztrácejí zarovnání a materiál se stává paramagnetickým.

Jakmile se ocel ochladí pod tuto hranici, magnetismus se vrací.

To znamená, že horká ocel se může během kování nebo tepelného zpracování jevit jako nemagnetická, ale to neznamená, že materiál přestal být ocelí nebo trvale ztratil magnetické vlastnosti.

Změna je vratná a tepelná.

Stav povrchu a místní zpracování

Povrchové broušení, svařování, shot peening, obrábění, a zbytková napětí mohou vytvářet místní variace magnetické odezvy.

V některých ocelích, povrchová vrstva se může stát magnetičtější než jádro, pokud povrch podstoupí transformaci vyvolanou napětím nebo lokalizovanou fázovou změnu.

To je jeden z důvodů, proč může magnetový test vykazovat nerovnoměrnou přitažlivost napříč stejnou částí.

4. Výběr materiálu orientovaný na aplikaci na základě magnetického výkonu oceli

Ocelový magnetismus není jen laboratorní kuriozita. V reálném strojírenství, to ovlivňuje chování při sestavování, kompatibilita snímání, recyklace, inspekce, elektrická interakce, a vhodnost pro životní prostředí.

Správná volba tedy není „magnetická ocel versus nemagnetická ocel“ v jednoduchém smyslu, ale správná ocelová řada pro magnetické požadavky aplikace.

Když je silný magnetismus prospěšný

Silně magnetické oceli jsou obvykle nejlepší volbou, když je magnetická odezva užitečná v samotné aplikaci.

Typické případy použití

• Konstrukční výroba a obecné strojní zařízení
• Magnetické upínací a upínací systémy
• Třídění a recyklace šrotu
• Magnetické separátory a držáky
• Komponenty z karbonu náchylné k opotřebení, nástroj, nebo martenzitické oceli

V těchto případech, silná magnetická odezva pomáhá při manipulaci, oddělení, a uchycení přípravku.

Uhlíková ocel, Ocel s nízkým obsahem kliky, nástrojová ocel, a feritická nebo martenzitická nerezová ocel jsou často preferovány, protože kombinují mechanickou užitečnost se spolehlivou magnetickou přitažlivostí.

Když je vyžadován nízký magnetismus

Některé aplikace vyžadují velmi slabou magnetickou odezvu nebo téměř nemagnetické chování.

V těch případech, žíhaná austenitická nerezová ocel je obvykle první materiální rodina, která se hodnotí.

Typické případy použití

• Lékařské a laboratorní vybavení
• Citlivé elektronické sestavy
• Přesné měřicí systémy
• Prostředí související s MRI
• Magneticky citlivá pouzdra a přípravky

V těchto situacích, i nepatrný magnetismus může narušit funkci.

Austenitické třídy jako např 304 a 316 jsou běžně vybírány, protože jsou obvykle slabě magnetické v žíhaném stavu.

Však, konstrukce musí počítat se skutečností, že práce za studena může zvýšit magnetismus, takže na historii zpracování záleží stejně jako na nominálním stupni.

Když je užitečný řízený magnetismus

Některé aplikace nevyžadují maximální nebo minimální magnetismus. Potřebují předvídatelný, mírné magnetické chování.

Typické případy použití

• Duplexní konstrukce z nerezové oceli
• Zařízení odolné proti korozi s požadavky na nosnost
• Průmyslové komponenty vystavené chloridovému prostředí
• Části nesoucí tlak vyžadující lepší pevnost než 316L

Duplexní nerezová ocel je toho silným příkladem. Nabízí vysokou pevnost a odolnost proti korozi, přičemž zůstává magnetický díky své feritické frakci.

To je užitečné, když díl musí odolávat chloridovému koroznímu praskání a stále si zachovat dobrý mechanický výkon.

Magnetická odezva není cílem návrhu, ale je to předvídatelný důsledek mikrostruktury.

5. Praktické implikace a mylné představy

Proč je moje lednička z „nerezové oceli“ magnetická?

Mnoho dveří chladničky je vyrobeno z feritická nerezová ocel (NAPŘ., 430), ne austenitické.

Feritický nerez je levnější, má dobrou odolnost proti korozi pro vnitřní použití, a je magnetický – což pohodlně umožňuje přilepení magnetů.

Pokud byla vaše lednice vyrobena z 304, magnety by se nepřilepily.

Mohu použít magnet k třídění ocelového odpadu?

Ano, ale s výhradami:

• Uhlíková ocel, ferritic, martenzitický → magnetický → železný šrot.
• Austenitická nerez (304, 316) → nemagnetický → vysoce hodnotný nerezový šrot.
• Duplexní nerez → slabě magnetický → může být špatně roztříděn, pokud si nedáte pozor.
• Austenitická → může být slabě magnetická, matoucí třídič.

Je „nemagnetická ocel“ zcela nemagnetická?

Žádný. Dokonce i austenitická nerez má paramagnetickou permeabilitu >1. V silných magnetických polích (NAPŘ., MRI stroje), vytvářejí malou, ale měřitelnou přitažlivost.

Pro aplikace vyžadující velmi nízká magnetická susceptibilita (NAPŘ., NMR trubice), používají se speciální slitiny jako MP35N nebo titan.

Mohu demagnetizovat magnetickou ocel?

Ano, ale s omezeními:

• Pro uhlíkovou ocel: použít střídavý, klesající magnetické pole (demagnetizace). Však, feromagnetická povaha oceli zůstává; lze jej snadno přemagnetizovat.
• Pro pnutím indukovaný martenzit v austenitické nerezi: vysokoteplotní rozpouštěcí žíhání (1050° C.) obnoví nemagnetický austenit, odstranění magnetismu. To je ale pro velké sestavy nepraktické.

6. Závěr

"Je ocel magnetická."?“ nelze odpovědět prostým ano nebo ne. Správná odpověď je:

Ocel je magnetická, pokud je její krystalová struktura při pokojové teplotě kubická s tělesným středem (BCC) nebo čtyřúhelníkový na tělo (BCT).

Je nemagnetická (paramagnetický) je-li jeho struktura plošně centrovaná krychlová (FCC).

Pochopení metalurgie za magnetismem umožňuje inženýrům vybrat správnou ocel pro aplikace od magnetických upínačů (kde je potřeba silný feromagnetismus) na chirurgické nástroje kompatibilní s MRI (kde je zakázán i stopový magnetismus).

Vždy testujte kalibrovanou metodou, a nikdy se nespoléhejte pouze na jednoduchý magnetový test pro kritické ověření materiálu.

 

Časté časté

Nemagnetický 316L se může po svařování otočit na magnet?

Místní delta ferit se vysráží uvnitř oblasti ovlivněné teplem svařování během nerovnoměrného chlazení, generování slabého částečného magnetismu v blízkosti svarů; celková základní deska si stále zachovává nemagnetické vlastnosti.

Proč je austenit s vysokým obsahem niklu nemagnetický, zatímco feritová ocel s nízkým obsahem niklu je magnetická?

Nikl stabilizuje FCC austenitovou mřížku, která narušuje uspořádané uspořádání magnetických domén; složení s nízkým obsahem chromniklu nemůže potlačit tvorbu BCC feritu s inherentním feromagnetismem.

Má magnetismus z nerezové oceli vliv na její antikorozní kapacitu?

Částečný magnetismus vyvolaný deformací nemění schopnost slitiny vytvářet pasivní vrstvu chrómu;

odolnost proti korozi zůstává v souladu se specifikací původní třídy bez ohledu na malé místní magnetické odchylky.

Existují nějaké feromagnetické austenitické oceli??

Ano, ale ne běžné. Nějaký vysoký obsah manganu, vysokohliníkových ocelí (vlastně tzv. „nemagnetické“.) mohou být feromagnetické při velmi nízkých teplotách.

Při pokojové teplotě, žádná stabilní austenitická komerční nerezová ocel není feromagnetická.