فولاد مغناطیسی است? راهنمای کامل مغناطیس فولاد

مقدمه

در نگاه اول, سوال "آیا فولاد مغناطیسی است؟?” بی اهمیت به نظر می رسد. یک گیره کاغذ به آهنربای یخچال می چسبد - بنابراین بله, فولاد مغناطیسی است.

اما از یک مهندس که با اجزای خط لوله فولادی ضد زنگ کار می کند بپرسید, و جواب می شود: بستگی دارد.

فولاد یک ماده واحد نیست; خانواده ای از آلیاژهای آهن-کربن با ریزساختارهای بسیار متفاوت است.

برخی از فولادها به شدت فرومغناطیسی هستند, بقیه کاملاً غیر مغناطیسی هستند, و چند نفر در این بین قرار می گیرند.

این مقاله مغناطیس فولاد را از پنج زاویه تشریح می کند: فیزیک بنیادی, کریستالوگرافی, ترکیب آلیاژی, تاریخچه پردازش, و تست عملی.

در پایان, شما نه تنها خواهید فهمید آیا یک فولاد معین مغناطیسی است, اما چرا - و نحوه پیش بینی یا اصلاح آن رفتار.

1. چرا فولاد معمولا مغناطیسی است؟

فولاد معمولاً مغناطیسی است زیرا رایج ترین فازهای متالورژیکی آن بر روی آن ساخته می شوند آهن, و آهن یک عنصر فرومغناطیسی در اشکال کریستالی بدن محور آن است.

از نظر عملی, پاسخ مغناطیسی فولاد توسط ساختار کریستالی, تراز اسپین الکترون, و تعادل فاز.

هر چه فولاد دارای ساختار فریتی یا مارتنزیتی باشد, به طور کلی جاذبه آن به یک آهنربا قوی تر خواهد بود.

ساختار کریستالی به عنوان پایه و اساس مغناطیس

رفتار مغناطیسی فولاد تصادفی نیست. ریشه در نحوه چیدمان اتم های آهن در شبکه کریستالی و نحوه تعامل الکترون های جفت نشده آنها دارد..

فریت: فاز مغناطیسی اصلی

مهمترین فاز مغناطیسی در فولاد معمولی است آلفا فریت, که دارای یک مکعب بدنه محور (BCC) ساختار کریستالی.

در این ترتیب, اتم های آهن به حوزه های مغناطیسی اجازه می دهند تا به راحتی هم تراز شوند, بنابراین ماده فرومغناطیس قوی را نشان می دهد.

به همین دلیل است که فولاد کربنی, فولاد کم آلود, و بسیاری از فولادهای ساختاری به شدت جذب آهنربا می شوند.

وابسته به اوستن: فاز ضعیف مغناطیسی یا غیر مغناطیسی

در مقابل, آستنیت دارای a مکعب وسط صورت (FCC) ساختار.

این بسته بندی اتمی محکم تر آرایش الکترون را تغییر می دهد و از همترازی دامنه مغناطیسی دوربرد مانند فریت جلوگیری می کند..

در نتیجه, فولاد آستنیتی معمولاً در شرایط آنیل شده دارای مغناطیسی ضعیف یا تقریباً غیر مغناطیسی است.

مارتنسیت: مغناطیسی و سخت شده

وقتی فولاد خاموش شد, آستنیت می تواند تبدیل به مارتنزیت, یک ساختار چهارضلعی بدن محور که از خانواده BCC مشتق شده است.

مارتنزیت به صورت مغناطیسی پاسخگو باقی می ماند, به همین دلیل است که فولادهای سخت شده هنوز مغناطیسی هستند و اغلب حتی قوی تر از شرایط آستنیتی هستند که از آن به وجود آمده اند..

چرا فولاد دمای اتاق معمولاً مغناطیسی است

در دمای اتاق, اکثر فولادهای رایج حاوی فریت هستند, مارتنزیت, یا مخلوطی از هر دو. این فازها هم ترازی دامنه مورد نیاز برای فرومغناطیس را حفظ می کنند.

به همین دلیل است که فولاد ساختاری معمولی, فولاد ابزار, و بسیاری از فولادهای آلیاژی به شدت به آهنربا بدون درمان خاصی پاسخ می دهند.

فولادهای آستنیتی استثنای اصلی هستند, اما حتی آنها همیشه کاملاً غیر مغناطیسی نیستند.

کار سرد, تشکیل, یا تغییر شکل شدید می تواند تبدیل مارتنزیتی موضعی ایجاد کند و آنها را تا حدی مغناطیسی کند.

بنابراین, پاسخ عملی «فولاد مغناطیسی است?” است: فولادهای فرومغناطیسی مغناطیسی هستند; فولادهای پارامغناطیس تقریباً غیر مغناطیسی به مشاهدات معمولی هستند.

اثر دمای کوری

مغناطیس در فولاد به دما نیز بستگی دارد. هر ماده فرومغناطیسی دارای یک دمای کوری, در بالای آن هم زدن حرارتی بر نظم دامنه مغناطیسی غلبه می کند و ماده پارامغناطیس می شود.

برای آهن خالص, دمای کوری تقریبا 770درجه سانتی گراد. بالاتر از این نقطه, آهن به طور موقت فرومغناطیس خود را از دست می دهد.

وقتی دوباره خنک شد, مغناطیس بدون هیچ تغییر ترکیبی دائمی برمی گردد.

این یک مشاهدات صنعتی مفید را توضیح می دهد: فولاد ممکن است زمانی که در حین آهنگری داغ است غیر مغناطیسی به نظر برسد, عملیات حرارتی, یا آستنیته کردن, اما پس از سرد شدن دوباره رفتار مغناطیسی خود را به دست می آورد.

بنابراین، تغییر مغناطیسی برگشت پذیر و وابسته به دما است, لزوماً نشانه ای از تغییر شیمیایی نیست.

2. رفتار مغناطیسی توسط خانواده فولاد

در اصطلاح مهندسی عملی, یک خانواده فولادی بیشتر است فریت یا مارتنزیت, هر چه بیشتر مغناطیسی باشد.

هر چه بیشتر در یک تثبیت شود آستنیتی ساختار, معمولاً پاسخ مغناطیسی آن ضعیف تر می شود.

خانواده فولاد متداول و رفتار مغناطیسی

3. چه چیزی واکنش مغناطیسی فولاد را تغییر می دهد

پاسخ مغناطیسی فولاد ثابت نیست. می تواند با آن تغییر کند ترکیب, عملیات حرارتی, تغییر شکل, تعادل فاز, و دما.

از نظر عملی, فولادی که در یک شرایط به شدت مغناطیسی به نظر می رسد ممکن است ضعیف تر شود, قوی تر, یا به صورت محلی در دیگری متغیر است.

شیمی آلیاژسازی

عناصر آلیاژی در فولاد بر تشکیل فازها و پایداری آنها تأثیر می گذارد.

• نیکل تمایل به تثبیت آستنیت و کاهش پاسخ مغناطیسی دارد.
• کروم مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد, اما به خودی خود مغناطیس را از بین نمی برد.
• منگنز و نیتروژن همچنین می تواند ساختار آستنیتی را در برخی فولادها تثبیت کند.
• کربن سختی پذیری را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد و می تواند تبدیل مارتنزیتی را پس از کوئنچ افزایش دهد.

به همین دلیل است که یک فولاد کربنی ساده معمولاً به شدت مغناطیسی است, در حالی که یک فولاد زنگ نزن آستنیتی با محتوای نیکل قابل توجهی ممکن است فقط ضعیف مغناطیسی باشد.

عملیات حرارتی

عملیات حرارتی ساختار کریستالی داخلی فولاد را تغییر می دهد, و این به طور مستقیم مغناطیس را تغییر می دهد.

• آنیل کردن می تواند فولاد را نرم کند و پاسخ مغناطیسی را بسته به فاز موجود تغییر دهد.
• خاموش کردن می تواند آستنیت را به مارتنزیت تبدیل کند, که معمولا مغناطیس را افزایش می دهد.
• معتدل کردن مارتنزیت را اصلاح می کند اما به طور کلی رفتار مغناطیسی را از بین نمی برد.
• بازپخت راه حل در فولاد زنگ نزن آستنیتی می تواند مغناطیس را با بازگرداندن ساختار آستنیتی پایدارتر کاهش دهد.

به همین دلیل است که یک آلیاژ ممکن است رفتار مغناطیسی متفاوتی را قبل و بعد از عملیات حرارتی نشان دهد.

کار سرد و تغییر شکل پلاستیک

تغییر شکل مکانیکی می تواند مغناطیس را افزایش دهد, به ویژه در فولادهای زنگ نزن آستنیتی.

خم شدن, نورد, مهر زدن, طراحی, یا ماشینکاری سنگین می تواند باعث شود بخشی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل شود.

نتیجه فولادی است که پس از شکل گیری بیشتر از حالت آنیل شده مغناطیسی می شود.

این اثر اغلب در بیشتر قابل توجه است:

• لوله های ضد زنگ خم شده,
• اجزای ضد زنگ عمیق کشیده شده,
• ورق به شدت نورد شده,
• و قطعات آستنیتی ماشینکاری شده با کرنش موضعی.

تعادل فاز

پاسخ مغناطیسی فولاد به میزان زیادی بستگی دارد فریت, مارتنزیت, و آستنیت آن را شامل می شود.

• فریت بیشتر → پاسخ مغناطیسی قوی تر
• مارتنزیت بیشتر → پاسخ مغناطیسی قوی تر
• آستنیت بیشتر → پاسخ مغناطیسی ضعیف تر

این امر به ویژه در فولاد ضد زنگ دوبلکس بسیار مهم است, که در آن تعادل بین فریت و آستنیت رفتار مغناطیسی کلی را تعیین می کند.

از آنجایی که فولادهای دوبلکس حاوی کسر فریتی هستند, آنها معمولاً مغناطیسی هستند حتی اگر به اندازه فولاد کربنی ساده مغناطیسی نیستند.

دما

دما می تواند به طور موقت مغناطیس را در فولاد فرومغناطیسی سرکوب کند.

بالاتر از دمای کوری, حوزه های مغناطیسی منظم تراز خود را از دست می دهند و ماده پارامغناطیس می شود.

زمانی که فولاد زیر آن آستانه سرد شود, مغناطیس باز می گردد.

این بدان معناست که فولاد داغ ممکن است در حین آهنگری یا عملیات حرارتی غیر مغناطیسی به نظر برسد, اما این بدان معنا نیست که این ماده از فولاد بودن متوقف شده است یا برای همیشه خواص مغناطیسی خود را از دست داده است.

تغییر برگشت پذیر و حرارتی است.

وضعیت سطح و پردازش محلی

سنگ زنی سطحی, جوشکاری, گلوله پینینگ, ماشینکاری, و تنش های پسماند می توانند تغییرات موضعی در پاسخ مغناطیسی ایجاد کنند.

در بعضی از فولادها, لایه سطحی می تواند مغناطیسی تر از هسته شود اگر سطح تحت تغییر شکل ناشی از کرنش یا تغییر فاز موضعی قرار گیرد..

این یکی از دلایلی است که آزمایش آهنربا ممکن است جاذبه ناهمواری را در همان قسمت نشان دهد.

4. انتخاب مواد کاربردی-گرا بر اساس عملکرد مغناطیسی فولاد

مغناطیس فولاد فقط یک کنجکاوی آزمایشگاهی نیست. در مهندسی واقعی, تاثیر می گذارد رفتار مونتاژی, سازگاری حسی, بازیافت, بازرسی, تعامل الکتریکی, و تناسب محیطی.

بنابراین انتخاب درست «فولاد مغناطیسی در مقابل فولاد غیر مغناطیسی» به معنای ساده نیست, اما خانواده فولاد مناسب برای نیاز مغناطیسی برنامه.

هنگامی که مغناطیس قوی مفید است

زمانی که پاسخ مغناطیسی در خود کاربرد مفید باشد، فولادهای دارای مغناطیسی قوی معمولا بهترین انتخاب هستند.

موارد استفاده معمولی

• ساخت سازه و ماشین آلات عمومی
• سیستم های گیره و فیکسچر مغناطیسی
• دسته بندی و بازیافت ضایعات
• جداکننده های مغناطیسی و دستگاه های نگهدارنده
• اجزای مستعد سایش در کربن, ابزار, یا فولاد مارتنزیتی

در این موارد, پاسخ مغناطیسی قوی به جابجایی کمک می کند, جدایی, و حفظ فیکسچر.

فولاد کربن, فولاد کم آلود, فولاد ابزار, و فولاد ضد زنگ فریتی یا مارتنزیتی اغلب ترجیح داده می شود زیرا آنها ابزار مکانیکی را با جاذبه مغناطیسی قابل اعتماد ترکیب می کنند..

زمانی که مغناطیس کم مورد نیاز است

برخی از کاربردها پاسخ مغناطیسی بسیار ضعیف یا رفتار تقریباً غیر مغناطیسی را می طلبند.

در آن موارد, فولاد زنگ نزن آستنیتی آنیل شده معمولاً اولین خانواده مادی است که ارزیابی می شود.

موارد استفاده معمولی

• تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی
• مجموعه های الکترونیکی حساس
• سیستم های اندازه گیری دقیق
• محیط های مرتبط با ام آر آی
• محفظه ها و وسایل حساس به مغناطیسی

در این مواقع, حتی مغناطیس خفیف نیز می تواند در عملکرد اختلال ایجاد کند.

درجات آستنیتی مانند 304 و 316 معمولاً انتخاب می شوند زیرا معمولاً در شرایط آنیل شده دارای خاصیت مغناطیسی ضعیفی هستند.

با این حال, طراحی باید این واقعیت را در نظر بگیرد که کار سرد می تواند مغناطیس را افزایش دهد, بنابراین پردازش تاریخچه به اندازه نمره اسمی اهمیت دارد.

هنگامی که مغناطیس کنترل شده مفید است

برخی از کاربردها به حداکثر مغناطیس یا حداقل مغناطیس نیاز ندارند. نیاز دارند قابل پیش بینی, رفتار مغناطیسی متوسط.

موارد استفاده معمولی

• سازه های فولادی ضد زنگ دوبلکس
• تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی با الزامات تحمل بار
• اجزای صنعتی در معرض محیط های کلرید
• قطعات تحمل کننده فشار که به استحکام بهتری نسبت به 316 لیتر نیاز دارند

فولاد ضد زنگ دوبلکس یک مثال قوی است. استحکام و مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد در حالی که مغناطیسی باقی می ماند به دلیل کسر فریتی که دارد.

این زمانی مفید است که قطعه باید در برابر ترک خوردگی تنش کلرید مقاومت کند و همچنان عملکرد مکانیکی خوبی را حفظ کند..

پاسخ مغناطیسی هدف طراحی نیست, اما نتیجه قابل پیش بینی ریزساختار است.

5. مفاهیم عملی و باورهای غلط

چرا یخچال "استیل ضد زنگ" من مغناطیسی است؟?

بسیاری از درب های یخچال از فولاد ضد زنگ فریتی (به عنوان مثال, 430), آستنیتی نیست.

ضد زنگ فریتی ارزان تر است, مقاومت در برابر خوردگی خوبی برای استفاده در فضای داخلی دارد, و مغناطیسی است - که به راحتی به آهنرباها اجازه می دهد تا بچسبند.

اگر یخچال شما از 304, آهنرباها نمی چسبند.

آیا می توانم از آهنربا برای مرتب سازی ضایعات فولادی استفاده کنم؟?

بله, اما با اخطار:

• فولاد کربن, فریتی, مارتنزیتی → مغناطیسی → قراضه آهنی.
• ضد زنگ آستنیتی (304, 316) → غیر مغناطیسی → ضایعات ضد زنگ با ارزش بالا.
• ضد زنگ دوبلکس → ضعیف مغناطیسی → در صورت عدم دقت می توان آن را به اشتباه دسته بندی کرد.
• آستنیت سرد → ممکن است دارای خاصیت مغناطیسی ضعیفی باشد, گیج کننده مرتب کننده.

آیا "فولاد غیر مغناطیسی" کاملاً غیر مغناطیسی است?

خیر. حتی ضد زنگ آستنیتی دارای نفوذپذیری پارامغناطیس است >1. در میدان های مغناطیسی قوی (به عنوان مثال, دستگاه های ام آر آی), آنها جذابیت کوچک اما قابل اندازه گیری ایجاد می کنند.

برای برنامه های مورد نیاز بسیار حساسیت مغناطیسی کم (به عنوان مثال, لوله های NMR), از آلیاژهای خاص مانند MP35N یا تیتانیوم استفاده می شود.

آیا می توانم فولاد مغناطیسی را مغناطیسی کنم؟?

بله, اما با محدودیت:

• برای فولاد کربنی: متناوب اعمال کنید, کاهش میدان مغناطیسی (زن زدایی). با این حال, ماهیت فرومغناطیسی فولاد باقی می ماند; می توان آن را به راحتی دوباره مغناطیس کرد.
• برای مارتنزیت ناشی از کرنش در ضد زنگ آستنیتی: آنیل محلول در دمای بالا (1050درجه سانتی گراد) آستنیت غیر مغناطیسی را بازیابی می کند, از بین بردن مغناطیس. اما این برای مجامع بزرگ غیر عملی است.

6. نتیجه گیری

فولاد مغناطیسی است?نمی توان با یک بله یا خیر ساده پاسخ داد. پاسخ صحیح این است:

فولاد در صورتی مغناطیسی است که ساختار کریستالی آن در دمای اتاق مکعبی با محوریت بدن باشد (BCC) یا چهارضلعی با محوریت بدن (BCT).

غیر مغناطیسی است (پارامغناطیس) اگر ساختار آن مکعبی رو به مرکز باشد (FCC).

درک متالورژی پشت مغناطیس به مهندسان این امکان را می دهد که فولاد مناسب را برای کاربردهای مختلف از چاک های مغناطیسی انتخاب کنند. (جایی که فرومغناطیس قوی مورد نیاز است) به ابزارهای جراحی سازگار با MRI (جایی که حتی ردیابی مغناطیس ممنوع است).

همیشه با روش کالیبره شده تست کنید, و هرگز برای تایید مواد حیاتی به یک تست آهنربای ساده تکیه نکنید.

 

سوالات متداول

آیا 316L غیر مغناطیسی می تواند بعد از جوشکاری مغناطیسی شود?

دلتا فریت محلی در داخل منطقه متاثر از حرارت جوشکاری در طول خنک شدن ناهموار رسوب می کند., ایجاد مغناطیس جزئی ضعیف در نزدیکی درزهای جوش; صفحه پایه کلی هنوز ویژگی غیر مغناطیسی خود را حفظ می کند.

چرا آستنیت با نیکل بالا غیر مغناطیسی است در حالی که فولاد ضد زنگ فریت با نیکل کم مغناطیسی است?

نیکل شبکه آستنیتی FCC را تثبیت می کند که آرایش دامنه مغناطیسی منظم را مختل می کند; فرمولاسیون کم کروم نیکل نمی تواند تشکیل فریت BCC را با فرومغناطیس ذاتی سرکوب کند..

آیا مغناطیس فولاد ضد زنگ بر ظرفیت ضد خوردگی آن تأثیر می گذارد؟?

مغناطیس جزئی ناشی از تغییر شکل، توانایی تشکیل فیلم غیرفعال کروم آلیاژ را تغییر نمی دهد.;

مقاومت در برابر خوردگی بدون توجه به تغییرات مغناطیسی محلی جزئی با مشخصات درجه اصلی سازگار است.

آیا فولاد آستنیتی فرومغناطیسی وجود دارد؟?

بله, اما رایج نیست. مقداری منگنز بالا, فولادهای با آلومینیوم بالا (به اصطلاح "غیر مغناطیسی" در واقع) می تواند در دماهای بسیار پایین فرومغناطیسی باشد.

در دمای اتاق, هیچ فولاد ضد زنگ تجاری آستنیتی پایدار فرومغناطیسی نیست.