Esittely
Ensi silmäyksellä, kysymys "Onko teräs magneettista?” vaikuttaa triviaalilta. Paperiliitin tarttuu jääkaappimagneettiin – niin kyllä, teräs on magneettista.
Mutta kysy insinööriltä, joka työskentelee ruostumattomasta teräksestä valmistettujen putkien osien kanssa, ja vastaus tulee: se riippuu.
Teräs ei ole yksittäinen materiaali; se on rauta-hiiliseosten perhe, jolla on hyvin erilaisia mikrorakenteita.
Jotkut teräkset ovat vahvasti ferromagneettisia, toiset ovat täysin ei-magneettisia, ja muutama jää väliin.
Tämä artikkeli käsittelee teräksen magnetismia viidestä kulmasta: perusfysiikkaa, kristallografia, metalliseoksen koostumus, käsittelyhistoria, ja käytännön testaus.
Loppuun mennessä, ymmärrät ei vain onko tietty teräs on magneettinen, mutta Miksi – ja kuinka ennustaa tai muuttaa tätä käyttäytymistä.
1. Miksi teräs on yleensä magneettista
Teräs on yleensä magneettista, koska sen yleisimmät metallurgiset vaiheet rakentuvat rauta, ja rauta on ferromagneettinen alkuaine kehokeskeisissä kidemuodoissaan.
Käytännössä, teräksen magneettista vastetta ohjataan kristallirakenne, elektronien spinin kohdistus, ja vaihetasapaino.
Mitä enemmän teräs sisältää ferriittistä tai martensiittista rakennetta, sitä voimakkaampi sen vetovoima magneettiin yleensä on.
Kristallirakenne magnetismin perustana
Teräksen magneettinen käyttäytyminen ei ole sattumanvaraista. Se on juurtunut tapaan, jolla rautaatomit järjestetään kidehilassa ja kuinka niiden parittomat elektronit ovat vuorovaikutuksessa.
Ferriitti: magneettinen päävaihe
Tavallisen teräksen tärkein magneettinen vaihe on alfa ferriitti, jossa on a vartalokeskeinen kuutio (BCC) kristallirakenne.
Tässä järjestelyssä, rautaatomit mahdollistavat magneettisten domeenien kohdistamisen helposti, joten materiaali osoittaa voimakasta ferromagnetismia.
Siksi hiiliteräs, niukkaseosteinen teräs, ja monet rakenneteräkset vetoavat voimakkaasti magneettiin.
Austeniitit: heikosti magneettinen tai ei-magneettinen vaihe
Sitä vastoin, austeniitit on a kasvokeskeinen kuutio (FCC) rakenne.
Tämä tiukempi atomipakkaus muuttaa elektronien järjestelyä ja estää pitkän kantaman magneettikentän kohdistuksen samalla tavalla kuin ferriitti.
Seurauksena, austeniittinen teräs on hehkutetussa tilassa tyypillisesti heikosti magneettista tai lähes ei-magneettista.
Martensiitti: magneettinen ja karkaistu
Kun teräs on sammutettu, austeniitti voi muuttua martensiitti, kehokeskeinen tetragonaalinen rakenne, joka on peräisin BCC-perheestä.
Martensiitti pysyy magneettisesti herkkänä, siksi karkaistut teräkset ovat edelleen magneettisia ja usein jopa vahvempia kuin austeniittiset olosuhteet, joista ne ovat peräisin.
Miksi huoneenlämpöinen teräs on yleensä magneettista
Huoneenlämpötilassa, yleisimmät teräkset sisältävät joko ferriittiä, martensiitti, tai molempien sekoitus. Nämä vaiheet säilyttävät ferromagnetismiin tarvittavan domeenin kohdistuksen.
Siksi tavallinen rakenneteräs, työkalu terästä, ja monet seosteräkset reagoivat voimakkaasti magneeteihin ilman erityiskäsittelyä.
Austeniittiset teräkset ovat suurin poikkeus, mutta nekään eivät aina ole täysin ei-magneettisia.
Kylmätyöskentely, muodostuminen, tai vakava muodonmuutos voi aiheuttaa paikallisen martensiittisen muunnoksen ja tehdä niistä osittain magneettisia.
| Magneettinen käyttäytyminen | Kuvaus | Esiintyy teräksessä? |
| Ferromagneettinen | Vahva vetovoima; säilyttää magnetismin (hystereesi) | Kyllä – useimmat hiiliteräkset, ferriittistä ruostumatonta, martensiittista ruostumatonta |
| Paramagneettinen | Heikko, väliaikainen vetovoima; ei hystereesiä | Kyllä – austeniittiset ruostumattomat teräkset (ESIM., 304, 316) |
| Antiferromagneettinen | Ei nettomagnetointia; magneettiset momentit kumoutuvat | Ei |
| Diamagneettinen | Erittäin heikko torjunta; kaikissa materiaaleissa on tämä | Ei (teräksen voimakkaammat vaikutukset) |
Siten, käytännön vastaus "on teräsmagneettinen?” on: ferromagneettiset teräkset ovat magneettisia; paramagneettiset teräkset ovat lähes ei-magneettisia satunnaiseen havaintoon.
Curien lämpötilavaikutus
Teräksen magneettisuus riippuu myös lämpötilasta. Jokaisella ferromagneettisella materiaalilla on a Curie lämpötila, jonka yläpuolella lämpösekoitus voittaa magneettisen alueen järjestyksen ja materiaali muuttuu paramagneettiseksi.
Puhdasta rautaa varten, Curien lämpötila on noin 770° C. Tämän pisteen yläpuolella, rauta menettää tilapäisesti ferromagnetisuutensa.
Kun se jäähtyy takaisin, magnetismi palaa ilman pysyvää koostumusmuutosta.
Tämä selittää hyödyllisen teollisen havainnon: teräs voi näyttää ei-magneettiselta, kun se on kuuma takomisen aikana, lämmönkäsittely, tai austenisoimalla, mutta palauttaa magneettisen käyttäytymisensä jäähtymisen jälkeen.
Magneettinen muutos on siksi palautuva ja lämpötilaohjattu, ei välttämättä merkki kemiallisesta muutoksesta.
2. Steel Familyn magneettinen käyttäytyminen
Käytännön tekniikan kannalta, sitä enemmän teräsperhe sisältää ferriitti tai martensiitti, sitä magneettisempi se yleensä on.
Mitä enemmän se on stabiloitunut an austeniittista rakenne, sitä heikommaksi sen magneettinen vaste yleensä muuttuu.
Yleiset teräsperheet ja magneettinen käyttäytyminen
| Teräs perhe | Yhteiset arvosanat / tyypit | Tyypillinen magneettinen käyttäytyminen | Tekninen huomautus |
| Hiiliteräs | Aisi 1010, 1018, 1020, 1045, 1095 | Voimakkaasti magneettinen | Useimmat hiiliteräkset sisältävät ferriittiä ja/tai martensiittia, joten magneetti vetää niitä yleensä voimakkaasti. |
| Vähäseosteinen teräs | 4140, 4340, 8620, 4130 | Voimakkaasti magneettinen | Lejeeraus ei poista magnetismia, ellei se stabiloi austeniittia voimakkaasti; useimmat niukkaseosteiset teräkset pysyvät magneettisina. |
| Seostettu teräs | Kromi-molybdeeniteräs, nikkeli-kromiteräs, rakenneteräs | Yleensä magneettinen | "Seosteräs" on laaja luokka; useimmat lajikkeet ovat edelleen ferriittisiä tai martensiittisia ja siksi magneettisia. |
| Rakenteellinen teräs | ASTM A36, Q235, S235, S355 | Voimakkaasti magneettinen | Laajalti käytetyt rakenneteräkset ovat yleensä ferriittisiä ja reagoivat selvästi magneetteihin. |
| Työkalusteräs | D2, O1, A2, H13, W1 | Voimakkaasti magneettinen | Työkaluteräkset ovat usein magneettisia myös lämpökäsittelyn jälkeen, koska martensiitti on hallitseva faasi. |
Jousiteräs |
5160, 1075, 1095 jousiterästä | Voimakkaasti magneettinen | Hiilipitoiset jousiteräkset ovat tyypillisesti martensiittisia lämpökäsittelyn jälkeen ja pysyvät vahvasti magneettisina. |
| Laakeri terästä | Aisi 52100 | Voimakkaasti magneettinen | Korkeahiilinen kromiteräs on yleensä magneettinen martensiittisen matriisinsa vuoksi. |
| Säänkestävä teräs | Corten A, Corten B | Voimakkaasti magneettinen | Säänkestävät teräkset ovat edelleen rautapohjaisia rakenneteräksiä ja niillä on vahva magneettinen vaste. |
| Sähköinen teräs / silikoni teräs | M19, M27, 1008 sähköterästä | Magneettinen, usein suunniteltu kontrolloitua magnetismia varten | Nämä teräkset on suunniteltu erityisesti moottoreiden ja muuntajien magneettiseen suorituskykyyn. |
| Ferriittistä ruostumatonta terästä | 409, 430, 439 | Magneettinen | Ferriittiset ruostumattomat teräkset pysyvät magneettisina, koska niiden rakenne on ferriittinen, ei austeniittista. |
Martensiittista ruostumatonta terästä |
410, 420, 440C | Voimakkaasti magneettinen | Nämä lajikkeet ovat magneettisia ja karkaistuja. |
| Duplex ruostumaton teräs | 2205, 2507 | Magneettinen | Duplex-teräkset sisältävät sekä ferriittiä että austeniittia, joten niissä on havaittavissa oleva magnetismi. |
| Austeniittista ruostumatonta terästä | 304, 316, 316Lens, 321 | Yleensä heikosti magneettinen lähes ei-magneettinen | Hehkutetussa tilassa ne ovat tyypillisesti ei-magneettisia tai vain vähän magneettisia; kylmätyö voi lisätä magnetismia. |
| Sadekarkaisua ruostumatonta terästä | 17-4PHE, 15-5PHE, 13-8MO | Yleensä magneettinen | Nämä laatuluokat osoittavat usein magneettista vastetta niiden sekalaisen rakenteen ja lämpökäsittelytilan vuoksi. |
3. Mikä muuttaa teräksen magneettisen vasteen
Teräksen magneettivaste ei ole kiinteä. Se voi muuttua kanssa koostumus, lämmönkäsittely, muodonmuutos, vaihetasapaino, ja lämpötila.
Käytännössä, teräs, joka näyttää yhdessä tilassa voimakkaasti magneettiselta, voi heiketä, vahvempi, tai paikallisesti muuttuva toisessa.
Seoskemia
Teräksen seosaineet vaikuttavat siihen, mitkä faasit muodostuvat ja kuinka stabiileina ne pysyvät.
- Nikkeli pyrkii stabiloimaan austeniittia ja vähentämään magneettista vastetta.
- Kromi parantaa korroosionkestävyyttä, mutta ei sinänsä poista magnetismia.
- Mangaani ja typpi voi myös stabiloida joidenkin terästen austeniittista rakennetta.
- Hiili vaikuttaa voimakkaasti kovettuvuuteen ja voi edistää martensiittista muutosta sammutuksen jälkeen.
Tästä syystä tavallinen hiiliteräs on yleensä vahvasti magneettinen, kun taas austeniittinen ruostumaton teräs, jossa on paljon nikkeliä, voi olla vain heikosti magneettinen.
Lämmönkäsittely
Lämpökäsittely muuttaa teräksen sisäistä kiderakennetta, ja se muuttaa suoraan magnetismia.
- Hehkutus voi pehmentää terästä ja muuttaa magneettista vastetta läsnäolevan vaiheen mukaan.
- Sammutus voi muuttaa austeniitin martensiitiksi, mikä yleensä lisää magnetismia.
- Karkaisu muuttaa martensiittia, mutta ei yleensä poista magneettista käyttäytymistä.
- Ratkaisu austeniittisessa ruostumattomassa teräksessä voi vähentää magnetismia palauttamalla vakaamman austeniittisen rakenteen.
Tästä syystä samalla metalliseoksella voi esiintyä erilaista magneettista käyttäytymistä ennen lämpökäsittelyä ja sen jälkeen.
Kylmätyöstö ja plastinen muodonmuutos
Mekaaninen muodonmuutos voi lisätä magnetismia, erityisesti austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä.
Taivutus, liikkuva, leimaaminen, piirustus, tai raskas koneistus voi saada osan austeniitista muuttumaan martensiitiksi.
Tuloksena on teräs, joka muuttuu muodostamisen jälkeen magneettisemmaksi kuin se oli hehkutetussa tilassa.
Tämä vaikutus näkyy usein eniten:
- taivutettu ruostumaton putki,
- syvävedetyt ruostumattomat komponentit,
- raskaasti rullattu levy,
- ja koneistetut austeniittiset osat paikallisella jännityksellä.
Vaiheen tasapaino
Teräksen magneettivaste riippuu suuresti siitä, kuinka paljon ferriitti, martensiitti, ja austeniitit se sisältää.
- Enemmän ferriittiä → voimakkaampi magneettinen vaste
- Enemmän martensiittia → voimakkaampi magneettinen vaste
- Enemmän austeniittia → heikompi magneettivaste
Tämä on erityisen tärkeää ruostumattomassa duplex-teräksessä, jossa ferriitin ja austeniitin välinen tasapaino määrittää yleisen magneettisen käyttäytymisen.
Koska dupleksiteräkset sisältävät ferriittisen fraktion, ne ovat yleensä magneettisia, vaikka ne eivät ole yhtä voimakkaasti magneettisia kuin tavallinen hiiliteräs.
Lämpötila
Lämpötila voi väliaikaisesti tukahduttaa magnetismin ferromagneettisessa teräksessä.
yläpuolella Curie lämpötila, järjestetyt magneettiset domeenit menettävät kohdistuksen ja materiaali muuttuu paramagneettiseksi.
Kun teräs jäähtyy tämän kynnyksen alapuolelle, magnetismi palaa.
Tämä tarkoittaa, että kuuma teräs voi näyttää ei-magneettiselta takomisen tai lämpökäsittelyn aikana, mutta se ei tarkoita, että materiaali olisi lakannut olemasta terästä tai että se olisi menettänyt pysyvästi magneettisia ominaisuuksia.
Muutos on palautuva ja terminen.
Pinnan kunto ja paikallinen käsittely
Pinnan hionta, hitsaus, ammut, koneistus, ja jäännösjännitykset voivat aiheuttaa paikallista vaihtelua magneettisessa vasteessa.
Joissakin teräksissä, pintakerroksesta voi tulla ydintä magneettisempi, jos pinta käy läpi jännityksen aiheuttaman muutoksen tai paikallisen faasimuutoksen.
Tämä on yksi syy, miksi magneettitesti voi osoittaa epätasaista vetovoimaa samassa osassa.
4. Sovellussuuntautunut materiaalivalinta teräsmagneettisen suorituskyvyn perusteella
Teräksen magnetismi ei ole vain laboratoriouteliaisuus. Varsinaisessa tekniikassa, se vaikuttaa kokoonpanokäyttäytyminen, tunnistus yhteensopivuus, kierrätys, tarkastus, sähköinen vuorovaikutus, ja ympäristön soveltuvuus.
Oikea valinta ei siis ole "magneettinen teräs vs. ei-magneettinen teräs" yksinkertaisessa mielessä, mutta oikea teräsperhe sovelluksen magneettivaatimuksiin.
Kun vahva magnetismi on hyödyllistä
Voimakkaasti magneettiset teräkset ovat yleensä paras valinta, kun magneettivaste on hyödyllinen itse sovelluksessa.
Tyypillisiä käyttötapauksia
- Rakenteiden valmistus ja yleiskoneet
- Magneettiset kiinnitys- ja kiinnitysjärjestelmät
- Romun lajittelu ja kierrätys
- Magneettiset erottimet ja kiinnityslaitteet
- Kulumiselle alttiit hiilikomponentit, työkalu, tai martensiittista terästä
Näissä tapauksissa, vahva magneettivaste auttaa käsittelyssä, erottaminen, ja kalusteen kiinnitys.
Hiiliteräs, niukkaseosteinen teräs, työkalu terästä, ja ferriittistä tai martensiittista ruostumatonta terästä suositaan usein, koska niissä yhdistyvät mekaaninen käyttö ja luotettava magneettinen vetovoima.
Kun tarvitaan alhaista magnetismia
Jotkut sovellukset vaativat erittäin heikkoa magneettista vastetta tai lähes ei-magneettista käyttäytymistä.
Näissä tapauksissa, hehkutettua austeniittista ruostumatonta terästä on yleensä ensimmäinen materiaaliperhe, joka arvioi.
Tyypillisiä käyttötapauksia
- Lääketieteelliset ja laboratoriolaitteet
- Herkät elektroniset kokoonpanot
- Tarkkuusmittausjärjestelmät
- magneettikuvaukseen liittyvät ympäristöt
- Magneettisesti herkät kotelot ja kiinnikkeet
Näissä tilanteissa, pienikin magnetismi voi häiritä toimintaa.
Austeniittisia laatuja, kuten 304 ja 316 valitaan yleisesti, koska ne ovat yleensä heikosti magneettisia hehkutetussa tilassa.
Kuitenkin, suunnittelussa on otettava huomioon, että kylmätyöstö voi lisätä magnetismia, joten käsittelyhistorialla on yhtä paljon merkitystä kuin nimellisarvosanalla.
Kun kontrolloitu magnetismi on hyödyllistä
Jotkut sovellukset eivät vaadi maksimimagnetismia tai minimimagnetismia. He tarvitsevat ennustettavissa, kohtalainen magneettinen käyttäytyminen.
Tyypillisiä käyttötapauksia
- Duplex ruostumattomasta teräksestä valmistetut rakenteet
- Korroosionkestävät laitteet kantavuusvaatimuksilla
- Teolliset komponentit altistuvat kloridiympäristölle
- Painetta kantavat osat, jotka vaativat parempaa lujuutta kuin 316L
Duplex ruostumaton teräs on vahva esimerkki. Se tarjoaa korkean lujuuden ja korroosionkestävyyden samalla kun se pysyy magneettisena ferriittisen fraktionsa vuoksi.
Tämä on hyödyllistä, kun osan on kestettävä kloridijännityskorroosiohalkeilua ja säilytettävä silti hyvä mekaaninen suorituskyky.
Magneettinen vaste ei ole suunnittelun tavoite, mutta se on ennustettavissa oleva seuraus mikrorakenteesta.
5. Käytännön vaikutukset ja väärinkäsitykset
Miksi "ruostumattomasta teräksestä valmistettu" jääkaappini on magneettinen??
Monet jääkaapin ovet on valmistettu ferriittistä ruostumatonta terästä (ESIM., 430), ei austeniittista.
Ferriittinen ruostumaton teräs on halvempaa, on hyvä korroosionkestävyys sisäkäyttöön, ja on magneettinen – mikä mahdollistaa magneettien kätevän kiinnittymisen.
Jos jääkaappisi olisi valmistettu 304, magneetit eivät tarttuisi.
Voinko käyttää magneettia teräsromun lajitteluun?
Kyllä, mutta varauksin:
- Hiiliteräs, ferriittinen, martensiittiset → magneettiset → rautaromu.
- Austeniittista ruostumatonta (304, 316) → ei-magneettinen → arvokas ruostumaton romu.
- Duplex ruostumaton → heikosti magneettinen → voi lajitella väärin, jos ei ole varovainen.
- Kylmämuokattu austeniitti → voi olla heikosti magneettista, hämmentää lajittelijaa.
Onko "ei-magneettinen teräs" täysin ei-magneettinen?
Ei. Jopa austeniittisella ruostumattomalla teräksellä on paramagneettinen läpäisykyky >1. Vahvissa magneettikentissä (ESIM., MRI-koneet), ne tuottavat pienen mutta mitattavissa olevan vetovoiman.
Sovelluksille, jotka vaativat erittäin alhainen magneettinen herkkyys (ESIM., NMR-putket), käytetään erikoisseoksia, kuten MP35N tai titaani.
Voinko demagnetoida magneettisen teräksen?
Kyllä, mutta rajoituksin:
- Hiiliteräkselle: soveltaa vaihtoa, magneettikentän väheneminen (kaasunpoisto). Kuitenkin, teräksen ferromagneettinen luonne säilyy; se voidaan uudelleenmagnetoida helposti.
- Austeniittisen ruostumattoman teräksen muodonmuutoksen aiheuttamalle martensiitille: korkean lämpötilan liuoshehkutus (1050° C) palauttaa ei-magneettisen austeniitin, poistamalla magnetismin. Mutta tämä ei ole käytännöllistä suurille kokoonpanoille.
6. Johtopäätös
"On teräs magneettinen?”Ei voi vastata yksinkertaisesti kyllä tai ei. Oikea vastaus on:
Teräs on magneettinen, jos sen kiderakenne huoneenlämpötilassa on ruumiinkeskeinen kuutio (BCC) tai vartalokeskeinen nelikulmainen (Bct).
Se on ei-magneettinen (paramagneettinen) jos sen rakenne on kasvokeskeinen kuutio (FCC).
Magnetismin taustalla olevan metallurgian ymmärtäminen antaa insinöörille mahdollisuuden valita oikean teräksen magneettisista istukkaista (missä tarvitaan voimakasta ferromagnetismia) MRI-yhteensopiviin kirurgisiin työkaluihin (jossa jopa jälkimagnetismi on kielletty).
Testaa aina kalibroidulla menetelmällä, äläkä koskaan luota yksinkertaiseen magneettitestiin kriittisen materiaalin varmentamiseen.
Faqit
Voiko ei-magneettinen 316L muuttua magneettiseksi hitsauksen jälkeen?
Paikallista delta-ferriittiä saostuu hitsauslämmön vaikutusalueen sisällä epätasaisen jäähdytyksen aikana, tuottaa heikkoa osittaista magnetismia hitsisaumojen lähellä; yleinen pohjalevy säilyttää edelleen ei-magneettisen ominaisuuden.
Miksi paljon nikkeliä sisältävä austeniitti on ei-magneettinen, kun taas vähän nikkeliä sisältävä ruostumaton teräs on magneettista?
Nikkeli stabiloi FCC-austeniittihilaa, mikä häiritsee järjestetyn magneettialueen järjestelyä; vähäkromi-nikkelikoostumus ei voi estää BCC-ferriitin muodostumista luontaisella ferromagnetismilla.
Vaikuttaako ruostumattoman teräksen magnetismi sen korroosionestokykyyn??
Muodon aiheuttama osittainen magnetismi ei muuta seoksen kromin passiivisen kalvonmuodostuskykyä;
korroosionkestävyys pysyy alkuperäisen luokan spesifikaatioiden mukaisena pienestä paikallisesta magneettisesta vaihtelusta huolimatta.
Onko olemassa ferromagneettisia austeniittisia teräksiä??
Kyllä, mutta ei yleistä. Jotain korkea-mangaanipitoista, korkeaalumiiniteräkset (niin sanottu "ei-magneettinen".) voi olla ferromagneettista erittäin alhaisissa lämpötiloissa.
Huoneenlämpötilassa, Mikään vakaa austeniittinen kaupallinen ruostumaton teräs ei ole ferromagneettista.
