Je čelični magnetski? Potpuni vodič za magnetizam čelika

Uvod

Na prvi pogled, pitanje „Je li čelik magnetičan?” čini se trivijalnim. Spajalica se zalijepi za magnet za hladnjak – pa da, čelik je magnetičan.

Ali pitajte inženjera koji radi s komponentama cjevovoda od nehrđajućeg čelika, a odgovor postaje: ovisi.

Čelik nije jedan materijal; to je obitelj legura željeza i ugljika s vrlo različitim mikrostrukturama.

Neki čelici su jako feromagnetični, drugi su potpuno nemagnetični, a nekoliko pada između.

Ovaj članak secira magnetizam čelika iz pet kutova: fundamentalna fizika, kristalografija, sastav legure, povijest obrade, i praktično testiranje.

Do kraja, shvatit ćete ne samo da li dati čelik je magnetičan, ali zašto – i kako predvidjeti ili modificirati to ponašanje.

1. Zašto je čelik obično magnetski

Čelik je obično magnetičan jer se na njemu grade najčešće metalurške faze željezo, a željezo je feromagnetski element u svojim tjelesno centriranim kristalnim oblicima.

Praktično, magnetski odgovor čelika kontrolira kristalna struktura, poravnanje spina elektrona, i ravnoteža faza.

Što više čelik sadrži feritnu ili martenzitnu strukturu, to će njegova privlačnost prema magnetu općenito biti jača.

Kristalna struktura kao temelj magnetizma

Magnetsko ponašanje čelika nije slučajno. To je ukorijenjeno u načinu na koji su atomi željeza raspoređeni u kristalnoj rešetki i u tome kako njihovi nespareni elektroni međusobno djeluju.

Ferit: glavna magnetska faza

Najvažnija magnetska faza u običnom čeliku je alfa ferit, koji ima a tjelesno centriran kubik (BCC) kristalna struktura.

U ovom rasporedu, atomi željeza omogućuju lako poravnavanje magnetskih domena, pa materijal pokazuje jak feromagnetizam.

Zato ugljični čelik, niskolegirani čelik, a mnogi konstrukcijski čelici snažno privlače magnet.

Austenit: slabo magnetna ili nemagnetska faza

Za razliku od, Austenit ima kubik usredotočen na lice (FCC) struktura.

Ovo čvršće atomsko pakiranje mijenja raspored elektrona i sprječava dugotrajno poravnavanje magnetske domene na isti način kao ferit.

Kao rezultat, austenitni čelik je tipično slabo magnetičan ili gotovo nemagnetičan u žarenom stanju.

martenzit: magnetski i otvrdnuti

Kad se čelik kali, austenit se može pretvoriti u martenzit, tetragonalna struktura usmjerena na tijelo izvedena iz obitelji BCC.

Martenzit ostaje magnetski osjetljiv, zbog čega su kaljeni čelici još uvijek magnetični i često čak i jače od austenitnog stanja iz kojeg potječu.

Zašto je čelik na sobnoj temperaturi obično magnetski

Na sobnoj temperaturi, najčešći čelici sadrže ili ferit, martenzit, ili mješavina oba. Ove faze čuvaju poravnanje domene potrebno za feromagnetizam.

Zato obični konstrukcijski čelik, alatni čelik, a mnogi legirani čelici snažno reagiraju na magnet bez posebne obrade.

Austenitni čelici su glavna iznimka, ali ni oni nisu uvijek potpuno nemagnetični.

Hladni rad, formiranje, ili teška deformacija može stvoriti lokalnu martenzitnu transformaciju i učiniti ih djelomično magnetskim.

Tako, praktičan odgovor “čelik je magnetski?” je: feromagnetski čelici su magnetski; paramagnetski čelici su gotovo nemagnetični za slučajno promatranje.

Curiejev temperaturni učinak

Magnetizam u čeliku također ovisi o temperaturi. Svaki feromagnetski materijal ima a Curiejeva temperatura, iznad kojih toplinska agitacija nadvladava sređivanje magnetske domene i materijal postaje paramagnetičan.

Za čisto željezo, Curiejeva temperatura je oko 770° C. Iznad ove točke, željezo privremeno gubi svoj feromagnetizam.

Kad se ohladi vratiti, magnetizam se vraća bez trajne promjene sastava.

Ovo objašnjava korisno industrijsko opažanje: čelik može izgledati nemagnetski dok je vruć tijekom kovanja, toplotna obrada, ili austenitizirajući, ali ponovno dobiva svoje magnetsko ponašanje nakon hlađenja.

Magnetska promjena je stoga reverzibilna i uvjetovana temperaturom, nije nužno znak kemijske promjene.

2. Magnetic Behavior by Steel Family

U praktičnom inženjerskom smislu, što više čelična obitelj sadrži ferit ili martenzit, to je više magnetičan.

Što se više stabilizira u an austenitski struktura, to njegov magnetski odgovor obično postaje slabiji.

Uobičajene porodice čelika i magnetsko ponašanje

3. Što mijenja magnetski odgovor čelika

Steelov magnetski odgovor nije fiksan. Može se promijeniti sa sastav, toplotna obrada, deformacija, ravnoteža faza, i temperaturu.

Praktično, čelik koji se čini jako magnetskim u jednom stanju može postati slabiji, jači, ili lokalno varijabilni u drugom.

Kemija legiranja

Legirajući elementi u čeliku utječu na to koje će se faze formirati i koliko će ostati stabilne.

• Nikla nastoji stabilizirati austenit i smanjiti magnetski odziv.
• Krom poboljšava otpornost na koroziju, ali sam po sebi ne uklanja magnetizam.
• Mangan i dušik također može stabilizirati austenitnu strukturu u nekim čelicima.
• Ugljik snažno utječe na kaljivost i može pospješiti martenzitnu transformaciju nakon kaljenja.

Zato je običan ugljični čelik obično jako magnetičan, dok austenitni nehrđajući čelik sa značajnim sadržajem nikla može biti samo slabo magnetičan.

Toplotna obrada

Toplinska obrada mijenja unutarnju kristalnu strukturu čelika, a to izravno mijenja magnetizam.

• Žalost može omekšati čelik i promijeniti magnetski odgovor ovisno o prisutnoj fazi.
• Gašenje može pretvoriti austenit u martenzit, što obično povećava magnetizam.
• Odmrzavanje modificira martenzit, ali općenito ne eliminira magnetsko ponašanje.
• Otopina u austenitnom nehrđajućem čeliku može smanjiti magnetizam vraćanjem stabilnije austenitne strukture.

Zbog toga ista legura može pokazivati ​​različito magnetsko ponašanje prije i nakon toplinske obrade.

Hladna obrada i plastična deformacija

Mehanička deformacija može povećati magnetizam, posebno kod austenitnih nehrđajućih čelika.

Savijanje, kotrljanje, žigosanje, izvlačenje, ili teška strojna obrada može uzrokovati transformaciju dijela austenita u martenzit.

Rezultat je čelik koji nakon oblikovanja postaje više magnetičan nego što je bio u žarenom stanju.

Taj je učinak često najuočljiviji u:

• savijena nehrđajuća cijev,
• duboko izvučene nehrđajuće komponente,
• jako smotani lim,
• i strojno obrađeni austenitni dijelovi s lokalnim naprezanjem.

Ravnoteža faza

Steelov magnetski odgovor uvelike ovisi o tome koliko ferit, martenzit, i Austenit sadrži.

• Više ferita → jači magnetski odziv
• Više martenzita → jači magnetski odziv
• Više austenita → slabiji magnetski odziv

Ovo je posebno važno kod duplex nehrđajućeg čelika, gdje ravnoteža između ferita i austenita određuje ukupno magnetsko ponašanje.

Budući da duplex čelici sadrže feritnu frakciju, obično su magnetski iako nisu tako snažno magnetski kao obični ugljični čelik.

Temperatura

Temperatura može privremeno potisnuti magnetizam u feromagnetskom čeliku.

Iznad Curiejeva temperatura, uređene magnetske domene gube poravnanje i materijal postaje paramagnetičan.

Nakon što se čelik ohladi ispod tog praga, magnetizam se vraća.

To znači da vrući čelik može izgledati nemagnetski tijekom kovanja ili toplinske obrade, ali to ne znači da je materijal prestao biti čelik ili da je trajno izgubio magnetska svojstva.

Promjena je reverzibilna i toplinska.

Stanje površine i lokalna obrada

Površinsko brušenje, zavarivanje, shot peening, obrada, a zaostala naprezanja mogu stvoriti lokalne varijacije u magnetskom odgovoru.

Kod nekih čelika, površinski sloj može postati magnetskiji od jezgre ako površina prolazi kroz transformaciju izazvanu naprezanjem ili lokaliziranu faznu promjenu.

Ovo je jedan od razloga zašto test magneta može pokazati neravnomjerno privlačenje na istom dijelu.

4. Odabir materijala usmjeren na primjenu na temelju magnetske izvedbe čelika

Čelični magnetizam nije samo laboratorijska zanimljivost. U stvarnom inženjerstvu, to utječe ponašanje sklopa, osjetilna kompatibilnost, recikliranje, inspekcija, električna interakcija, i ekološku prikladnost.

Pravi izbor stoga nije "magnetski čelik protiv nemagnetskog čelika" u jednostavnom smislu, ali prava obitelj čelika za magnetske zahtjeve primjene.

Kada je snažan magnetizam koristan

Jako magnetski čelici obično su najbolji izbor kada je magnetski odziv koristan u samoj primjeni.

Tipični slučajevi upotrebe

• Strukturalna izrada i opći strojevi
• Magnetski sustavi stezanja i učvršćenja
• Razvrstavanje i recikliranje otpada
• Magnetski separatori i držači
• Komponente od ugljika sklone habanju, alat, odnosno martenzitni čelik

U ovim slučajevima, snažan magnetski odziv pomaže pri rukovanju, odvajanje, i zadržavanje učvršćenja.

Ugljični čelik, niskolegirani čelik, alatni čelik, i feritni ili martenzitni nehrđajući čelik često se preferiraju jer kombiniraju mehaničku korisnost s pouzdanim magnetskim privlačenjem.

Kada je potreban nizak magnetizam

Neke primjene zahtijevaju vrlo slab magnetski odziv ili gotovo nemagnetsko ponašanje.

U tim slučajevima, žareni austenitni nehrđajući čelik je obično prva obitelj materijala za procjenu.

Tipični slučajevi upotrebe

• Medicinska i laboratorijska oprema
• Osjetljivi elektronički sklopovi
• Precizni mjerni sustavi
• Okruženja povezana s MRI
• Magnetski osjetljiva kućišta i uređaji

U tim situacijama, čak i blagi magnetizam može ometati rad.

Austenitni stupnjevi kao što su 304 i 316 obično se odabiru jer su obično slabo magnetični u žarenom stanju.

Međutim, dizajn mora uzeti u obzir činjenicu da hladni rad može povećati magnetizam, tako da je povijest obrade važna koliko i nazivna ocjena.

Kada je kontrolirani magnetizam koristan

Neke primjene ne zahtijevaju maksimalni ili minimalni magnetizam. Oni trebaju predvidljiv, umjereno magnetsko ponašanje.

Tipični slučajevi upotrebe

• Duplex konstrukcije od nehrđajućeg čelika
• Oprema otporna na koroziju sa zahtjevima za nosivost
• Industrijske komponente izložene kloridnim sredinama
• Dijelovi koji nose pritisak zahtijevaju veću čvrstoću od 316L

Duplex nehrđajući čelik je snažan primjer. Nudi visoku čvrstoću i otpornost na koroziju dok ostaje magnetičan zbog svoje feritne frakcije.

Ovo je korisno kada se dio mora oduprijeti pucanju od korozije uslijed naprezanja klorida i još uvijek zadržati dobru mehaničku izvedbu.

Magnetski odgovor nije cilj dizajna, ali je predvidljiva posljedica mikrostrukture.

5. Praktične implikacije i zablude

Zašto je moj hladnjak od "nehrđajućeg čelika" magnetski?

Mnoga su vrata hladnjaka izrađena od feritni nehrđajući čelik (Npr., 430), nije austenit.

Feritni nehrđajući je jeftiniji, ima dobru otpornost na koroziju za unutarnju upotrebu, i je magnetski – što praktično omogućuje lijepljenje magneta.

Kad bi vaš hladnjak bio napravljen od 304, magneti se ne bi lijepili.

Mogu li koristiti magnet za sortiranje čeličnog otpada?

Da, ali s ogradama:

• Ugljični čelik, feritski, martenzitni → magnetski → željezni otpad.
• Austenitski nehrđajući (304, 316) → nemagnetski → visokovrijedni nehrđajući otpad.
• Duplex nehrđajući → slabo magnetski → može se pogrešno sortirati ako niste pažljivi.
• Hladno obrađeni austenit → može biti slabo magnetičan, zbunjujući sorter.

Je li "nemagnetski čelik" potpuno nemagnetičan?

Ne. Čak i austenitni nehrđajući metal ima paramagnetsku propusnost >1. U jakim magnetskim poljima (Npr., MRI aparati), proizvode malu, ali mjerljivu privlačnost.

Za aplikacije koje zahtijevaju krajnje niska magnetska osjetljivost (Npr., NMR cijevi), koriste se posebne legure poput MP35N ili titana.

Mogu li demagnetizirati magnetski čelik?

Da, ali s ograničenjima:

• Za ugljični čelik: primijeniti izmjeničnu, opadajuće magnetsko polje (demagnetiziranje). Međutim, ostaje feromagnetska priroda čelika; može se lako ponovno magnetizirati.
• Za martenzit izazvan deformacijom u austenitnom nehrđajućem metalu: visokotemperaturno žarenje u otopini (1050° C) obnovit će nemagnetski austenit, eliminiranje magnetizma. Ali to je nepraktično za velike sklopove.

6. Zaključak

“Je li čelik magnetski?” ne može se odgovoriti s jednostavnim da ili ne. Točan odgovor je:

Čelik je magnetski ako je njegova kristalna struktura na sobnoj temperaturi kubna u središtu tijela (BCC) ili tjelesnocentrični tetragonalni (BCT).

Nemagnetski je (paramagnetski) ako je njegova struktura kockasta u središtu lica (FCC).

Razumijevanje metalurgije iza magnetizma omogućuje inženjerima da odaberu pravi čelik za primjene u rasponu od magnetskih steznih glava (gdje je potreban jak feromagnetizam) na kirurške alate kompatibilne s MRI (gdje je čak i magnetizam u tragovima zabranjen).

Uvijek testirajte kalibriranom metodom, i nikad se ne oslanjajte samo na jednostavan magnetski test za provjeru kritičnog materijala.

 

Česta pitanja

Može li nemagnetski 316L postati magnetski nakon zavarivanja?

Lokalni delta ferit taloži se unutar zone utjecaja topline zavarivanja tijekom neravnomjernog hlađenja, generiranje slabog djelomičnog magnetizma u blizini zavarenih šavova; ukupna osnovna ploča i dalje zadržava nemagnetsko svojstvo.

Zašto je austenit s visokim udjelom nikla nemagnetičan, dok je feritni nehrđajući čelik s niskim udjelom nikla magnetičan?

Nikal stabilizira FCC austenitnu rešetku koja remeti uređeni raspored magnetskih domena; formulacija s niskim sadržajem kroma i nikla ne može suzbiti stvaranje BCC ferita s inherentnim feromagnetizmom.

Utječe li magnetizam nehrđajućeg čelika na njegovu antikorozivnu sposobnost?

Djelomični magnetizam izazvan deformacijom ne mijenja sposobnost stvaranja pasivnog sloja kroma legure;

otpornost na koroziju ostaje u skladu s izvornom specifikacijom kvalitete bez obzira na manje lokalne magnetske varijacije.

Postoje li feromagnetski austenitni čelici?

Da, ali nije uobičajeno. Nešto s visokim sadržajem mangana, čelici s visokim postotkom aluminija (zapravo takozvani "nemagnetski".) mogu biti feromagnetski na vrlo niskim temperaturama.

Na sobnoj temperaturi, niti jedan stabilni austenitni komercijalni nehrđajući čelik nije feromagnetičan.