Įvadas
At first glance, klausimas „Ar plienas yra magnetinis?“ atrodo trivialus. Prie šaldytuvo magneto prilimpa sąvaržėlė – taip, plienas yra magnetinis.
Tačiau paklauskite inžinieriaus, dirbančio su nerūdijančio plieno vamzdynų komponentais, ir atsakymas tampa: tai priklauso.
Plienas nėra viena medžiaga; tai geležies ir anglies lydinių šeima su labai įvairiomis mikrostruktūromis.
Kai kurie plienai yra stipriai feromagnetiniai, kiti yra visiškai nemagnetiniai, o keli patenka tarp jų.
Šiame straipsnyje išardomas plieno magnetizmas iš penkių kampų: fundamentalioji fizika, kristalografija, lydinio sudėtis, processing history, ir praktinis išbandymas.
Iki galo, suprasi ne tik ar tam tikras plienas yra magnetinis, Bet kodėl – ir kaip tą elgesį numatyti ar pakeisti.
1. Kodėl plienas paprastai yra magnetinis
Plienas paprastai yra magnetinis, nes yra pastatytos dažniausiai jo metalurginės fazės lygintuvas, o geležis yra feromagnetinis elementas savo kūno centre esančiomis kristalų formomis.
Praktiškai, plieno magnetinį atsaką valdo kristalų struktūra, elektronų sukimosi lygiavimas, ir fazių balansas.
Kuo daugiau pliene yra feritinės ar martensitinės struktūros, tuo stipresnis bus jo trauka prie magneto.
Kristalinė struktūra kaip magnetizmo pagrindas
Plieno magnetinis elgesys nėra atsitiktinis. Tai priklauso nuo to, kaip geležies atomai yra išsidėstę kristalinėje gardelėje ir kaip sąveikauja jų nesuporuoti elektronai..
Feritas: pagrindinė magnetinė fazė
Svarbiausia įprasto plieno magnetinė fazė yra alfa feritas, kuri turi a į kūną orientuotas kubinis (BCC) kristalų struktūra.
Šioje sutartyje, Geležies atomai leidžia lengvai suderinti magnetinius domenus, todėl medžiaga pasižymi stipriu feromagnetizmu.
Štai kodėl anglinis plienas, mažai legiruoto plieno, o daugelį konstrukcinių plienų stipriai traukia magnetas.
Austenitai: silpnai magnetinė arba nemagnetinė fazė
Priešingai, Austenitas turi a į veidą orientuotas kubinis (FCC) struktūra.
Šis griežtesnis atominis įpakavimas keičia elektronų išdėstymą ir neleidžia tolimojo magnetinio domeno išlyginimo taip pat, kaip ir feritas..
Dėl to, austenitinis plienas atkaitintas paprastai yra silpnai magnetinis arba beveik nemagnetinis.
Martensitas: magnetinis ir grūdintas
Kai plienas gesinamas, austenitas gali virsti martensitas, į kūną orientuota tetragoninė struktūra, kilusi iš BCC šeimos.
Martensitas išlieka magnetiškai jautrus, todėl grūdintas plienas vis dar yra magnetinis ir dažnai net stipresnis už austenitinę būklę, iš kurios jie atsirado.
Kodėl kambario temperatūros plienas dažniausiai yra magnetinis
Kambario temperatūroje, dažniausiai plienuose yra arba ferito, martensitas, arba abiejų mišinys. Šios fazės išsaugo domeno suderinimą, reikalingą feromagnetizmui.
Štai kodėl paprastas konstrukcinis plienas, įrankių plieno, ir daugelis legiruotų plienų stipriai reaguoja į magnetą be jokio specialaus apdorojimo.
Austenitiniai plienai yra pagrindinė išimtis, bet net ir jie ne visada yra visiškai nemagnetiniai.
Šaltas darbas, formavimas, arba stipri deformacija gali sukelti vietinę martensitinę transformaciją ir padaryti juos iš dalies magnetinius.
| Magnetinis elgesys | Aprašymas | Atsiranda pliene? |
| Feromagnetinis | Stipri trauka; išlaiko magnetizmą (isterezė) | Taip – dauguma anglinio plieno, feritinis nerūdijantis, martensitinis nerūdijantis |
| Paramagnetinis | Silpnas, laikina atrakcija; jokios histerezės | Taip – austenitiniai nerūdijantys plienai (Pvz., 304, 316) |
| Antiferomagnetinis | Nėra tinklo įmagnetinimo; magnetiniai momentai panaikinami | Ne |
| Diamagnetinis | Labai silpnas atstūmimas; visos medžiagos tai turi | Ne (priblokšti stipresnio plieno poveikio) |
Taigi, praktinis atsakymas „yra plieninis magnetinis?“ yra: feromagnetiniai plienai yra magnetiniai; paramagnetinis plienas yra beveik nemagnetinis, o atsitiktinis stebėjimas.
Curie temperatūros efektas
Plieno magnetizmas taip pat priklauso nuo temperatūros. Kiekviena feromagnetinė medžiaga turi a Curie temperatūra, virš kurio terminis maišymas įveikia magnetinio srities tvarką ir medžiaga tampa paramagnetine.
Dėl grynos geležies, Curie temperatūra yra apie 770° C.. Virš šio taško, geležis laikinai praranda feromagnetizmą.
Kai vėl atvės, magnetizmas grįžta be jokių nuolatinių kompozicijos pokyčių.
Tai paaiškina naudingą pramoninį stebėjimą: kalimo metu karštas plienas gali atrodyti nemagnetinis, terminis apdorojimas, arba austenitizuojantis, bet po aušinimo atgauna savo magnetinį elgesį.
Todėl magnetinis pokytis yra grįžtamas ir priklausomas nuo temperatūros, nebūtinai cheminių pokyčių požymis.
2. „Steel Family“ magnetinis elgesys
Praktine inžinerine prasme, tuo daugiau plieno šeimoje feritas arba martensitas, tuo jis labiau magnetinis.
Kuo labiau jis stabilizuojamas an Austenitinis struktūra, tuo jo magnetinis atsakas paprastai tampa silpnesnis.
Įprastos plieno šeimos ir magnetinis elgesys
| Plieninė šeima | Bendri pažymiai / tipai | Tipiškas magnetinis elgesys | Techninė pastaba |
| Anglies plienas | AISI 1010, 1018, 1020, 1045, 1095 | Stipriai magnetinis | Daugumoje anglinio plieno yra ferito ir (arba) martensito, todėl dažniausiai juos stipriai traukia magnetas. |
| Mažai legiruotas plienas | 4140, 4340, 8620, 4130 | Stipriai magnetinis | Legiravimas nepašalina magnetizmo, nebent jis stipriai stabilizuoja austenitą; dauguma mažai legiruotų plienų išlieka magnetiniai. |
| Legiruotas plienas | Chromo-molibdeno plienas, nikelio-chromo plieno, konstrukcinis legiruotas plienas | Paprastai magnetinis | „Legiruotasis plienas“ yra plati kategorija; dauguma rūšių vis dar yra feritinės arba martensitinės, todėl magnetinės. |
| Konstrukcinis plienas | ASTM A36, Q235, S235, S355 | Stipriai magnetinis | Plačiai naudojamas konstrukcinis plienas paprastai yra feritinis ir aiškiai reaguoja į magnetus. |
| Įrankio plienas | D2, O1, A2, H13, W1 | Stipriai magnetinis | Įrankių plienas dažnai yra magnetinis net po terminio apdorojimo, nes martensitas yra dominuojanti fazė. |
Spyruoklinis plienas |
5160, 1075, 1095 spyruoklinis plienas | Stipriai magnetinis | Daug anglies turintis spyruoklinis plienas po terminio apdorojimo paprastai būna martensitinis ir išlieka stipriai magnetinis. |
| Guolių plienas | AISI 52100 | Stipriai magnetinis | Daug anglies turintis chromo guolių plienas paprastai yra magnetinis dėl savo martensitinės matricos. |
| Atmosferos poveikiui atsparus plienas | Kortenas A, Kortenas B | Stipriai magnetinis | Atmosferos poveikiui atsparus plienas vis dar yra geležies pagrindu pagamintas konstrukcinis plienas ir išlaiko stiprų magnetinį atsaką. |
| Elektrinis plienas / silicio plieno | M19, M27, 1008 elektrinis plienas | Magnetinis, dažnai sukurta kontroliuojamam magnetizmui | Šie plienai yra specialiai sukurti variklių ir transformatorių magnetiniam veikimui. |
| Feritinis nerūdijantis plienas | 409, 430, 439 | Magnetinis | Feritinis nerūdijantis plienas išlieka magnetinis, nes jų struktūra yra feritinė, ne austenitinis. |
Martensitinis nerūdijantis plienas |
410, 420, 440C | Stipriai magnetinis | Šios klasės yra magnetinės ir grūdinamos. |
| Dvipusis nerūdijantis plienas | 2205, 2507 | Magnetinis | Dvipusio plieno sudėtyje yra ir ferito, ir austenito, todėl jie rodo pastebimą magnetizmą. |
| Austenitinis nerūdijantis plienas | 304, 316, 316L, 321 | Paprastai nuo silpno iki beveik nemagnetinio | Atkaitintos sąlygos paprastai yra nemagnetinės arba tik šiek tiek magnetinės; šaltas darbas gali padidinti magnetizmą. |
| Nuo kritulių kietėjantis nerūdijantis plienas | 17-4Ph, 15-5Ph, 13-8MO | Paprastai magnetinis | Šios klasės dažnai pasižymi magnetiniu atsaku dėl jų mišrios struktūros ir terminio apdorojimo būsenos. |
3. Kas keičia plieno magnetinį atsaką
Plieno magnetinis atsakas nėra fiksuotas. Jis gali keistis su kompozicija, terminis apdorojimas, deformacija, fazių balansas, ir temperatūra.
Praktiškai, plienas, kuris vienoje būsenoje atrodo stipriai magnetinis, gali susilpnėti, stipresnis, arba lokaliai kintama kitoje.
Legiravimo chemija
Plieno legiravimo elementai įtakoja, kokios fazės susidaro ir kaip jos išlieka stabilios.
- Nikelis linkęs stabilizuoti austenitą ir sumažinti magnetinį atsaką.
- Chromas pagerina atsparumą korozijai, bet savaime nepanaikina magnetizmo.
- Manganas ir azotas taip pat gali stabilizuoti kai kurių plienų austenitinę struktūrą.
- Anglies stipriai veikia kietėjimą ir gali paskatinti martensitinę transformaciją po gesinimo.
Štai kodėl paprastas anglinis plienas paprastai yra stipriai magnetinis, tuo tarpu austenitinis nerūdijantis plienas, kuriame yra daug nikelio, gali būti tik silpnai magnetinis.
Terminis apdorojimas
Terminis apdorojimas keičia vidinę plieno kristalų struktūrą, ir tai tiesiogiai keičia magnetizmą.
- Atkaitinimas gali suminkštinti plieną ir pakeisti magnetinį atsaką, priklausomai nuo esamos fazės.
- Gesinimas gali paversti austenitą į martensitą, kuris dažniausiai didina magnetizmą.
- Grūdinimas modifikuoja martensitą, bet paprastai nepanaikina magnetinio elgesio.
- Sprendimo atkaitinimas austenitiniame nerūdijančiame pliene gali sumažinti magnetizmą atkurdamas stabilesnę austenitinę struktūrą.
Štai kodėl tas pats lydinys gali turėti skirtingą magnetinį elgesį prieš ir po terminio apdorojimo.
Šaltasis darbas ir plastinė deformacija
Mechaninė deformacija gali padidinti magnetizmą, ypač austenitiniame nerūdijančiame pliene.
Lenkimas, riedėjimas, štampavimas, Piešimas, arba sunkiai apdirbant, dalis austenito gali virsti martensitu.
Rezultatas yra plienas, kuris po formavimo tampa magnetiškesnis nei buvo atkaitintas.
Šis poveikis dažniausiai pastebimas:
- išlenktas nerūdijančio plieno vamzdis,
- giliai tempti nerūdijančio plieno komponentai,
- stipriai valcuotas lapas,
- ir apdirbtos austenitinės dalys su vietine deformacija.
Fazių balansas
Plieno magnetinis atsakas labai priklauso nuo to, kiek feritas, martensitas, ir Austenitas jame yra.
- Daugiau ferito → stipresnis magnetinis atsakas
- Daugiau martensito → stipresnis magnetinis atsakas
- Daugiau austenito → silpnesnis magnetinis atsakas
Tai ypač svarbu naudojant dvipusį nerūdijantį plieną, kur ferito ir austenito pusiausvyra lemia bendrą magnetinį elgesį.
Kadangi dvipusio plieno sudėtyje yra feritinės frakcijos, jie paprastai yra magnetiniai, net jei jie nėra tokie stiprūs kaip paprastas anglinis plienas.
Temperatūra
Temperatūra gali laikinai slopinti feromagnetinio plieno magnetizmą.
Virš Curie temperatūra, sutvarkyti magnetiniai domenai praranda išlyginimą ir medžiaga tampa paramagnetine.
Kai plienas atvės žemiau šios ribos, magnetizmas grįžta.
Tai reiškia, kad kalimo ar terminio apdorojimo metu karštas plienas gali atrodyti nemagnetinis, bet tai nereiškia, kad medžiaga nustojo būti plienas arba visam laikui prarado magnetines savybes.
Pokytis yra grįžtamasis ir terminis.
Paviršiaus būklė ir vietinis apdorojimas
Paviršiaus šlifavimas, suvirinimas, Nušauti peening, apdirbimas, o liekamieji įtempiai gali sukelti vietinius magnetinio atsako pokyčius.
Kai kuriuose plienuose, Paviršinis sluoksnis gali tapti magnetiškesnis nei šerdis, jei paviršiuje vyksta deformacijos sukelta transformacija arba lokalizuotas fazės pokytis.
Tai yra viena iš priežasčių, kodėl magneto bandymas gali parodyti netolygią trauką toje pačioje dalyje.
4. Į taikymą orientuotas medžiagų pasirinkimas, pagrįstas plieno magnetinėmis savybėmis
Plieno magnetizmas nėra tik laboratorinis įdomumas. Tikroje inžinerijoje, tai daro įtaką surinkimo elgesys, jutimo suderinamumas, perdirbimas, patikrinimas, elektrinė sąveika, ir tinkamumą aplinkai.
Todėl teisingas pasirinkimas nėra „magnetinis plienas prieš nemagnetinį plieną“ tiesiogine prasme, Bet tinkama plieno šeima, atitinkanti taikymo magnetinius reikalavimus.
Kai stiprus magnetizmas yra naudingas
Stipriai magnetiniai plienai paprastai yra geriausias pasirinkimas, kai magnetinis atsakas yra naudingas pačiame pritaikyme.
Tipiški naudojimo atvejai
- Konstrukcijų gamyba ir bendroji technika
- Magnetinės tvirtinimo ir tvirtinimo sistemos
- Laužo rūšiavimas ir perdirbimas
- Magnetiniai separatoriai ir laikymo įtaisai
- Dėvintys anglies komponentai, įrankis, arba martensitinio plieno
Šiais atvejais, stiprus magnetinis atsakas padeda valdyti, atskyrimas, ir armatūros sulaikymas.
Anglies plienas, mažai legiruoto plieno, įrankių plieno, feritinis arba martensitinis nerūdijantis plienas dažnai yra pirmenybė, nes jie derina mechaninį naudingumą ir patikimą magnetinę trauką.
Kai reikalingas mažas magnetizmas
Kai kurioms programoms reikalingas labai silpnas magnetinis atsakas arba beveik nemagnetinis elgesys.
Tais atvejais, atkaitintas austenitinis nerūdijantis plienas paprastai yra pirmoji vertinama materiali šeima.
Tipiški naudojimo atvejai
- Medicininė ir laboratorinė įranga
- Jautrūs elektroniniai mazgai
- Tikslumo matavimo sistemos
- su MRT susijusi aplinka
- Magnetiškai jautrūs korpusai ir armatūra
Šiose situacijose, net nedidelis magnetizmas gali trikdyti funkciją.
Austenitinės klasės, tokios kaip 304 ir 316 dažniausiai pasirenkami, nes atkaitintoje būsenoje jie paprastai yra silpnai magnetiniai.
Tačiau, projektuojant turi būti atsižvelgta į tai, kad šaltas darbas gali padidinti magnetizmą, taigi istorijos apdorojimas yra toks pat svarbus kaip nominalus pažymys.
Kai valdomas magnetizmas yra naudingas
Kai kurioms programoms nereikia maksimalaus arba minimalaus magnetizmo. Jiems reikia nuspėjamas, vidutinio magnetinio elgesio.
Tipiški naudojimo atvejai
- Dvipusės nerūdijančio plieno konstrukcijos
- Korozijai atspari įranga, kuriai keliami laikantys reikalavimai
- Pramoniniai komponentai, veikiami chlorido aplinkos
- Slėgį laikančios dalys, kurioms reikalingas didesnis nei 316 l stiprumas
Dvipusis nerūdijantis plienas yra puikus pavyzdys. Jis pasižymi dideliu stiprumu ir atsparumu korozijai, tačiau išlieka magnetinis dėl savo feritinės frakcijos.
Tai naudinga, kai dalis turi būti atspari chlorido įtempių korozijos įtrūkimams ir vis tiek išlaikyti geras mechanines savybes.
Magnetinis atsakas nėra dizaino tikslas, bet tai yra nuspėjama mikrostruktūros pasekmė.
5. Praktinės pasekmės ir klaidingos nuomonės
Kodėl mano „nerūdijančio plieno“ šaldytuvas yra magnetinis??
Daugelis šaldytuvų durų yra pagamintos iš feritinis nerūdijantis plienas (Pvz., 430), ne austenitinis.
Feritinis nerūdijantis plienas yra pigesnis, turi gerą atsparumą korozijai naudoti patalpose, ir yra magnetinis – leidžia patogiai prilipti magnetams.
Jei jūsų šaldytuvas būtų pagamintas iš 304, magnetai nepriliptų.
Ar galiu naudoti magnetą plieno laužui rūšiuoti?
Taip, bet su išlygomis:
- Anglies plienas, feritas, martensitinis → magnetinis → geležies laužas.
- Austenitinis nerūdijantis (304, 316) → nemagnetinis → didelės vertės nerūdijančio plieno laužas.
- Dvipusis nerūdijantis plienas → silpnai magnetinis → gali būti netinkamai surūšiuotas, jei neatsargiai.
- Šaltai apdorotas austenitas → gali būti silpnai magnetinis, supainiodamas rūšiuotoją.
Ar „nemagnetinis plienas“ yra visiškai nemagnetinis?
Ne. Net austenitinė nerūdijanti medžiaga turi paramagnetinį pralaidumą >1. Stipriuose magnetiniuose laukuose (Pvz., MRT aparatai), jie sukuria nedidelę, bet išmatuojamą trauką.
Programoms, kurioms reikia ypač mažas magnetinis jautrumas (Pvz., BMR vamzdeliai), naudojami specialūs lydiniai, tokie kaip MP35N arba titanas.
Ar galiu išmagnetinti magnetinį plieną?
Taip, bet su apribojimais:
- Angliniam plienui: taikyti kaitaliojimą, mažėjantis magnetinis laukas (degazavimas). Tačiau, plieno feromagnetinis pobūdis išlieka; jį galima lengvai pakartotinai įmagnetinti.
- Įtempimo sukeltam martensitui austenitiniame nerūdijančiame plieno gaminyje: atkaitinimas aukštoje temperatūroje tirpalu (1050° C.) atkurs nemagnetinį austenitą, magnetizmo pašalinimas. Tačiau tai nepraktiška dideliems mazgams.
6. Išvada
„Ar plienas yra magnetinis?“ negalima atsakyti paprastu „taip“ arba „ne“.. Teisingas atsakymas yra:
Plienas yra magnetinis, jei jo kristalinė struktūra kambario temperatūroje yra kubinė kūno centre (BCC) arba į kūną orientuotas tetragonalas (BCT).
Jis yra nemagnetinis (paramagnetinis) jei jo struktūra yra į veidą nukreipta kubinė (FCC).
Magnetizmo metalurgijos supratimas leidžia inžinieriams pasirinkti tinkamą plieną įvairioms reikmėms, pradedant magnetiniais griebtuvais. (kur reikalingas stiprus feromagnetizmas) su MRT suderinamiems chirurginiams įrankiams (kur net pėdsakų magnetizmas draudžiamas).
Visada tikrinkite kalibruotu metodu, ir niekada nepasikliaukite vien paprastu magnetų testu, kad patikrintumėte svarbią medžiagą.
DUK
Ar nemagnetinis 316L gali pasidaryti magnetinis po suvirinimo?
Vietinis delta feritas nusėda suvirinimo karščio paveiktoje zonoje netolygaus aušinimo metu, sukuriantis silpną dalinį magnetizmą šalia suvirinimo siūlių; bendra pagrindo plokštė vis dar išlaiko nemagnetinę savybę.
Kodėl daug nikelio turintis austenitas yra nemagnetinis, o mažai nikelio turintis ferito nerūdijantis plienas yra magnetinis?
Nikelis stabilizuoja FCC austenito gardelę, kuri sutrikdo tvarkingą magnetinio domeno išdėstymą; mažai chromo ir nikelio turinčios formulės negali slopinti BCC ferito susidarymo dėl būdingo feromagnetizmo.
Ar nerūdijančio plieno magnetizmas turi įtakos jo antikoroziniam pajėgumui?
Deformacijos sukeltas dalinis magnetizmas nekeičia lydinio chromo pasyviosios plėvelės formavimo gebėjimo;
atsparumas korozijai išlieka atitinkantis pradinės klasės specifikaciją, nepaisant nedidelių vietinių magnetinių pokyčių.
Ar yra feromagnetinio austenitinio plieno?
Taip, bet ne dažnas. Šiek tiek daug mangano, didelio aliuminio plieno (vadinamieji „nemagnetiniai“.) gali būti feromagnetinis esant labai žemai temperatūrai.
Kambario temperatūroje, joks stabilus austenitinis komercinis nerūdijantis plienas nėra feromagnetinis.
