Ievads
No pirmā acu uzmetiena, jautājums “Vai tērauds ir magnētisks?”šķiet triviāls. Saspraude pielīp pie ledusskapja magnēta – tātad jā, tērauds ir magnētisks.
Bet jautājiet inženierim, kas strādā ar nerūsējošā tērauda cauruļvadu sastāvdaļām, un atbilde kļūst: tas ir atkarīgs.
Tērauds nav viens materiāls; tā ir dzelzs-oglekļa sakausējumu saime ar ļoti dažādām mikrostruktūrām.
Daži tēraudi ir stipri feromagnētiski, citi ir pilnīgi nemagnētiski, un daži iekrīt pa vidu.
Šajā rakstā ir apskatīts tērauda magnētisms no pieciem leņķiem: fundamentālā fizika, kristalogrāfija, sakausējuma sastāvs, apstrādes vēsture, un praktiskā pārbaude.
Līdz beigām, sapratīsi ne tikai vai dots tērauds ir magnētisks, bet kāpēc – un kā paredzēt vai mainīt šo uzvedību.
1. Kāpēc tērauds parasti ir magnētisks
Tērauds parasti ir magnētisks, jo uz tā ir balstītas visbiežāk sastopamās metalurģijas fāzes dzelzs, un dzelzs ir feromagnētisks elements tā uz ķermeni vērstās kristāla formās.
Praktiski, tērauda magnētisko reakciju kontrolē kristāla struktūra, elektronu spin izlīdzināšana, un fāzes līdzsvars.
Jo vairāk tēraudā ir ferīta vai martensīta struktūra, jo spēcīgāka parasti būs tā pievilkšanās magnētam.
Kristāla struktūra kā magnētisma pamats
Tērauda magnētiskā uzvedība nav nejauša. Tas sakņojas tajā, kā dzelzs atomi ir izvietoti kristāla režģī un kā to nepāra elektroni mijiedarbojas.
ferīts: galvenā magnētiskā fāze
Vissvarīgākā magnētiskā fāze parastajā tēraudā ir alfa ferīts, kurā ir a uz ķermeni orientēts kubiskais (BCC) kristāla struktūra.
Šādā izkārtojumā, dzelzs atomi ļauj magnētiskajiem domēniem viegli izlīdzināties, tāpēc materiāls uzrāda spēcīgu feromagnētismu.
Tāpēc oglekļa tērauds, mazleģētais tērauds, un daudzus konstrukciju tēraudus spēcīgi pievelk magnēts.
Austenīti: vāji magnētiskā vai nemagnētiskā fāze
Turpretī, Austenīts ir a uz seju orientēts kubiskais (FCC) struktūra.
Šis stingrāks atomu iepakojums maina elektronu izvietojumu un novērš liela attāluma magnētiskā domēna izlīdzināšanu tāpat kā ferīts.
Rezultātā, austenīta tērauds atkvēlinātā stāvoklī parasti ir vāji magnētisks vai gandrīz nemagnētisks.
Martensīts: magnētisks un rūdīts
Kad tērauds ir rūdīts, austenīts var pārveidoties par martensīts, uz ķermeni centrēta tetragonāla struktūra, kas iegūta no BCC saimes.
Martensīts joprojām ir magnētiski reaģējošs, tāpēc rūdītie tēraudi joprojām ir magnētiski un bieži vien vēl spēcīgāki nekā austenīta stāvoklis, no kura tie radušies.
Kāpēc istabas temperatūras tērauds parasti ir magnētisks
Istabas temperatūrā, visizplatītākie tēraudi satur vai nu ferītu, martensīts, vai abu maisījumu. Šīs fāzes saglabā domēna izlīdzināšanu, kas nepieciešama feromagnētismam.
Tāpēc parastais konstrukcijas tērauds, instrumentu tērauds, un daudzi leģētie tēraudi spēcīgi reaģē uz magnētu bez īpašas apstrādes.
Austenīta tēraudi ir galvenais izņēmums, bet pat tie ne vienmēr ir pilnīgi nemagnētiski.
Aukstā apstrāde, veidošanās, vai smaga deformācija var radīt lokālu martensīta transformāciju un padarīt tos daļēji magnētiskus.
| Magnētiskā uzvedība | Apraksts | Sastopams tēraudā? |
| Feromagnētisks | Spēcīga pievilcība; saglabā magnētismu (histerēze) | Jā – lielākā daļa oglekļa tēraudu, ferīta nerūsējošais materiāls, martensīta nerūsējošais materiāls |
| Paramagnētisks | Vāja, pagaidu atrakcija; nav histerēzes | Jā – austenīta nerūsējošie tēraudi (Piem., 304, 316) |
| Antiferomagnētisks | Nav tīkla magnetizācijas; magnētiskie momenti tiek atcelti | Ne |
| Diamagnētisks | Ļoti vāja atbaidīšana; visiem materiāliem tas ir | Ne (pārņem spēcīgāki efekti tēraudā) |
Tā, praktiskā atbilde “ir tērauda magnētisks?” ir: feromagnētiskie tēraudi ir magnētiski; paramagnētiskie tēraudi ir gandrīz nemagnētiski vai nejauši novērojami.
Kirī temperatūras efekts
Magnētisms tēraudā ir atkarīgs arī no temperatūras. Katram feromagnētiskajam materiālam ir a Kirī temperatūra, virs kura termiskā sajaukšana pārvar magnētisko domēnu sakārtotību un materiāls kļūst paramagnētisks.
Par tīru dzelzi, Kirī temperatūra ir aptuveni 770° C. Virs šī punkta, dzelzs īslaicīgi zaudē savu feromagnētismu.
Kad tas atkal atdziest, magnētisms atgriežas bez pastāvīgām sastāva izmaiņām.
Tas izskaidro noderīgu rūpniecisku novērojumu: tērauds var izskatīties nemagnētisks, kamēr tas ir karsts kalšanas laikā, termiskā apstrāde, vai austenitizēšana, bet pēc atdzesēšanas atgūst savu magnētisko izturēšanos.
Tāpēc magnētiskās izmaiņas ir atgriezeniskas un atkarīgas no temperatūras, ne vienmēr ir ķīmisku izmaiņu pazīme.
2. Tērauda ģimenes magnētiskā uzvedība
Praktiskās inženierijas ziņā, jo vairāk tērauda saime satur ferīts vai martensīts, jo magnētiskāks tas mēdz būt.
Jo vairāk tas tiek stabilizēts an austenīts struktūra, jo vājāka parasti kļūst tā magnētiskā reakcija.
Parastās tērauda saimes un magnētiskā uzvedība
| Tērauda ģimene | Kopējās atzīmes / veidi | Tipiska magnētiskā uzvedība | Tehniska piezīme |
| Oglekļa tērauds | Aisi 1010, 1018, 1020, 1045, 1095 | Spēcīgi magnētisks | Lielākā daļa oglekļa tēraudu satur ferītu un/vai martensītu, tāpēc tos parasti stipri pievelk magnēts. |
| Mazleģētais tērauds | 4140, 4340, 8620, 4130 | Spēcīgi magnētisks | Leģēšana nenoņem magnētismu, ja vien tas spēcīgi nestabilizē austenītu; vairums mazleģēto tēraudu paliek magnētiski. |
| Leģētais tērauds | Hroma-molibdēna tērauds, niķeļa-hroma tērauds, strukturālais leģētais tērauds | Parasti magnētisks | “Leģētais tērauds” ir plaša kategorija; lielākā daļa šķirņu joprojām ir ferīta vai martensīta un tāpēc magnētiskas. |
| Konstrukciju tērauds | ASTM A36, Q235, S235, S355 | Spēcīgi magnētisks | Plaši izmantotie konstrukciju tēraudi parasti ir ferīta un skaidri reaģē uz magnētiem. |
| Instrumentu tērauds | D2, O1, A2, H13, W1 | Spēcīgi magnētisks | Instrumentu tēraudi bieži ir magnētiski pat pēc termiskās apstrādes, jo martensīts ir dominējošā fāze. |
Atsperu tērauds |
5160, 1075, 1095 atsperu tērauds | Spēcīgi magnētisks | Atsperu tēraudi ar augstu oglekļa saturu pēc termiskās apstrādes parasti ir martensīti un paliek spēcīgi magnētiski. |
| Gultņu tērauds | Aisi 52100 | Spēcīgi magnētisks | Augsta oglekļa satura hroma nesošais tērauds parasti ir magnētisks martensīta matricas dēļ. |
| Laikapstākļu tērauds | Kortens A, Kortens B | Spēcīgi magnētisks | Laikapstākļu izturīgie tēraudi joprojām ir dzelzs konstrukciju tēraudi, un tiem ir spēcīga magnētiskā reakcija. |
| Elektriskais tērauds / silīcija tērauds | M19, M27, 1008 elektriskais tērauds | Magnētisks, bieži konstruēts kontrolētam magnētismam | Šie tēraudi ir īpaši izstrādāti magnētiskai darbībai motoros un transformatoros. |
| Ferīta nerūsējošais tērauds | 409, 430, 439 | Magnētisks | Ferīta nerūsējošie tēraudi paliek magnētiski, jo to struktūra ir ferīta, nav austenīta. |
Martensīta nerūsējošais tērauds |
410, 420, 440C | Spēcīgi magnētisks | Šīs kategorijas ir magnētiskas un rūdāmas. |
| Dupleksais nerūsējošais tērauds | 2205, 2507 | Magnētisks | Dupleksie tēraudi satur gan ferītu, gan austenītu, tāpēc tie parāda ievērojamu magnētismu. |
| Austenīta nerūsējošais tērauds | 304, 316, 316Lukturis, 321 | Parasti vāji magnētisks līdz gandrīz nemagnētisks | Atkausētā stāvoklī tie parasti nav magnētiski vai tikai nedaudz magnētiski; auksts darbs var palielināt magnētismu. |
| Nokrišņos rūdošs nerūsējošais tērauds | 17-4Ph, 15-5Ph, 13-8Noplūde | Parasti magnētisks | Šīs kategorijas bieži uzrāda magnētisku reakciju to jauktās struktūras un termiskās apstrādes stāvokļa dēļ. |
3. Kas maina tērauda magnētisko reakciju
Tērauda magnētiskā reakcija nav fiksēta. Tas var mainīties ar sastāvu, termiskā apstrāde, deformācija, fāzes līdzsvars, un temperatūru.
Praktiski, tērauds, kas vienā stāvoklī šķiet stipri magnētisks, var kļūt vājāks, stiprāks, vai lokāli mainīgs citā.
Leģēšanas ķīmija
Tērauda leģējošie elementi ietekmē to, kuras fāzes veidojas un cik stabilas tās paliek.
- Niķelis ir tendence stabilizēt austenītu un samazināt magnētisko reakciju.
- Hroms uzlabo izturību pret koroziju, bet pats par sevi nenoņem magnētismu.
- Mangāns un slāpeklis var arī stabilizēt dažu tēraudu austenīta struktūru.
- Ogleklis spēcīgi ietekmē sacietēšanu un var veicināt martensīta transformāciju pēc rūdīšanas.
Tāpēc vienkāršs oglekļa tērauds parasti ir stipri magnētisks, savukārt austenīta nerūsējošais tērauds ar ievērojamu niķeļa saturu var būt tikai vāji magnētisks.
Termiskā apstrāde
Termiskā apstrāde maina tērauda iekšējo kristāla struktūru, un tas tieši maina magnētismu.
- Rūdīšana var mīkstināt tēraudu un mainīt magnētisko reakciju atkarībā no esošās fāzes.
- Rūdīšana var pārvērst austenītu par martensītu, kas parasti palielina magnētismu.
- Rūdījums modificē martensītu, bet parasti nenovērš magnētisko uzvedību.
- Risinājumu rūdīšana austenīta nerūsējošais tērauds var samazināt magnētismu, atjaunojot stabilāku austenīta struktūru.
Tāpēc vienam un tam pašam sakausējumam var būt atšķirīga magnētiskā darbība pirms un pēc termiskās apstrādes.
Aukstais darbs un plastiskā deformācija
Mehāniskā deformācija var palielināt magnētismu, īpaši austenīta nerūsējošajos tēraudos.
Saliekšana, ritošs, apzīmogošana, zīmējums, vai smagas apstrādes rezultātā daļa austenīta var pārveidoties par martensītu.
Rezultāts ir tērauds, kas pēc formēšanas kļūst magnētiskāks nekā atkausētā stāvoklī.
Šis efekts bieži vien ir visievērojamākais:
- saliektas nerūsējošās caurules,
- dziļi ievilktas nerūsējošā tērauda sastāvdaļas,
- stipri velmēta loksne,
- un mehāniski apstrādātas austenīta daļas ar lokālu deformāciju.
Fāzes līdzsvars
Tērauda magnētiskā reakcija lielā mērā ir atkarīga no tā, cik daudz ferīts, martensīts, un Austenīts tas satur.
- Vairāk ferīta → spēcīgāka magnētiskā reakcija
- Vairāk martensīta → spēcīgāka magnētiskā reakcija
- Vairāk austenīta → vājāka magnētiskā reakcija
Tas ir īpaši svarīgi dupleksā nerūsējošā tērauda gadījumā, kur līdzsvars starp ferītu un austenītu nosaka kopējo magnētisko uzvedību.
Tā kā dupleksajos tēraudos ir ferīta frakcija, tie parasti ir magnētiski, lai gan tie nav tik spēcīgi magnētiski kā vienkāršs oglekļa tērauds.
Temperatūra
Temperatūra var īslaicīgi nomākt magnētismu feromagnētiskajā tēraudā.
Virs Kirī temperatūra, sakārtotie magnētiskie domēni zaudē izlīdzinājumu un materiāls kļūst paramagnētisks.
Kad tērauds atdziest zem šī sliekšņa, magnētisms atgriežas.
Tas nozīmē, ka kalšanas vai termiskās apstrādes laikā karstais tērauds var izskatīties nemagnētisks, bet tas nenozīmē, ka materiāls vairs nav tērauds vai ir neatgriezeniski zaudējis magnētiskās īpašības.
Izmaiņas ir atgriezeniskas un termiskas.
Virsmas stāvoklis un vietējā apstrāde
Virsmas slīpēšana, metināšana, shot peening, apstrāde, un atlikušie spriegumi var radīt lokālas magnētiskās reakcijas izmaiņas.
Dažos tēraudos, virsmas slānis var kļūt magnētiskāks par kodolu, ja virsma tiek pakļauta deformācijas izraisītai transformācijai vai lokalizētai fāzes maiņai.
Tas ir viens no iemesliem, kāpēc magnēta pārbaude var parādīt nevienmērīgu pievilcību tajā pašā daļā.
4. Uz lietojumu orientēta materiālu izvēle, pamatojoties uz tērauda magnētisko veiktspēju
Tērauda magnētisms nav tikai laboratorijas zinātkāre. Reālajā inženierijā, tas ietekmē montāžas uzvedība, sensoru saderība, pārstrāde, pārbaude, elektriskā mijiedarbība, un piemērotība videi.
Tāpēc pareizā izvēle nav “magnētiskais tērauds pret nemagnētisko tēraudu” vienkāršā nozīmē, bet piemērotā tērauda saime pielietojuma magnētiskajām prasībām.
Kad spēcīgs magnētisms ir izdevīgs
Spēcīgi magnētiski tēraudi parasti ir labākā izvēle, ja magnētiskā reakcija ir noderīga pašā lietojumā.
Tipiski lietošanas gadījumi
- Konstrukciju izgatavošana un vispārējā tehnika
- Magnētiskās iespīlēšanas un stiprinājumu sistēmas
- Lūžņu šķirošana un pārstrāde
- Magnētiskie separatori un turēšanas ierīces
- Nodilumam pakļautas oglekļa sastāvdaļas, rīks, vai martensīta tērauds
Šajos gadījumos, spēcīga magnētiskā reakcija palīdz rīkoties, atdalīšana, un armatūras noturēšana.
Oglekļa tērauds, mazleģētais tērauds, instrumentu tērauds, un bieži tiek dota priekšroka ferīta vai martensīta nerūsējošajam tēraudam, jo tie apvieno mehānisko lietderību ar uzticamu magnētisko pievilcību.
Kad nepieciešams zems magnētisms
Dažām lietojumprogrammām ir nepieciešama ļoti vāja magnētiskā reakcija vai gandrīz nemagnētiska darbība.
Tādos gadījumos, rūdīts austenīta nerūsējošais tērauds parasti ir pirmā materiālā ģimene, ko novērtē.
Tipiski lietošanas gadījumi
- Medicīnas un laboratorijas iekārtas
- Jutīgi elektroniskie mezgli
- Precīzas mērīšanas sistēmas
- Ar MRI saistīta vide
- Magnētiski jutīgi korpusi un armatūra
Šajās situācijās, pat neliels magnētisms var traucēt darbību.
Austenīta klases, piemēram, 304 un 316 parasti tiek izvēlēti, jo tie parasti ir vāji magnētiski atkausētā stāvoklī.
Lai arī, konstrukcijā jāņem vērā fakts, ka auksts darbs var palielināt magnētismu, tāpēc vēstures apstrādei ir tikpat liela nozīme kā nominālajai atzīmei.
Kad kontrolēts magnētisms ir noderīgs
Dažām lietojumprogrammām nav nepieciešams maksimālais magnētisms vai minimālais magnētisms. Viņiem vajag paredzams, mērena magnētiskā uzvedība.
Tipiski lietošanas gadījumi
- Dupleksās nerūsējošā tērauda konstrukcijas
- Korozijizturīgs aprīkojums ar nestspējas prasībām
- Rūpnieciskās sastāvdaļas, kas pakļautas hlorīda videi
- Spiedienu nesošās daļas, kurām nepieciešama lielāka izturība nekā 316L
Dupleksais nerūsējošais tērauds ir spēcīgs piemērs. Tas nodrošina augstu izturību un izturību pret koroziju, vienlaikus saglabājot magnētisku ferīta frakcijas dēļ.
Tas ir noderīgi, ja daļai ir jāiztur hlorīda sprieguma korozijas plaisāšana un joprojām jāsaglabā labas mehāniskās īpašības.
Magnētiskā reakcija nav dizaina mērķis, bet tās ir paredzamas mikrostruktūras sekas.
5. Praktiskās sekas un maldīgi priekšstati
Kāpēc mans nerūsējošā tērauda ledusskapis ir magnētisks??
Daudzas ledusskapju durvis ir izgatavotas no ferīta nerūsējošais tērauds (Piem., 430), nav austenīta.
Ferīta nerūsējošais materiāls ir lētāks, ir laba izturība pret koroziju lietošanai iekštelpās, un ir magnētisks – kas ļauj ērti pielipt magnētiem.
Ja jūsu ledusskapis būtu izgatavots no 304, magnēti nelīp.
Vai es varu izmantot magnētu, lai šķirotu tērauda lūžņus??
Jā, bet ar brīdinājumiem:
- Oglekļa tērauds, ferīta, martensīta → magnētiskie → dzelzs lūžņi.
- Austenīta nerūsējoša (304, 316) → nemagnētiski → augstvērtīgi nerūsējošā tērauda lūžņi.
- Dupleksais nerūsējošais materiāls → vāji magnētisks → var tikt nepareizi sakārtots, ja tas nav rūpīgi.
- Auksti apstrādāts austenīts → var būt vāji magnētisks, sajaucot šķirotāju.
Vai "nemagnētiskais tērauds" ir pilnīgi nemagnētisks?
Ne. Pat austenīta nerūsējošajam tēraudam ir paramagnētiska caurlaidība >1. Spēcīgos magnētiskajos laukos (Piem., MRI aparāti), tie rada nelielu, bet izmērāmu pievilcību.
Pieteikumiem, kuriem nepieciešams ārkārtīgi zema magnētiskā jutība (Piem., KMR lampas), tiek izmantoti īpaši sakausējumi, piemēram, MP35N vai titāns.
Vai es varu demagnetizēt magnētisko tēraudu?
Jā, bet ar ierobežojumiem:
- Oglekļa tēraudam: piemērot pārmaiņus, magnētiskā lauka samazināšanās (degaussing). Lai arī, tērauda feromagnētiskais raksturs saglabājas; to var viegli atkārtoti magnetizēt.
- Deformācijas izraisītam martensītam austenīta nerūsējošā tēraudā: šķīduma atkausēšana augstā temperatūrā (1050° C) atjaunos nemagnētisko austenītu, magnētisma likvidēšana. Bet tas ir nepraktiski lieliem mezgliem.
6. Secinājums
"Vai tērauds ir magnētisks?” nevar atbildēt ar vienkāršu jā vai nē. Pareizā atbilde ir:
Tērauds ir magnētisks, ja tā kristāla struktūra istabas temperatūrā ir kubiska, kuras centrā ir ķermenis (BCC) vai uz ķermeni centrēts tetragonāls (Bct).
Tas nav magnētisks (paramagnētisks) ja tā struktūra ir vērsta uz sejas kubiskā (FCC).
Izpratne par magnētisma metalurģiju ļauj inženieriem izvēlēties pareizo tēraudu lietojumiem, sākot no magnētiskajām patronām (kur nepieciešams spēcīgs feromagnētisms) ar MRI saderīgiem ķirurģiskiem instrumentiem (kur pat pēdu magnētisms ir aizliegts).
Vienmēr pārbaudiet ar kalibrētu metodi, un nekad nepaļaujieties tikai uz vienkāršu magnētu testu, lai pārbaudītu kritisko materiālu.
FAQ
Vai nemagnētiskais 316L var pārvērsties magnētisks pēc metināšanas?
Vietējais delta ferīts izgulsnējas metināšanas karstuma ietekmētajā zonā nevienmērīgas dzesēšanas laikā, rada vāju daļēju magnētismu metināšanas šuvju tuvumā; kopējā pamatplāksne joprojām saglabā nemagnētisko īpašību.
Kāpēc austenīts ar augstu niķeļa saturu ir nemagnētisks, bet nerūsējošais tērauds ar zemu niķeļa ferīta saturu ir magnētisks?
Niķelis stabilizē FCC austenīta režģi, kas izjauc sakārtotu magnētiskā domēna izkārtojumu; Zema hroma un niķeļa sastāvs nevar nomākt BCC ferīta veidošanos ar raksturīgo feromagnētismu.
Vai nerūsējošā tērauda magnētisms ietekmē tā pretkorozijas spēju?
Deformācijas izraisīts daļējs magnētisms nemaina sakausējuma hroma pasīvās plēves veidošanās spēju;
izturība pret koroziju joprojām atbilst sākotnējās kvalitātes specifikācijai neatkarīgi no nelielām vietējām magnētiskajām izmaiņām.
Vai ir kādi feromagnētiskie austenīta tēraudi?
Jā, bet ne izplatīts. Daži ar augstu mangāna saturu, augsta alumīnija tēraudi (tā saukto “nemagnētisko”.) var būt feromagnētisks ļoti zemā temperatūrā.
Istabas temperatūrā, neviens stabils austenīta komerciālais nerūsējošais tērauds nav feromagnētisks.
