Является ли сталь магнитной? Полное руководство по магнетизму стали

Введение

На первый взгляд, вопрос «Магнитна ли сталь?» кажется тривиальным. Скрепка прилипает к магниту на холодильнике – так что да, сталь магнитная.

Но спросите инженера, работающего с компонентами трубопроводов из нержавеющей стали., и ответ становится: это зависит.

Сталь не является единым материалом; это семейство железо-углеродных сплавов с широко варьирующейся микроструктурой..

Некоторые стали сильно ферромагнитны., другие полностью немагнитны, и некоторые попадают между ними.

В этой статье магнетизм стали рассматривается с пяти сторон.: фундаментальная физика, кристаллография, состав сплава, история обработки, и практическое тестирование.

К концу, ты поймешь не только ли данная сталь магнитна, но почему – и как предсказать или изменить это поведение.

1. Почему сталь обычно магнитна

Сталь обычно магнитна, поскольку ее наиболее распространенные металлургические фазы состоят из железо, а железо - ферромагнитный элемент в своих объемноцентрированных кристаллических формах..

В практическом плане, Магнитный отклик стали контролируется кристаллическая структура, выравнивание спина электрона, и фазовый баланс.

Чем больше сталь содержит ферритную или мартенситную структуру, тем сильнее будет его притяжение к магниту..

Кристаллическая структура как основа магнетизма

Магнитное поведение стали не случайно.. Оно основано на том, как атомы железа располагаются в кристаллической решетке и как взаимодействуют их неспаренные электроны..

Феррит: основная магнитная фаза

Наиболее важной магнитной фазой в обычной стали является альфа-феррит, который имеет объемноцентрированный кубический (BCC) кристаллическая структура.

В этой договоренности, атомы железа позволяют магнитным доменам легко выравниваться, поэтому материал демонстрирует сильный ферромагнетизм.

Вот почему углеродистая сталь, низкопластная сталь, и многие конструкционные стали сильно притягиваются магнитом..

Аустенит: слабомагнитная или немагнитная фаза

Напротив, аустенит имеет гранецентрированный куб (ФКС) структура.

Эта более плотная упаковка атомов меняет расположение электронов и предотвращает выравнивание магнитных доменов на большие расстояния так же, как в феррите..

Как результат, аустенитная сталь обычно слабо магнитна или почти немагнитна в отожженном состоянии..

Мартенсит: магнитный и закаленный

Когда сталь закаливают, аустенит может превращаться в мартенсит, объемно-центрированная тетрагональная структура, происходящая из семейства BCC.

Мартенсит остается магниточувствительным, вот почему закаленные стали по-прежнему магнитны, а часто даже сильнее, чем аустенитное состояние, из которого они произошли..

Почему сталь при комнатной температуре обычно магнитна

При комнатной температуре, наиболее распространенные стали содержат феррит, мартенсит, или смесь того и другого. Эти фазы сохраняют выравнивание доменов, необходимое для ферромагнетизма..

Вот почему обычная конструкционная сталь, инструментальная сталь, и многие легированные стали сильно реагируют на магнит без какой-либо специальной обработки..

Аустенитные стали являются основным исключением., но даже они не всегда совсем немагнитны.

Холодная обработка, формирование, или сильная деформация может вызвать локальное мартенситное превращение и сделать их частично магнитными..

Таким образом, практический ответ: сталь магнитная?" является: ферромагнитные стали магнитны; парамагнитные стали практически немагнитны для случайного наблюдения..

Эффект температуры Кюри

Магнетизм стали также зависит от температуры.. Каждый ферромагнитный материал имеет Температура Кюри, выше которого термическое перемешивание преодолевает упорядочение магнитных доменов и материал становится парамагнитным..

Для чистого железа, температура Кюри составляет около 770°С. Выше этой точки, железо временно теряет свой ферромагнетизм.

Когда он снова остынет, магнетизм возвращается без каких-либо постоянных изменений состава.

Это объясняет полезное промышленное наблюдение: сталь может казаться немагнитной, пока она горячая во время ковки, термическая обработка, или аустенитизация, но восстанавливает свои магнитные свойства после охлаждения.

Таким образом, магнитное изменение обратимо и зависит от температуры., не обязательно признак химического изменения.

2. Магнитное поведение семейства Steel

В практическом инженерном плане, тем больше стальное семейство содержит феррит или мартенсит, тем более магнитным оно становится.

Чем больше он стабилизируется в аустенитный структура, тем слабее обычно становится его магнитный отклик.

Распространенные семейства сталей и магнитное поведение

3. Что меняет магнитный отклик стали

Магнитный отклик стали не фиксирован. Оно может измениться с композиция, термическая обработка, деформация, фазовый баланс, и температура.

В практическом плане, сталь, которая в одном состоянии кажется сильно магнитной, может стать слабее, сильнее, или локальная переменная в другом.

Легирующая химия

Легирующие элементы в стали влияют на то, какие фазы образуются и насколько стабильными они остаются..

• Никель имеет тенденцию стабилизировать аустенит и уменьшать магнитный отклик.
• Хром улучшает коррозионную стойкость, но сам по себе магнетизм не убирает.
• Марганец и азот также может стабилизировать аустенитную структуру в некоторых сталях..
• Углерод сильно влияет на прокаливаемость и может способствовать мартенситному превращению после закалки..

Вот почему простая углеродистая сталь обычно сильно магнитна., в то время как аустенитная нержавеющая сталь со значительным содержанием никеля может быть лишь слабомагнитной..

Термическая обработка

Термическая обработка изменяет внутреннюю кристаллическую структуру стали., и это напрямую меняет магнетизм.

• Отжиг может смягчать сталь и изменять магнитный отклик в зависимости от присутствующей фазы.
• закалка может превратить аустенит в мартенсит, что обычно увеличивает магнетизм.
• Закалка модифицирует мартенсит, но обычно не устраняет магнитное поведение.
• Решение отжиг в аустенитной нержавеющей стали может уменьшить магнетизм за счет восстановления более стабильной аустенитной структуры.

Вот почему один и тот же сплав может демонстрировать разное магнитное поведение до и после термообработки..

Холодная обработка и пластическая деформация.

Механическая деформация может увеличить магнетизм., особенно в аустенитных нержавеющих сталях.

Гибка, прокатка, штамповка, рисунок, или тяжелая механическая обработка может привести к превращению части аустенита в мартенсит..

В результате сталь становится более магнитной после формования, чем в отожженном состоянии..

Этот эффект часто наиболее заметен в:

• изогнутая нержавеющая трубка,
• компоненты из нержавеющей стали глубокой вытяжки,
• сильно раскатанный лист,
• и обработанные аустенитные детали с местной деформацией.

Фазовый баланс

Магнитный отклик стали во многом зависит от того, насколько феррит, мартенсит, и аустенит он содержит.

• Больше феррита → более сильный магнитный отклик
• Больше мартенсита → более сильный магнитный отклик
• Больше аустенита → более слабый магнитный отклик

Это особенно важно для дуплексной нержавеющей стали., где баланс между ферритом и аустенитом определяет общее магнитное поведение.

Поскольку дуплексные стали содержат ферритную фракцию, они обычно магнитны, хотя и не так сильно магнитны, как обычная углеродистая сталь..

Температура

Температура может временно подавить магнетизм в ферромагнитной стали..

Над Температура Кюри, упорядоченные магнитные домены теряют выравнивание, и материал становится парамагнитным..

Как только сталь остынет ниже этого порога, магнетизм возвращается.

Это означает, что горячая сталь может оказаться немагнитной во время ковки или термообработки., но это не значит, что материал перестал быть сталью или навсегда потерял магнитные свойства.

Изменение является обратимым и термическим..

Состояние поверхности и местная обработка

Поверхностное шлифование, сварка, дробеструйная обработка, механическая обработка, и остаточные напряжения могут создавать локальные изменения магнитного отклика..

В некоторых сталях, поверхностный слой может стать более магнитным, чем ядро, если поверхность подвергается трансформации, вызванной деформацией, или локализованному фазовому изменению..

Это одна из причин, по которой магнитное испытание может показать неравномерное притяжение одной и той же детали..

4. Выбор материала, ориентированный на применение, на основе магнитных характеристик стали

Стальной магнетизм — не просто лабораторная диковинка. В реальной инженерии, это влияет поведение сборки, чувствительная совместимость, переработка, осмотр, электрическое взаимодействие, и экологическая пригодность.

Поэтому правильный выбор – это не «магнитная сталь против немагнитной стали» в простом смысле слова., но Подходящее семейство сталей для магнитных требований применения.

Когда сильный магнетизм полезен

Сильномагнитные стали обычно являются лучшим выбором, когда магнитный отклик полезен в самом приложении..

Типичные варианты использования

• Конструктивное изготовление и общее оборудование
• Магнитные зажимные и крепежные системы
• Сортировка и переработка металлолома
• Магнитные сепараторы и удерживающие устройства
• Изнашиваемые компоненты из карбона, инструмент, или мартенситная сталь

В этих случаях, сильный магнитный отклик помогает в обращении, разделение, и удержание креплений.

Углеродистая сталь, низкопластная сталь, инструментальная сталь, часто предпочтительнее ферритная или мартенситная нержавеющая сталь, поскольку они сочетают в себе механическую полезность с надежным магнитным притяжением..

Когда требуется низкий магнетизм

Некоторые приложения требуют очень слабого магнитного отклика или почти немагнитного поведения..

В этих случаях, отожженная аустенитная нержавеющая сталь обычно является первым семейством материалов, которое оценивается.

Типичные варианты использования

• Медицинское и лабораторное оборудование
• Чувствительные электронные узлы
• Прецизионные измерительные системы
• Среды, связанные с МРТ
• Магниточувствительные корпуса и приспособления

В этих ситуациях, даже небольшой магнетизм может помешать работе.

Аустенитные марки, такие как 304 и 316 обычно выбираются потому, что они обычно слабо магнитны в отожженном состоянии..

Однако, при проектировании необходимо учитывать тот факт, что холодная работа может увеличить магнетизм., поэтому история обработки имеет такое же значение, как и номинальная оценка.

Когда полезен контролируемый магнетизм

Некоторые приложения не требуют максимального или минимального магнетизма.. Им нужно предсказуемый, умеренное магнитное поведение.

Типичные варианты использования

• Дуплексные конструкции из нержавеющей стали
• Коррозионностойкое оборудование с требованиями по несущей способности
• Промышленные компоненты, подвергающиеся воздействию хлоридной среды
• Детали, несущие давление, требующие большей прочности, чем 316L.

Дуплексная нержавеющая сталь – яркий тому пример.. Он обеспечивает высокую прочность и коррозионную стойкость, сохраняя при этом магнитные свойства благодаря своей ферритной фракции..

Это полезно, когда деталь должна противостоять хлоридному коррозионному растрескиванию и при этом сохранять хорошие механические характеристики..

Магнитный отклик не является целью разработки, но это предсказуемое следствие микроструктуры.

5. Практические последствия и заблуждения

Почему мой холодильник из нержавеющей стали магнитный??

Многие дверцы холодильников изготовлены из ферритная нержавеющая сталь (например, 430), не аустенитный.

Ферритная нержавеющая сталь дешевле., имеет хорошую коррозионную стойкость для использования внутри помещений, и магнитный - что позволяет удобно приклеивать магниты.

Если бы ваш холодильник был сделан из 304, магниты не прилипли.

Могу ли я использовать магнит для сортировки стального лома??

Да, но с оговорками:

• Углеродистая сталь, ферритный, мартенситный → магнитный → лом черных металлов.
• Аустенитная нержавеющая сталь (304, 316) → немагнитный → ценный лом нержавеющей стали.
• Дуплексная нержавеющая сталь → слабо магнитная → при неосторожном обращении можно неправильно отсортировать.
• Холоднодеформированный аустенит → может быть слабомагнитным, сбивает с толку сортировщик.

Является ли «немагнитная сталь» полностью немагнитной??

Нет. Даже аустенитная нержавеющая сталь обладает парамагнитной проницаемостью. >1. В сильных магнитных полях (например, Аппараты МРТ), они производят небольшую, но измеримую привлекательность.

Для приложений, требующих очень сильно низкая магнитная восприимчивость (например, ЯМР-пробирки), используются специальные сплавы, такие как МП35Н или титан..

Могу ли я размагнитить магнитную сталь??

Да, но с ограничениями:

• Для углеродистой стали: применять чередующийся, уменьшающееся магнитное поле (размагничивание). Однако, ферромагнитная природа стали сохраняется; его можно легко перемагнитить.
• Для мартенсита, вызванного деформацией, в аустенитной нержавеющей стали: высокотемпературный отжиг в растворе (1050°С) восстановит немагнитный аустенит, устранение магнетизма. Но это непрактично для больших сборок..

6. Заключение

«Магнитна ли сталь??» нельзя ответить простым «да» или «нет».. Правильный ответ:

Сталь является магнитной, если ее кристаллическая структура при комнатной температуре является объемноцентрированной кубической. (BCC) или телецентрированный тетрагональный (БСТ).

Он немагнитный (парамагнитный) если его структура гранецентрированная кубическая (ФКС).

Понимание металлургии, лежащей в основе магнетизма, позволяет инженерам выбирать правильную сталь для различных применений, от магнитных патронов. (там, где необходим сильный ферромагнетизм) к хирургическим инструментам, совместимым с МРТ (где запрещен даже следовой магнетизм).

Всегда проверяйте калиброванным методом., и никогда не полагайтесь только на простое магнитное испытание для критической проверки материала..

 

Часто задаваемые вопросы

Может ли немагнитный 316L стать магнитным после сварки??

Локальный дельта-феррит выделяется внутри зоны термического влияния при сварке при неравномерном охлаждении., создание слабого частичного магнетизма вблизи сварных швов; общая опорная пластина по-прежнему сохраняет немагнитные свойства.

Почему аустенит с высоким содержанием никеля немагнитен, а нержавеющая сталь с ферритом с низким содержанием никеля магнитна??

Никель стабилизирует решетку FCC-аустенита, что нарушает упорядоченное расположение магнитных доменов.; Состав с низким содержанием хрома и никеля не может подавить образование феррита BCC с присущим ему ферромагнетизмом.

Влияет ли магнетизм нержавеющей стали на ее антикоррозионную способность??

Частичный магнетизм, вызванный деформацией, не меняет способность сплава образовывать пассивную пленку хрома.;

коррозионная стойкость остается в соответствии с исходными техническими характеристиками независимо от незначительных местных магнитных отклонений..

Существуют ли ферромагнитные аустенитные стали??

Да, но не обычно. Немного с высоким содержанием марганца, высокоалюминиевые стали (так называемый «немагнитный» на самом деле) может быть ферромагнитным при очень низких температурах.

При комнатной температуре, не стабильная аустенитная коммерческая нержавеющая сталь не является ферромагнитной.