Да ли је челик магнетан? Потпуни водич за челични магнетизам

Увођење

На први поглед, питање „Да ли је челик магнетан?” изгледа тривијално. Спајалица се лепи за магнет за фрижидер - тако да, челик је магнетан.

Али питајте инжењера који ради са компонентама цевовода од нерђајућег челика, а одговор постаје: зависи.

Челик није јединствен материјал; то је породица легура гвожђа и угљеника са веома различитим микроструктурама.

Неки челици су јако феромагнетни, други су потпуно немагнетни, а неколико пада између.

Овај чланак сецира магнетизам челика из пет углова: фундаментална физика, кристалографија, састав легура, обрада историје, и практично тестирање.

До краја, разумећете не само да ли дати челик је магнетан, али зашто – и како предвидети или модификовати то понашање.

1. Зашто је челик обично магнетан

Челик је обично магнетан јер су његове најчешће металуршке фазе изграђене гвожђе, а гвожђе је феромагнетни елемент у својим кристалним облицима усредсређеним на тело.

У практичном смислу, магнетни одзив челика контролише се кристална структура, поравнање спина електрона, и фазни баланс.

Што више челик садржи феритну или мартензитну структуру, то ће генерално бити јача његова привлачност према магнету.

Кристална структура као основа магнетизма

Магнетно понашање челика није случајно. Она је укорењена у начину на који су атоми гвожђа распоређени у кристалној решетки и у томе како њихови неспарени електрони интерагују.

Ферит: главна магнетна фаза

Најважнија магнетна фаза у обичном челику је алфа ферит, који има а тело центриран кубик (БЦЦ) кристална структура.

У овом аранжману, атоми гвожђа омогућавају да се магнетни домени лако поравнају, па материјал показује јак феромагнетизам.

Зато угљенични челик, челик са ниским легуром, а многи конструкцијски челици су снажно привучени магнетом.

Аустенити: слабо магнетна или немагнетна фаза

Супротно, Аустенит има а кубичан (ФЦЦ) структура.

Ово чвршће атомско паковање мења распоред електрона и спречава поравнање магнетног домена дугог домета на исти начин као и ферит.

Као резултат, аустенитни челик је обично слабо магнетан или скоро немагнетичан у жареном стању.

мартензит: магнетна и каљена

Када се челик угаси, аустенит се може трансформисати у мартензита, тетрагонална структура усредсређена на тело изведена из породице БЦЦ.

Мартензит остаје магнетно осетљив, због чега су каљени челици још увек магнетни и често чак и јачи од аустенитног стања из којег су дошли.

Зашто је челик на собној температури обично магнетан

На собној температури, најчешћи челици садрже или ферит, мартензита, или мешавина оба. Ове фазе чувају поравнање домена потребно за феромагнетизам.

Зато обичан конструкциони челик, алатни челик, и многи легирани челици снажно реагују на магнет без икаквог посебног третмана.

Аустенитни челици су главни изузетак, али ни они нису увек потпуно немагнетни.

Хладан рад, формирање, или тешка деформација може створити локалну мартензитну трансформацију и учинити их делимично магнетним.

На тај начин, практични одговор „је челик магнетни?” је: феромагнетни челици су магнетни; парамагнетни челици су скоро немагнетни за случајно посматрање.

Цурие температурни ефекат

Магнетизам челика такође зависи од температуре. Сваки феромагнетни материјал има а Цурие температура, изнад којих термичка агитација превазилази уређење магнетног домена и материјал постаје парамагнетичан.

За чисто гвожђе, Киријева температура је око 770° Ц. Изнад ове тачке, гвожђе привремено губи свој феромагнетизам.

Када се охлади поново, магнетизам се враћа без икакве трајне композиционе промене.

Ово објашњава корисно индустријско запажање: челик може изгледати немагнетно док је врућ током ковања, топлотни третман, или аустенитизирање, али поврати своје магнетно понашање након хлађења.

Магнетна промена је стога реверзибилна и вођена температуром, није нужно знак хемијске промене.

2. Магнетиц Бехавиор би Стеел Фамили

У практичном инжењерском смислу, што више породица челика садржи ферит или мартензита, што је магнетнији.

Што се више стабилизује у аустенитски структура, што њен магнетни одговор обично постаје слабији.

Уобичајене породице челика и магнетно понашање

3. Шта мења магнетни одговор челика

Челични магнетни одговор није фиксиран. Може се променити са састав, топлотни третман, деформација, фазни баланс, и температуру.

У практичном смислу, челик који делује јако магнетно у једном стању може постати слабији, јачи, или локално променљива у другом.

Хемија легуре

Легирајући елементи у челику утичу на то које се фазе формирају и колико стабилне остају.

• Никл има тенденцију да стабилизује аустенит и смањи магнетни одговор.
• Хром Побољшава отпорност на корозију, али сам по себи не уклања магнетизам.
• Манган и азот такође може стабилизовати аустенитну структуру у неким челицима.
• Угљеник снажно утиче на очвршћавање и може подстаћи мартензитну трансформацију након гашења.

Због тога је обични угљенични челик обично јако магнетан, док аустенитни нерђајући челик са значајним садржајем никла може бити само слабо магнетан.

Топлотни третман

Термичка обрада мења унутрашњу кристалну структуру челика, а то директно мења магнетизам.

• Враголовање може омекшати челик и променити магнетни одзив у зависности од присутне фазе.
• Гашење може претворити аустенит у мартензит, што обично повећава магнетизам.
• Ублажавање модификује мартензит, али генерално не елиминише магнетно понашање.
• Решење жарења у аустенитном нерђајућем челику може смањити магнетизам враћањем стабилније аустенитне структуре.

Због тога иста легура може показати различито магнетно понашање пре и после термичке обраде.

Хладни рад и пластична деформација

Механичка деформација може повећати магнетизам, посебно код аустенитних нерђајућих челика.

Савијање, котрљање, жигосање, цртање, или тешка обрада може проузроковати да се део аустенита трансформише у мартензит.

Резултат је челик који постаје магнетнији након формирања него што је био у жареном стању.

Овај ефекат је често најуочљивији у:

• савијена нерђајућа цев,
• дубоко извучене нерђајуће компоненте,
• јако ваљани лим,
• и машински обрађени аустенитни делови са локалним напрезањем.

Фазни баланс

Магнетни одговор челика у великој мери зависи од тога колико ферит, мартензита, и Аустенит садржи.

• Више ферита → јачи магнетни одзив
• Више мартензита → јачи магнетни одзив
• Више аустенита → слабији магнетни одзив

Ово је посебно важно код дуплекс нерђајућег челика, где равнотежа између ферита и аустенита одређује целокупно магнетно понашање.

Пошто дуплекс челици садрже феритну фракцију, обично су магнетни иако нису тако јако магнетни као обични угљенични челик.

Температура

Температура може привремено да потисне магнетизам у феромагнетном челику.

Изнад Цурие температура, уређени магнетни домени губе поравнање и материјал постаје парамагнетичан.

Када се челик охлади испод тог прага, магнетизам се враћа.

То значи да врући челик може изгледати немагнетно током ковања или топлотне обраде, али то не значи да је материјал престао да буде челик или да је трајно изгубио магнетна својства.

Промена је реверзибилна и термичка.

Стање површине и локална обрада

Површинско брушење, заваривање, сачмарење, обрада, а заостали напони могу створити локалне варијације у магнетном одзиву.

У неким челицима, површински слој може постати магнетнији од језгра ако површина прође трансформацију изазвану деформацијом или локализовану промену фазе.

Ово је један од разлога зашто тест магнета може показати неуједначену привлачност на истом делу.

4. Одабир материјала оријентисан на апликацију на основу магнетних перформанси челика

Челични магнетизам није само лабораторијски куриозитет. У стварном инжењерингу, утиче понашање монтаже, компатибилност сенсинга, рециклажа, инспекција, електрична интеракција, и еколошке подобности.

Стога прави избор није „магнетни челик наспрам немагнетног челика“ у једноставном смислу, али права породица челика за магнетне захтеве апликације.

Када је јак магнетизам користан

Снажно магнетни челици су обично најбољи избор када је магнетни одзив користан у самој примени.

Типични случајеви употребе

• Израда конструкција и опште машинерије
• Системи магнетног стезања и фиксирања
• Разврставање и рециклажа отпада
• Магнетни сепаратори и уређаји за држање
• Компоненте склоне хабању у угљенику, алат, или мартензитни челик

У тим случајевима, јак магнетни одговор помаже при руковању, одвајање, и задржавање прибора.

Карбонски челик, челик са ниским легуром, алатни челик, и феритни или мартензитни нерђајући челик су често пожељнији јер комбинују механичку корисност са поузданом магнетном привлачношћу.

Када је потребан низак магнетизам

Неке апликације захтевају веома слаб магнетни одговор или скоро немагнетно понашање.

У тим случајевима, жарени аустенитни нерђајући челик је обично прва материјална породица коју треба проценити.

Типични случајеви употребе

• Медицинска и лабораторијска опрема
• Осетљиви електронски склопови
• Прецизни мерни системи
• Окружење везано за МРИ
• Магнетно осетљива кућишта и прибор

У овим ситуацијама, чак и благи магнетизам може ометати функцију.

Аустенитне оцене као нпр 304 и 316 се обично бирају јер су обично слабо магнетни у жареном стању.

Међутим, дизајн мора узети у обзир чињеницу да рад на хладном може повећати магнетизам, тако да је обрада историје важна колико и номинална оцена.

Када је контролисани магнетизам користан

Неке апликације не захтевају максимални или минимални магнетизам. Требају им предвидљив, умерено магнетно понашање.

Типични случајеви употребе

• Дуплексне конструкције од нерђајућег челика
• Опрема отпорна на корозију са захтевима за носивост
• Индустријске компоненте изложене хлоридним срединама
• Делови који носе притисак захтевају бољу чврстоћу од 316Л

Дуплекс нерђајући челик је снажан пример. Нуди високу чврстоћу и отпорност на корозију, док остаје магнетна због своје феритне фракције.

Ово је корисно када део мора да издржи пуцање хлоридним стресом-корозијом и да и даље задржи добре механичке перформансе.

Магнетни одговор није циљ дизајна, али је то предвидива последица микроструктуре.

5. Практичне импликације и заблуде

Зашто је мој фрижидер од „нерђајућег челика” магнетан?

Многа врата фрижидера су направљена од феритни нерђајући челик (Нпр., 430), није аустенит.

Феритни нерђајући је јефтинији, има добру отпорност на корозију за унутрашњу употребу, и је магнетна – што погодно омогућава да се магнети залепе.

Ако је ваш фрижидер направљен од 304, магнети се не би лепили.

Могу ли да користим магнет за сортирање челичног отпада??

Да, али уз опомене:

• Карбонски челик, феритне, мартензитни → магнетни → гвожђе.
• Аустенитни нерђајући (304, 316) → немагнетни → нерђајући отпад високе вредности.
• Дуплекс нерђајући → слабо магнетни → може се погрешно сортирати ако није пажљив.
• Хладно обрађени аустенит → може бити слабо магнетан, збуњујући сортер.

Да ли је „немагнетни челик“ потпуно немагнетни?

Не. Чак и аустенитни нерђајући материјал има парамагнетну пропустљивост >1. У јаким магнетним пољима (Нпр., МРИ машине), производе малу али мерљиву привлачност.

За апликације које захтевају изузетно ниска магнетна осетљивост (Нпр., НМР цеви), користе се специјалне легуре попут МП35Н или титанијума.

Могу ли размагнетити магнетни челик?

Да, али са ограничењима:

• За угљенични челик: применити наизменично, смањење магнетног поља (демагнетизација). Међутим, остаје феромагнетна природа челика; може се лако поново магнетизирати.
• За мартензит изазван напрезањем у аустенитном нерђајућем нерђајућем материјалу: жарење раствора на високим температурама (1050° Ц) ће вратити немагнетни аустенит, елиминисање магнетизма. Али ово је непрактично за велике скупове.

6. Закључак

„Да ли је челик магнетан?” се не може одговорити једноставним да или не. Тачан одговор је:

Челик је магнетан ако је његова кристална структура на собној температури кубична у центру тела (БЦЦ) или тетрагонално усредсређено на тело (БЦТ).

Немагнетно је (парамагнетна) ако је његова структура кубна са средиштем лица (ФЦЦ).

Разумевање металургије иза магнетизма омогућава инжењерима да одаберу прави челик за апликације у распону од магнетних стезаљки (где је потребан јак феромагнетизам) на хируршке алате компатибилне са МРИ (где је забрањен чак и магнетизам у траговима).

Увек тестирајте калибрисаном методом, и никада се не ослањајте само на једноставан тест магнета за верификацију критичног материјала.

 

Често постављана питања

Може да се немагнетни 316Л претвори у магнет након заваривања?

Локални делта ферит се таложи унутар зоне заваривања топлотног утицаја током неравномерног хлађења, стварајући слаб делимични магнетизам у близини заварених шавова; укупна основна плоча и даље задржава немагнетне карактеристике.

Зашто је аустенит са високим садржајем никла немагнетни, док је нерђајући челик са ниским садржајем ферита магнетан?

Никл стабилизује ФЦЦ аустенитну решетку која ремети уређени распоред магнетних домена; Формулација са ниским садржајем хрома и никла не може да потисне формирање БЦЦ ферита са инхерентним феромагнетизмом.

Да ли магнетизам нерђајућег челика утиче на његов антикорозивни капацитет?

Делимични магнетизам изазван деформацијом не мења способност формирања пасивног филма хрома легуре;

отпорност на корозију остаје у складу са оригиналном спецификацијом квалитета без обзира на мање локалне магнетне варијације.

Има ли феромагнетних аустенитних челика?

Да, али не уобичајено. Мало мангана, високо алуминијумски челици (такозвани „немагнетни“ заправо) може бити феромагнетна на веома ниским температурама.

На собној температури, ниједан стабилан аустенитни комерцијални нерђајући челик није феромагнетичан.