Вступ
На перший погляд, питання «Чи магнітна сталь?» здається тривіальним. Скріпка приклеюється до магніту на холодильник – так, сталь магнітна.
Але запитайте інженера, який працює з компонентами трубопроводу з нержавіючої сталі, і відповідь стає: це залежить.
Сталь не є єдиним матеріалом; це сімейство залізовуглецевих сплавів із різними мікроструктурами.
Деякі сталі сильно феромагнітні, інші абсолютно немагнітні, і кілька потрапляють між ними.
У цій статті магнетизм сталі розглядається з п’яти точок зору: фундаментальна фізика, кристалографія, склад сплаву, історія обробки, і практичне тестування.
До кінця, ви зрозумієте не тільки чи Дана сталь є магнітною, але чому – і як передбачити або змінити цю поведінку.
1. Чому сталь зазвичай магнітна
Сталь зазвичай є магнітною, оскільки на її основі побудовані найпоширеніші металургійні фази прасувати, і залізо є феромагнітним елементом у його об’ємно-центрованих кристалічних формах.
На практиці, магнітна відповідь сталі контролюється кристалічна структура, вирівнювання спінів електронів, і баланс фаз.
Чим більше сталь містить феритну або мартенситну структуру, тим сильнішим буде його тяжіння до магніту.
Кристалічна структура як основа магнетизму
Магнітна поведінка сталі не є випадковою. Це корениться в тому, як атоми заліза розташовані в кристалічній решітці та в тому, як взаємодіють їхні неспарені електрони..
Ферит: основна магнітна фаза
Найважливішою магнітною фазою в звичайній сталі є альфа-ферит, який має a тілоцентрований куб (BCC) кристалічна структура.
У такому розташуванні, атоми заліза дозволяють легко вирівнювати магнітні домени, тому матеріал демонструє сильний феромагнетизм.
Ось чому вуглецева сталь, низьколегована сталь, і багато конструкційних сталей сильно притягуються до магніту.
Аустеніти: слабомагнітна або немагнітна фаза
Навпаки, Аустеніт має a гранецентрований куб (FCC) структура.
Це щільніше упакування атомів змінює розташування електронів і запобігає вирівнюванню магнітних доменів на великій відстані так само, як ферит.
Як результат, аустенітна сталь зазвичай є слабомагнітною або майже немагнітною в відпаленому стані.
Мартенсит: магнітні та загартовані
Коли сталь загартована, аустеніт може перетворюватися в мартенсит, тілоцентрована тетрагональна структура, що походить від родини BCC.
Мартенсит залишається магнітно чутливим, ось чому загартована сталь все ще є магнітною і часто навіть сильнішою, ніж аустенітний стан, з якого вона походить.
Чому сталь кімнатної температури зазвичай магнітна
При кімнатній температурі, більшість поширених сталей містять або ферит, мартенсит, або суміш обох. Ці фази зберігають вирівнювання доменів, необхідне для феромагнетизму.
Тому звичайна конструкційна сталь, інструментальна сталь, і багато легованих сталей сильно реагують на магніт без будь-якої спеціальної обробки.
Основним винятком є аустенітні сталі, але навіть вони не завжди повністю немагнітні.
Холодна обробка, формування, або сильна деформація може створити локальне мартенситне перетворення та зробити їх частково магнітними.
| Магнітна поведінка | Опис | Зустрічається в сталі? |
| Феромагнітний | Сильний потяг; зберігає магнетизм (гістерезис) | Так – більшість вуглецевих сталей, феритна нержавіюча, мартенситна нержавіюча |
| Парамагнітний | Слабкий, тимчасове тяжіння; немає гістерезису | Так – аустенітні нержавіючі сталі (Напр., 304, 316) |
| Антиферомагнітний | Відсутність чистої намагніченості; магнітні моменти скасовуються | Ні |
| Діамагнітний | Дуже слабке відштовхування; всі матеріали мають це | Ні (приголомшений сильнішими ефектами в сталі) |
Таким чином, практична відповідь «магнітна сталь».?” є: феромагнітні сталі магнітні; парамагнітні сталі майже немагнітні при випадковому спостереженні.
Температурний ефект Кюрі
Магнетизм сталі також залежить від температури. Кожен феромагнітний матеріал має a Температура Кюрі, вище якого теплове перемішування долає впорядкування магнітного домену, і матеріал стає парамагнітним.
Для чистого заліза, температура Кюрі становить близько 770° C. Над цією точкою, залізо тимчасово втрачає свій феромагнетизм.
Коли охолоне, знову опустіть, магнетизм повертається без будь-яких постійних змін складу.
Це пояснює корисне промислове спостереження: сталь може здаватися немагнітною, поки вона гаряча під час кування, термічна обробка, або аустенітизуючий, але відновлює свою магнітну поведінку після охолодження.
Таким чином, магнітна зміна є оборотною та залежить від температури, не обов'язково є ознакою хімічних змін.
2. Magnetic Behavior від Steel Family
У практичному інженерному плані, тим більше сталевих родин містить ферит або мартенсит, тим більше вона магнетична.
Чим більше він стабілізується в ан аустенітний структура, тим слабшим зазвичай стає його магнітний відгук.
Поширені родини сталі та магнітна поведінка
| Сталева родина | Загальні оцінки / типи | Типова магнітна поведінка | Технічна примітка |
| Вуглецева сталь | Aisi 1010, 1018, 1020, 1045, 1095 | Сильно магнітний | Більшість вуглецевих сталей містять ферит і/або мартенсит, тому вони зазвичай сильно притягуються до магніту. |
| Низьколегована сталь | 4140, 4340, 8620, 4130 | Сильно магнітний | Легування не усуває магнетизм, якщо воно сильно не стабілізує аустеніт; більшість низьколегованих сталей залишаються магнітними. |
| легована сталь | Хромомолібденова сталь, хромонікель-сталь, конструкційна легована сталь | Зазвичай магнітні | «Легована сталь» — широка категорія; більшість сортів все ще є феритними або мартенситними, а тому магнітними. |
| Сталь конструкційна | ASTM A36, Q235, S235, S355 | Сильно магнітний | Широко використовувані конструкційні сталі, як правило, є феритними і добре реагують на магніти. |
| Інструментальна сталь | D2, O1, A2, H13, W1 | Сильно магнітний | Інструментальні сталі часто є магнітними навіть після термічної обробки, оскільки мартенсит є домінуючою фазою. |
Ресорна сталь |
5160, 1075, 1095 пружинна сталь | Сильно магнітний | Високовуглецеві пружинні сталі зазвичай мартенситні після термічної обробки та залишаються сильними магнітними. |
| Підшипникова сталь | Aisi 52100 | Сильно магнітний | Високовуглецева хромоносна сталь зазвичай є магнітною завдяки своїй мартенситній матриці. |
| Вивітрювальна сталь | Кортен А, Кортен Б | Сильно магнітний | Вивітрювальні сталі все ще є конструкційними сталями на основі заліза та зберігають сильну магнітну реакцію. |
| Електротехнічна сталь / кремнієва сталь | M19, M27, 1008 електротехнічна сталь | Магнітний, часто розроблені для контрольованого магнетизму | Ці сталі спеціально розроблені для магнітних характеристик у двигунах і трансформаторах. |
| Феритна нержавіюча сталь | 409, 430, 439 | Магнітний | Феритні нержавіючі сталі залишаються магнітними, оскільки їх структура є феритною, не аустенітний. |
Мартенситна нержавіюча сталь |
410, 420, 440C | Сильно магнітний | Ці марки є магнітними та загартовуваними. |
| Дуплексна нержавіюча сталь | 2205, 2507 | Магнітний | Дуплексні сталі містять як ферит, так і аустеніт, тому вони виявляють помітний магнетизм. |
| Аустенітна нержавіюча сталь | 304, 316, 316Л, 321 | Зазвичай від слабомагнітних до майже немагнітних | У відпаленому стані вони зазвичай немагнітні або лише злегка магнітні; холодна робота може збільшити магнетизм. |
| Нержавіюча сталь дисперсійного зміцнення | 17-4РН, 15-5РН, 13-8Mo | Зазвичай магнітні | Ці сорти часто демонструють магнітну реакцію через їх змішану структуру та стан термічної обробки. |
3. Що змінює магнітну реакцію сталі
Магнітний відгук сталі не є фіксованим. Це може змінитися з склад, термічна обробка, деформація, баланс фаз, і температура.
На практиці, сталь, яка виглядає сильно магнітною за певних умов, може стати слабшою, сильніше, або локально змінною в іншому.
Легуюча хімія
Легуючі елементи в сталі впливають на те, які фази утворюються та наскільки вони стабільні.
- Нікель має тенденцію стабілізувати аустеніт і зменшити магнітний відгук.
- Хром покращує резистентність до корозії, але сам по собі не знімає магнетизм.
- Марганець і азот також може стабілізувати аустенітну структуру в деяких сталях.
- Вуглець сильно впливає на прогартовуваність і може сприяти мартенситному перетворенню після загартування.
Ось чому звичайна вуглецева сталь зазвичай сильно магнітна, тоді як аустенітна нержавіюча сталь із значним вмістом нікелю може бути лише слабко магнітною.
Термічна обробка
Термічна обробка змінює внутрішню кристалічну структуру сталі, і це безпосередньо змінює магнетизм.
- Відпал може пом'якшити сталь і змінити магнітну реакцію залежно від присутньої фази.
- Гасіння може перетворювати аустеніт в мартенсит, що зазвичай збільшує магнетизм.
- Загартовування змінює мартенсит, але загалом не усуває магнітну поведінку.
- Розведення розчину в аустенітній нержавіючій сталі може зменшити магнетизм шляхом відновлення більш стабільної аустенітної структури.
Ось чому один і той же сплав може проявляти різну магнітну поведінку до і після термічної обробки.
Холодна обробка і пластична деформація
Механічна деформація може збільшити магнетизм, особливо в аустенітних нержавіючих сталях.
Згинання, прокатки, штампування, малюнок, або важка механічна обробка може спричинити перетворення частини аустеніту на мартенсит.
Результатом є сталь, яка після формування стає більш магнітною, ніж у відпаленому стані.
Цей ефект часто найбільш помітний у:
- зігнута нержавіюча трубка,
- компоненти з нержавіючої сталі глибокої витяжки,
- сильно згорнутий лист,
- і оброблені аустенітні деталі з локальною деформацією.
Фазовий баланс
Магнітна реакція сталі значною мірою залежить від того, наскільки ферит, мартенсит, і Аустеніт він містить.
- Більше фериту → сильніша магнітна відповідь
- Більше мартенситу → сильніша магнітна відповідь
- Більше аустеніту → слабший магнітний відгук
Це особливо важливо для дуплексної нержавіючої сталі, де баланс між феритом і аустенітом визначає загальну магнітну поведінку.
Оскільки дуплексні сталі містять феритну фракцію, вони зазвичай магнітні, хоча вони не такі сильні, як звичайна вуглецева сталь.
Температура
Температура може тимчасово пригнічувати магнетизм у феромагнітній сталі.
Над Температура Кюрі, впорядковані магнітні домени втрачають вирівнювання, і матеріал стає парамагнітним.
Як тільки сталь охолоне нижче цього порогу, магнетизм повертається.
Це означає, що гаряча сталь може здаватися немагнітною під час кування або термічної обробки, але це не означає, що матеріал перестав бути сталлю або назавжди втратив магнітні властивості.
Зміна буває оборотною і термічною.
Стан поверхні та локальна обробка
Плоскошліфування, зварювання, дробеструйна обробка, обробка, а залишкові напруги можуть створювати локальні варіації магнітної реакції.
У деяких сталях, поверхневий шар може стати більш магнітним, ніж ядро, якщо поверхня зазнає деформаційного перетворення або локалізованої зміни фази.
Це одна з причин, чому тест на магніт може виявити нерівномірне притягання однієї частини.
4. Орієнтований на застосування вибір матеріалу на основі магнітних характеристик сталі
Сталевий магнетизм - це не просто лабораторна цікавість. У справжньому машинобудуванні, це впливає поведінка зборки, сенсорна сумісність, переробка, огляд, електрична взаємодія, та екологічна придатність.
Тому правильним вибором є не «магнітна сталь проти немагнітної сталі» в простому сенсі, але правильне сімейство сталі для магнітних вимог програми.
Коли сильний магнетизм корисний
Сильномагнітні сталі зазвичай є найкращим вибором, коли магнітна реакція корисна в самому застосуванні.
Типові випадки використання
- Конструкційне виготовлення та загальні машини
- Магнітні затискні та кріпильні системи
- Сортування та переробка брухту
- Магнітні сепаратори та утримувачі
- Зношувані компоненти з карбону, інструмент, або мартенситної сталі
У цих випадках, сильна магнітна реакція допомагає в керуванні, поділ, і утримання кріплення.
Вуглецева сталь, низьколегована сталь, інструментальна сталь, і феритної або мартенситної нержавіючої сталі часто віддають перевагу, оскільки вони поєднують механічну корисність з надійним магнітним тяжінням.
Коли необхідний низький магнетизм
Деякі програми вимагають дуже слабкої магнітної реакції або майже немагнітної поведінки.
У тих випадках, відпалена аустенітна нержавіюча сталь зазвичай це перше сімейство матеріалів для оцінки.
Типові випадки використання
- Медичне та лабораторне обладнання
- Чутливі електронні вузли
- Системи прецизійних вимірювань
- Середовища, пов’язані з МРТ
- Магніточутливі корпуси та світильники
У цих ситуаціях, навіть невеликий магнетизм може заважати функціонуванню.
Аустенітні марки, такі як 304 і 316 зазвичай вибирають, тому що вони зазвичай слабко магнітні в відпаленому стані.
Однак, проект повинен враховувати той факт, що холодна робота може збільшити магнетизм, тому історія обробки має таке ж значення, як і номінальна оцінка.
Коли корисний контрольований магнетизм
Деякі програми не вимагають максимального або мінімального магнетизму. Вони потребують передбачуваний, помірна магнітна поведінка.
Типові випадки використання
- Дуплексні конструкції з нержавіючої сталі
- Корозійностійке обладнання з вимогами до несучої здатності
- Промислові компоненти піддаються впливу хлоридних середовищ
- Деталі, що витримують тиск, вимагають кращої міцності, ніж 316L
Яскравим прикладом є дуплексна нержавіюча сталь. Він забезпечує високу міцність і стійкість до корозії, залишаючись магнітним завдяки своїй феритній фракції.
Це корисно, коли деталь має протистояти хлоридному корозійному розтріскуванню під напругою та зберігати хороші механічні характеристики.
Магнітний відгук не є метою розробки, але це передбачуваний наслідок мікроструктури.
5. Практичні наслідки та хибні уявлення
Чому мій холодильник із «нержавіючої сталі» магнітний??
Багато дверцята холодильників виготовлені з феритна нержавіюча сталь (Напр., 430), не аустенітний.
Феритна нержавіюча дешевше, має хорошу стійкість до корозії для внутрішнього використання, і є магнітним – що дозволяє зручно приклеювати магніти.
Якби ваш холодильник був зроблений з 304, магніти не прилипають.
Чи можна використовувати магніт для сортування сталевого брухту?
Так, але із застереженнями:
- Вуглецева сталь, феррит, мартенситний → магнітний → брухт чорних металів.
- Аустенітна нержавіюча сталь (304, 316) → немагнітні → брухт високої нержавіючої сталі.
- Дуплексний нержавіючий → слабомагнітний → може бути неправильно відсортований, якщо не бути обережним.
- Холоднооброблений аустеніт → може бути слабомагнітним, заплутавши сортувальник.
Чи є «немагнітна сталь» повністю немагнітною?
Ні. Навіть аустенітна нержавіюча сталь має парамагнітну проникність >1. У сильних магнітних полях (Напр., Апарати МРТ), вони створюють невелику, але вимірну привабливість.
Для програм, які вимагають надзвичайно низька магнітна сприйнятливість (Напр., трубки ЯМР), використовуються спеціальні сплави типу MP35N або титану.
Чи можу я розмагнітити магнітну сталь?
Так, але з обмеженнями:
- Для вуглецевої сталі: застосувати чергування, зменшення магнітного поля (розмагнічування). Однак, феромагнітна природа сталі залишається; його можна легко повторно намагнітити.
- Для спричиненого деформацією мартенситу в аустенітній нержавіючій сталі: високотемпературний відпал розчину (1050° C) відновить немагнітний аустеніт, усунення магнетизму. Але це непрактично для великих збірок.
6. Висновок
«Сталь магнітна?» не можна відповісти простим «так» або «ні».. Правильна відповідь:
Сталь є магнітною, якщо її кристалічна структура при кімнатній температурі є кубічною з центром тіла (BCC) або тетрагональний з центром тіла (BCT).
Він немагнітний (парамагнітний) якщо його структура гранецентрична кубічна (FCC).
Розуміння металургії, що стоїть за магнетизмом, дозволяє інженерам вибирати правильну сталь для застосувань, починаючи від магнітних патронів (де необхідний сильний феромагнетизм) до МРТ-сумісних хірургічних інструментів (де навіть сліди магнетизму заборонені).
Завжди перевіряйте каліброваним методом, і ніколи не покладайтеся лише на простий магнітний тест для перевірки важливого матеріалу.
Поширені запитання
Чи може немагнітний 316L стати магнітним після зварювання?
Локальний дельта-ферит виділяється всередині зони термічного впливу зварювання при нерівномірному охолодженні, створюючи слабкий частковий магнетизм поблизу зварних швів; загальна базова пластина все ще зберігає немагнітні властивості.
Чому аустеніт з високим вмістом нікелю є немагнітним, а феритова нержавіюча сталь з низьким вмістом нікелю є магнітною?
Нікель стабілізує решітку FCC аустеніту, яка порушує впорядковане розташування магнітних доменів; композиція з низьким вмістом хрому та нікелю не може придушити утворення фериту BCC із властивим феромагнетизмом.
Чи впливає магнетизм нержавіючої сталі на її антикорозійну здатність?
Частковий магнетизм, викликаний деформацією, не змінює здатність сплаву утворювати пасивну плівку хрому;
корозійна стійкість залишається відповідною специфікації оригінального класу незалежно від незначних локальних магнітних коливань.
Чи існують феромагнітні аустенітні сталі?
Так, але не поширений. Трохи з високим вмістом марганцю, високоалюмінієві сталі (насправді так званий «немагнітний».) може бути феромагнітним при дуже низьких температурах.
При кімнатній температурі, жодна стабільна аустенітна комерційна нержавіюча сталь не є феромагнітною.
