Ферромагнитная сталь: Магнитится ли нержавейка, ферромагнитная нержавеющая сталь

Содержание

Магнитится ли нержавейка, ферромагнитная нержавеющая сталь

Нержавеющая или коррозионностойкая сталь – это сплав железа и углерода. В его составе содержится хром, из которого образуется при помощи кислорода оксид хрома и за счет этого на поверхности создается оксидная пленка, защищающая изделие от появления коррозии. В статье расскажем о свойствах этого вида стали и выясним магнитится ли нержавейка.

Свойства коррозионностойкой стали

Хрома в составе сплава содержится минимум 10,5 %. Помимо антикоррозийных свойств он добавляет славу некоторые положительные качества:

  • легкую обрабатываемость методом холодной формовки;
  • высокая стойкость к атмосферной коррозии и различным химическим воздействиям;
  • достаточно высокую прочность;
  • долговечность в использовании без утраты своих качеств и эксплуатационных свойств, средний срок эксплуатации таких сплавов примерно 40-50 лет;
  • достойный внешний вид, гладкая поверхность;
  • достаточно просто поддается очистке от загрязнений бытовыми моющими средствами, что делаете ее обслуживание экономичнее, чем того требуют изделия из обычной стали;

В настоящее время создано более 250 видов нержавеющей стали, которые в своем составе содержат не только хром, но и никель, кобальт, титан, молибден, ниобий. От того, какой химический элемент и в каких количествах добавляется в сплав, зависят эксплуатационные свойства и область применения стали. Обязательным элементом в составе нержавеющей стали является углерод. Благодаря ему сплав приобретает твердость и прочность.

Магнитные свойства нержавейки

Отличить на глаз нержавейка перед вами или обычная сталь, невозможно. Считается, что нержавеющая сталь магнититься не должна, но достоверный результат получить достаточно сложно. Бывает так, что сталь, которая не магнитится, отлично противостоит ржавчине и наоборот, изделие, которое обладает способностью к намагничиванию, ржавеет. Магнитные свойства нержавейки зависят от химического состава сплава.

Тела, которые находятся в магнитном поле обладают способностью намагничиваться и делятся на:

  • парамагнетики, имеют коэффициент магнитной восприимчивости выше нуля;
  • диамагнетики, имеют коэффициент магнитной восприимчивости ниже нуля;
  • ферромагнетики, имеют повышенную чувствительность к магнитному полю, интенсивно намагничиваются даже при наличии слабого магнитного излучения. Они применяются как добавки к нержавеющей стали, улучшая ее эксплуатационные характеристики.

Как определить коррозионную стойкость стали

Чтобы выяснить, коррозионностойкая сталь или нет, нужны следующие действия:

  • хорошо зачистить маленький участок детали;
  • нанести пару капель раствора медного купороса;
  • если изделие покрылось слоем красной меди, значит сплав подвержен ржавчине, если ничего не произошло, то это нержавеющая сталь.

Степень устойчивости к коррозии можно определить по количеству основных элементов, которые входят в состав сплава- никеля и хрома. Если хрома содержится больше 12 %, то этот сплав будет антикоррозийным в обычной среде, если больше 17%, то он может выдерживать даже агрессивную щелочную среду.

Нержавейка, которая магнитится

Ферритные сплавы

В них содержится хром в больших количествах, примерно 20 %. Обладают высокими магнитными свойствами и стойкостью к коррозии. Приобретают большую мягкость из-за уменьшения в составе углерода и легко поддаются различным видам обработки. Чаще всего такие сплавы применяют в тяжелой промышленности, на предприятиях пищевой промышленности, также из них изготавливают элементы систем отопления. Стоят они дешевле, чем аустенитные сплавы.

Некоторые особенности ферритных сплавов позволяют применять их для замены более дорогих материалов:

  • маленький уровень теплового расширения и теплопроводность;
  • повышенная температурная стойкость и текучесть;
  • устойчивость к деформации и коррозии.

Это позволяет использовать эти сплавы в изготовлении электромагнитных приводов и исполняющих механизмов.

Мартенситные сплавы

Обладают повышенной прочностью, не уступают углеродистым сталям, благодаря закалке и отпуску. Это абсолютные ферромагнетики. Встречаются нечасто, поскольку сложно выдержать чистый состав. Сплавы с высоким содержанием хрома устойчивы к влажности и агрессивным средам. Отлично поддаются сварке, можно применять как горячую так и холодную штамповку.

Мартенситы жаропрочны и способны к самозакаливанию. Применяются в машиностроении для изготовления абразивов, в изготовлении столовых приборов, элементов насосных систем, пружин, хирургического и различного режущего инструмента. Среди нержавеющих сталей мартенситные сплавы обладают самой высокой способностью к намагничиванию.

Мартенситно-ферритные сплавы

Имеют неплохие эксплуатационные характеристики, легко поддаются термообработке. Но при сварке имеют склонность к образованию холодных трещин. Применяются в том случае, когда необходимы поверхности, часто подвергающиеся нагреву, коллекторы, котлы, трубопроводы.

Нержавейка, которая не магнитится

Аустенитные сплавы

Это самые распространенные в использовании сплавы нержавеющей стали, в своем составе содержат до 33 % никеля и хрома, что увеличивает их сопротивление коррозии. Имеют очень высокую прочность, холодостойкость и электрохимическую стойкость, хорошо полируются и устойчивы к появлению царапин.

Широко применяется в нефтеперерабатывающей и химической отраслях, авиастроении, электротехнике, в оборудовании для пищевой промышленности, для производства сантехники, медицинского и холодильного оборудования, крепежных изделий, емкостей для пищевых продуктов и жидкостей.

В обычном состоянии не обладают способностью к намагничиванию, но после применения холодной деформации, когда аустенит частично превращается в феррит, магнитные свойства могут проявляться. Термическая обработка, используемая для повышения химических и физических свойств изделий резко повышает повышает магнитные свойства сталей.

Аустенитно-ферритные

В составе используется никель и хром, дополнительно может применяться марганец, молибден, титан и ниобий. Имеют повышенные показатели прочности и устойчивость к коррозии. Широкое распространение получили в изготовлении теплообменного оборудования.

Как определить пищевую нержавейку

Для хранения пищевых продуктов хорошо подходит нержавеющая сталь. Она безопасна, экологична, устойчива к воздействию многих химических веществ, долговечна, эстетична, легка в обслуживании.

Из нержавейки изготавливают противни для духовок, кухонные плиты, холодильники и многую другую бытовую технику. Сфера применения пищевой нержавеющей стали постоянно расширяется.

Можно ли определить, пищевая нержавейка используется или изделие, которое не подходит для хранения пищевых продуктов?

Если взять государственный стандарт, то нигде конкретно не указано, какая нержавеющая сталь должна применяться в изготовлении изделий для пищевой промышленности. Но к материалам, которые используются в пищевой промышленности, приготовлении, хранении и транспортировке продукции должны применяться более высокие требования. Обычная нержавейка не всегда может выдержать различные воздействия, поэтому специалисты разработали специальные стали, который отвечают всем необходимым требованиям.

Насколько сплав магнитится или не магнитится зависит от количества никеля, содержащегося в нем. Стандартная норма-10 %, если уменьшить до 9%, то сплав начнет магнититься. Самые лучшие нержавейки состоят из чистого аустенита. Иногда для удешевления стали в сплав добавляют вместо никеля марганец, свойства стали при этом остаются на том же уровне.

Итог

Магнитные свойства нержавеющей стали никак не влияют на эксплуатационные характеристики, в частности, на коррозионную стойкость материала. Даже если сталь обладает способностью к намагничиванию, это совершенно не значит, что ее нельзя отнести к сплавам нержавеющего типа. Магнитится та нержавейка, в составе которой преобладает мартенсит.

Ферромагнитные материалы | Электрикам

Любой ферромагнетик принадлежит к одной из двух групп: магнитно-мягких, либо магнитно-твердых.

Ферромагнитные материалы магнитно-мягкой группы

Данные материалы активно используются в магнитопроводах разнообразных технических изделий с постоянным, либо переменным (к примеру, в трансформаторных магнитопроводах) магнитным потоком. Они характеризуются небольшой (не более 400А/м) коэрцитивной силой при хороших показателях магнитной проницаемости (далее: проницаемости), и невысоких потерях гистерезисной природы. Сюда входят: техническое железо, а также, оксидные ферромагнетики, некоторые марки стали: низкоуглеродистой и электротехнической листовой, а также перамаллои (железно-никелевые сплавы, с высокой проницаемостью).

Техническое железо, содержит не свыше 0,04% углерода, а также различные стали и чугун часто используют в магнитопроводах, которые работают в постоянном магнитном поле. У него высокие показатели индукции насыщения (до 2,2 Тл) и проницаемости при небольшой коэрцитивной силе.

К электротехническим сталям принадлежат сплавы железа с кремнием, которого может содержаться 1 – 4%. Варьируя процент кремния, а также, используя различные технологические методы, получают материалы с различающимися магнитными параметрами. Наличие кремния способствует улучшению магнитных параметров железа: повышению как начальной, так и наивысшей проницаемости при дополнительном снижении и коэрцитивной силы, и гистерезисных энергопотерь. При этом повышается сопротивление, что также полезно, поскольку в результате, становится меньше т.н. вихревых токов, неизбежно образующихся при повторяющихся изменениях параметров поля. Именно эти токи являются одной из основных причин нагрева магнитопроводов.

Электротехнические стали с невысоким процентом кремния характеризуются слабой проницаемостью при высоких показателях индукции насыщения и значительными удельными потерями. Их используют в различных потребителях постоянного, либо, низкочастотного переменного тока. Сталь с более высоким процентом кремния используют при необходимости хорошей проницаемости в условиях слабых, либо средних полей, минимизации потерь от вихревых токов и гистерезиса. Данные стали могут использоваться в магнитопроводах, которые работают при высокочастотном переменном токе.

Несколько подробнее о самых распространенных магнитно-мягких материалах

Пермаллои

Этим термином обозначается ряд сплавов железа и никеля. Содержание компонентов в них различается, также, в состав некоторых из пермаллоев могут входить другие легирующие добавки вроде молибдена или хрома. Все пермаллои отличаются превосходной проницаемостью, превосходя по данному показателю электротехническую (кремниевую) сталь в 10-15 раз.

Показатели напряженности поля, необходимой для достижения индукции насыщения у этих сплавов невысоки (от десятых долей до сотен А/м) и зависят от конкретного сплава. У одних индукция насыщения очень низка, их Bs может составлять 0,6-0,8 Тл, у других – значительно выше: 1,3-1,6 Тл. К первой категории относятся сплавы с большим содержанием никеля. К примеру сплав, состоящий из никеля на 79% при 3,8% молибдена имеет следующие характеристики: μн=22000; μmax=120000; Bs=0,75Тл. К другой категории принадлежат пермаллои, где содержится значительно меньше никеля. Так, у сплава с содержанием никеля 45% характеристики следующие: μн =2500; μmax=23000; Bs=1,5Тл.

Рисунок 1 — Петля гистерезиса пермаллоев

В пермаллоях, где петля гистерезиса имеет форму, напоминающую прямоугольник (рис. 1), уровень её близости к классической прямоугольной форме соответствует отношению значений остаточной (B

r) к наибольшей (Bmax) индукции. За Bmax здесь принимается показатель индукции в поле, с напряженностью выше коэрцитивной силы в 5-10 раз. Данное отношение может составлять до 0,85-0,99. Коэрцитивная сила у подобных пермаллоев составляет от 1 до 30 А/м.

Магнитные качества пермаллоев во многом определяются не только их составом, но и методом их производства.

Ферриты

К группе ферритов относятся ферромагнетики, получаемые смешиванием окислов нескольких элементов, в число которых обязательно входит железо и цинк. Процесс их изготовления состоит в следующем. Сначала нужная смесь измельчается, затем спрессовывается и отжигается при 1200°С. В результате получается готовый магнитопровод заданной формы.

У ферритов весьма значительно удельное сопротивление, поэтому потери от вихревых токов минимальны. Это делает их востребованными для использования при высокочастотных токах.

Начальная проницаемость ферритов также весьма значительна при невысокой индукции насыщения (0,18 — 0,32 Тл) и небольшой коэрцитивной (8 – 80 А/м) силе.

Магнитодиэлетрики

Материалы данной группы получают смешиванием мелкофракционного ферромагнитного порошка с различными изолирующими материалами (обычно: полиэтилен или ПВХ) с последующей формовкой, прессовкой и запеканием. В результате, микроскопические частицы ферромагнетика разделяются тонким слоем непроводящего ток и немагнитного вещества.

Магнитодиэлектрики (так же, как и ферриты) служат для производства сердечников в разнообразных электромагнитных изделиях: приемниках, передатчиках, усилителях, компьютерах и т.д.

 

Рисунок 2 — Статическая петля магнитного гистерезиса магнитопровода ГАММАМЕТ 412А

Работы над созданием новых типов магнитно-мягких материалов продолжаются и сейчас. Так, недавно специалистами фирмы ГАММАМЕТ был создан магнитопровод ленточного типа «гаммамет 412А». Его изготавливают из специальной ленты с нанокристаллическим строением, толщина которой составляет 25 мкм. Саму ленту получают скоростным закаливанием одного из сплавов, где главной составляющей служит железо. Затем магнитопроводы подвергают термообработке в условиях продольного магнитного поля. После этого их петля гистерезиса приобретает форму очень близкую к правильной прямоугольной (рис. 2). Соответственно данные магнитопроводы характеризуются минимальными показателями удельных магнитных потерь.

Такие магнитопроводы сохраняют свои качества при температурах среды от -60 до +125°С и способны прослужить 30 лет. ТУ обеспечены коэффициентом соответствия прямоугольной форме Br/B10 > 0,85.

Гаммамет 412А способен стать хорошей заменой ферритам и другим материалам, имеющим петлю гистерезиса близкую к прямоугольной форме. Среди перспективных сфер использования: различные магнитные устройства и установки, насыщающие дроссели и т.д.

Ферромагнитные материалы м

агнитно-твердой группы

Из материалов данной группы производят практически все постоянные магниты. Все они характеризуются значительными величинами как коэрцитивной силы, так и остаточной индукции.

Сюда относят углеродистую, а также некоторые марки легированной (хромом, кобальтом или вольфрамом) стали. Величина коэрцитивной силы варьируется в границах от 5000 до 8000 А/м при величине остаточной индукции в 0,8 – 1 Тл. Все эти стали достаточно пластичны, их можно ковать, прокатывать и обрабатывать резанием. Промышленность их производит листами и полосами.

Наилучшие магнитные параметры среди материалов этой группы имеют сплавы «альни», «альнико» и т.д. Их коэрцитивная сила составляет Hc = 20 000 — 60 000 А/м, при величине остаточной индукции в Br = 0,4 — 0,7 Тл.

Моделирование ферромагнитных материалов в COMSOL Multiphysics®

Ферромагнитные материалы встречаются в самых разных электронных компонентах и устройствах. При электродинамических расчетах мы сталкиваемся с магнитными эффектами как в процессе моделирования широких прикладных задач, так и для анализа ряда характеристик используемых материалов (например, механической прочности конструкционной стали). В обоих случаях важно учитывать, что детали из ферромагнитных материалов изменяют окружающее их магнитное поле, что может повлиять на нормальную работу устройств и систем.

Классификация магнитных материалов

Чтобы понять, как отличаются магнитные свойства разных материалов, будет полезно их систематизировать и разделить на несколько классов. Самая простая классификация магнитных материалов такова:

  1. Слабо магнитные материалы
    1. Слабо влияют на внешние приложенные магнитные поля (к ним относятся, например, парамагнитные и диамагнитные материалы)
  2. Мягкие стали
    1. Эффективно концентрируют внешний магнитный поток, но не обладают собственной намагниченностью. В области без внешнего магнитного поля они не создают своего поля
  3. Твердые стали, которые мы будем называть постоянными магнитами
    1. Даже в отсутствие внешнего приложенного магнитного поля создают магнитный поток

Материалы второй и третьей категории называются ферромагнитными.

Эта классификация, впрочем, не лишена недостатков: разделение на мягкие стали и постоянные магниты не всегда однозначно, и некоторые материалы могут проявлять промежуточные свойства. У материала может быть небольшая намагниченность в отсутствие внешних источников (как у постоянного магнита), которая будет значительно возрастать во внешнем магнитном поле (как у мягкой стали).

Кроме того, материал может проявлять гистерезисные свойства, то есть намагниченность будет изменяться при включении и выключении внешней нагрузки. Внешняя нагрузка может быть не обязательно магнитным полем, создаваемым электрическим током, но и физическим смещением (как показано на видео ниже).

При работе с ферромагнитными материалами нужно уметь и иметь возможность описывать самые разные их свойства и особенности поведения. В этой статье мы рассмотрим доступный в пакете COMSOL® функционал для моделирования ферромагнитных материалов.

Обзор используемых магнитных материальных уравнений

Различные свойства магнитных материалов — желательные и нежелательные — проявляются в разных системах, и важно уметь описывать диапазон различных свойств.

Модуль AC/DC позволяет учитывать при моделировании все виды типичного поведения магнитных материалов благодаря восьми предопределенным материальным уравнениям, перечисленным в первом столбце таблицы внизу, а также позволяет задавать так называемые внешние материалы (external material) при помощи пользовательских скриптов. Слабомагнитные материалы обычно описываются с помощью первой опции, Relative permeability (Относительная проницаемость), которая выбрана по умолчанию в программном пакете COMSOL Multiphysics®.

Для описания ферромагнитных материалов используйте одну из оставшихся опций. Первые четыре опции в таблице лучше подходят для мягких сталей, а последние — для постоянных магнитов. В обеих этих группах опции упорядочены по нарастанию сложности материальных уравнений и увеличению числа свойств, описывающих динамику намагниченности.

Материальные уравнения и соотношения Soft Iron (Fully Time-dependent) (Мягкая сталь (исследование во временной области)) Soft Iron (AC Feeding) (Мягкая сталь (исследование в частотной области)) Permanent Magnets (Fully Time-Dependent) (Постоянные магниты (исследование во временной области)) Требуемая информация
Relative Permeability (Относительная проницаемость) 1 скалярная (или тензорная) величина
Magnetic Losses (Магнитные потери) 2 скалярных (или тензорных) величины
B-H Curve (Кривая намагничивания) 1 функция
Effective B-H Curve (Эффективная кривая намагничивания)* 1 функция
Magnetization (Намагниченность) 1 векторная величина
Remanent Flux Density (Остаточная магнитная индукция) 1 скалярная (или тензорная) величина и 1 векторная величина
B-H Nonlinear Permanent Magnet (Нелинейный постоянный магнит с B-H-кривой) Функция и направление
Модель гистерезиса Джилса-Атертона 5 скалярных (или тензорных) величин
External Magnetic Material (Внешний магнитный материал)** Сторонний скомпилированный код

Сводная таблица по вариантам физических законов для моделирования твердых и мягких сталей и количеству необходимых исходных параметров и/или функций. *Эффективная кривая намагничивания может быть получена путем преобразования стандартной кривой с помощью приложения из Библиотеки приложений модуля AC/DC. Подробнее об этих возможностях рассказывается в предыдущей записи нашего блога.) ** External Magnetic Material (Внешний магнитный материал) является подопцией для кривой намагничивания (B-H curve). Дополнительная информация о данном условии содержится в нашем материале о задании и доступе к моделям внешних материалов.

Восемь графиков в осях B и H в нижеследующем разделе иллюстрируют типичную динамику намагниченности для различных материальных уравнений, приведенных в таблице выше. На графиках вдоль оси y откладывается магнитная индукция B. Эта величина напрямую измеряется и однозначно интерпретируется. Ось x показывает магнитное поле H. Интерпретация этой величины зависит от исследуемой системы, как будет показано на примере ниже.

Для описания указанных графиков будем рассматривать идеальную магнитную цепь с магнитным тором длины L, равномерно обмотанным N витками катушки с током I. В этом случае H = N*I/L. В зависимости от прикладной задачи, производители используют такую конструкцию (или рамку Эпштейна) для измерения кривых намагничивания.

Мы также приведем несколько примеров использования этих условий в обычных магнитных материалах и применения в типичных прикладных задачах.

Соотношения для мягких (в магнитном отношении) сталей
Материальные уравнения и соотношения Зависимость B от H Комментарии
Relative Permeability (Относительная проницаемость)
  • Можно использовать для описания мягких сталей в малых полях
  • Пластинчатые сердечники силовых трансформаторов при коротком замыкании очень хорошо описываются этим соотношение
Magnetic Losses (Магнитные потери)
  • Типично для всех ферромагнитных материалов на высоких частотах
  • Для ферритов, используемых в высокочастотных катушках индуктивности, трансформаторах и концентраторах потока, такие данные обычно указаны в технических спецификациях
B-H Curve (Кривая намагничивания)
  • Самое классическое уравнение для описания мягких в магнитном отношении сталей
  • Учитывает магнитное насыщение
  • Используется для описания подвижных магнитных контуров с переменным магнитным сопротивлением, например, в электродвигателях и генераторах
  • При малых магнитных полях совпадает с материальным соотношением Relative Permeability (Относительная проницаемость)
Effective B-H Curve (Эффективная кривая намагничивания)
  • Обобщение материального соотношения B-H Curve (Кривая намагничивания) для случая питания переменным током при исследовании в частотной области
  • Работает для стационарных контуров или случаев, когда геометрия цепи меняется медленно по сравнению с внешним переменным магнитным полем
  • Это условие можно использовать для ферромагнитных деталей в установках индукционного нагрева или сердечниках трансформаторов в разомкнутых цепях
  • При малых магнитных полях совпадает с материальным соотношением Relative Permeability (Относительная проницаемость)
Соотношения для постоянных магнитов
Материальные уравнения и соотношения Зависимость B от H Комментарии
Magnetization (Намагниченность)
  • Типовое описание редкоземельных постоянных магнитов
    • Используется в моделях современных электрических двигателей, генераторов, датчиков
Remanent Flux Density (Остаточная магнитная индукция)
  • Обобщение материального соотношения Magnetization (Намагниченность)
  • Позволяет лучше учитывать эффекты размагничивания под действием внешнего поля, направленного против вектора текущей намагниченности
  • Можно использовать для сплавов типа альнико при небольших изменениях приложенного поля
B-H Nonlinear Permanent Magnet (Нелинейный постоянный магнит с B-H-кривой)
  • Доступен в интерфейсах Magnetic Fields (Магнитные поля) и Magnetic Fields, No Current (Магнитные поля, без токов) модуля AC/DC начиная с версии 5.3a программного пакета COMSOL Multiphysics
  • Специальное условие для моделирования размагничивания постоянных магнитов, использующее только данные об одноосных свойствах магнита
  • Часто используется для сплавов типа альнико и редкоземельных магнитов, работающих при высокой температуре
  • Похоже одновременно на соотношения B-H Curve (Кривая намагничивания) и Magnetization (Намагниченность), так как описывает поведение материалов, близкое к материальному соотношению B-H Curve (Кривая намагничивания), но сдвигает кривую в плоскости B-H
Модель гистерезиса Джилса-Атертона
  • Гибкое уравнение для моделирования разных материалов, содержащее большое число параметров
  • Можно использовать для точной подстройки расчетов потерь в электродвигателях и других электрических машинах, хотя применимость модели иногда и ограничена сложностью получения некоторых параметров материала

Обратите внимание, что мы не упоминули опцию external magnetic material (Внешний магнитный материал), указанную в первой таблице. Это дополнительная опция к материальному уравнению B-H Curve (Кривая намагничивания), позволяющая моделировать самые общие произвольные законы для магнитных материалов. Подробный пример изложен в предыдущей статье. Эта опция обычно используется для описания пользовательских моделей гистерезиса с условной логикой.

Все параметры и функции, упомянутые в таблицах выше, могут зависеть от остальных параметров модели. Это чрезвычайно важно: таким образом функция может учитывать мультифизические эффекты или свободно обрабатывать нелинейные эффекты в материалах.

В учебной модели топологической оптимизации магнитной цепи приведен пример, в котором нелинейная зависимость вручную добавляется к опции Relative Permeability (Относительная проницаемость), воспроизводя поведение опции B-H Curve (Кривая намагничивания). Этот пример показывает, что для перехода от одной опции к другой достаточно написать в поле для относительной проницаемости выражение murOfB(mf.2*murOfB(mf.normB). Этот закон описывает воздух при p = 0 и мягкую сталь при p = 1. Значение p в рамках модели выбирается во время топологической оптимизации. Обратите внимание, что задание функции от переменной normB может потребовать дополнительных действий для улучшения сходимости, что подробно описано в документации к указанной модели. В этой модели была активирована опция "Split complex variables in real and imaginary parts" (Разбивать комплексные переменные на действительную и мнимую части).

Другая прикладная задача, в которой полезно задавать проницаемость как функцию, — индукционный нагрев. В этом случае материал проходит через точку Кюри. Обычно для этого проницаемость задается в виде функции типа 1+f(T)*(mur(normB)-1), где f(T) — функция, равная единице при низких температурах, понижающаяся до нуля при температуре Кюри и равная нулю выше температуры Кюри. Этот метод используется для точного моделироватния различных процессов индукционного нагрева сталей (например, закалки). В общем случае функциональные зависимости параметров кривых намагничивания от температуры можно взять из статей и технических спецификаций и задать с помощью того же метода.

Многие параметры, описанные в таблице как “скаляры” и “функции”, можно задать как тензоры или наборы функций, описывающих компоненты вектора или тензора. Это важно, потому что магнитные свойства по своей природе являются векторными. Модуль AC/DC позволяет задавать все описанные в первой таблице свойства для полностью анизотропных материалов. Такой пример описан и обсуждается в учебной модели векторного гистерезиса, которая использует анизотропный материал Джилса-Атертона и воспроизводит опубликованные данные.

Векторная природа полей важна для моделирования подвижного магнитного оборудования. На анимации ниже показана плотность магнитного потока во вращающемся оборудовании, в которой внешняя область описана согласно модели гистерезиса Джилса-Атертона. Слева вращается область с гистерезисом, а справа — внутренний магнит. Все компоненты векторов B и H при переходе от левого изображения к правому изменяются так, как должны изменяться векторы при вращении. Таким образом, правая анимация выглядит так же, как левая анимация при жестком вращении тела.

Магнитная индукция во вращающемся оборудовании, включающем материал с гистерезисом, показывает, что векторная природа полей приводит к одинаковым локальным полям в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (слева), и в системе отсчета, связанной с областью с гистерезисом (справа).

Моделирование ферромагнитных материалов в COMSOL Multiphysics®

Теперь рассмотрим пример, в котором для одной и той же детали из ферромагнитного материала последовательно используются разные законы, моделирующие свойства детали в разных процессах. Мы принимаем за данность, что нам доступна только некоторая информация о свойствах материала.

На рисунке ниже изображена модель магнитного контура. Красным отмечена деталь, выполненная из мягкой стали с нелинейным поведением, малым остаточным магнитным потоком и кривой намагничивания с гистерезисом. Для нее использовали материал Soft Iron (Мягкая сталь) из Библиотеки материалов модуля AC/DC: излом кривой достигает 1,5 Тл при значении 5400 А/м. Синим отмечена катушка, обвитая вокруг сердечника из мягкой стали. Зеленая область — интересующая нас деталь, которую мы и будем изучать, используя разные законы. Например, это может быть деталь из сплава альнико (AlNiCo) без начальной намагниченности.


Геометрия магнитной цепи. На схеме показаны мягкая сталь (красная область), катушка (синяя область) и сплав типа альнико (зеленая область). Изначально брусок из альнико не намагничен; при появлении тока в катушке он намагничивается, а при извлечении из магнитной цепи (вверх по стрелке) размагничивается.

Мы можем моделировать четыре рабочих режима в магнитной цепи:

  1. Деталь из сплава альнико изначально не намагничена; при протекании тока в катушке деталь намагничивается
  2. Деталь из сплава альнико намагничивается током, текущим на шаге 1, и остается намагниченной даже после исчезновения тока в катушке
  3. Намагниченная деталь из сплава альнико в конце шага 2 извлекается из сердечника и частично размагничивается
  4. Размагниченная деталь из сплава альнико включается обратно в магнитную цепь; остаточный магнитный поток остается почти таким же малым, каким он был вне магнитной цепи

Было бы заманчиво настроить материальные соотношения один раз для всего рабочего цикла. Это возможно сделать, но для этого нам понадобятся специальные независимые измерения от производителя стали. Например, можно легко узнать значение напряженности магнитного поля H, при котором материал полностью намагничен, соответствующее значение остаточного магнитного потока и вид кривой размагничивания.

Но для этого примера давайте предположим, что насыщение достигается при приложенном внешнем магнитном поле напряженностью 30 кА/м, а одноосная кривая размагничивания во втором квадранте плоскости B-H приведена в таблице ниже. Кривая начинается с остаточного магнитной индукции Br при H = 0 и стремится к B = 0 при отрицательном значении коэрцитивного поля Hc. Обратите внимание, что данные, приведенные в таблице, полностью соответствуют материалу, который вы найдете в COMSOL Multiphysics — это материал Demagnetizable Nonlinear Permanent Magnet (Размагничиваемый нелинейный постоянный магнит) в Библиотеке материалов модуля AC/DC.

Если вы хотите использовать свои собственные данные, изучите встроенный типовой материал. Обратите внимание, что вам нужно будет указать значение коэрцитивного магнитного поля Hc и соответствующую кривую размагничивания. Так как кривая размагничивания обычно расположена во втором квадранте, ее нужно сдвинуть вдоль оси H на величину abs(Hc). После такого сдвига кривая в плоскости B-H будет начинаться в точке (0, 0) и достигнет значения остаточной плотности потока Br в точке abs(Hc). Подробные указания содержатся в Руководстве пользователя модуля AC/DC.

H, кА/м B, Тл
-50 (коэрцитивное магнитное поле Hc) 0
-48 0.5
-47 0.7
-46 0.85
-44 0.96
-40 1.03
-35 1.08
-30 1.11
-20 1.155
-10 1.187
0 1.2 (остаточная индукция, Br)

Данные для второго квадранта кривой намагничивания для такого материала, как Demagnetizable Nonlinear Permanent Magnet (Размагничиваемый нелинейный постоянный магнит) содержатся в Библиотеке материалов модуля AC/DC.

Траектория горизонтального компонента магнитной индукции в центре компонента из сплава Альнико для каждого из четырех описанных процессов представлена на иллюстрации ниже. Цвета обозначают следующие стадии:

  1. Синяя кривая: при включении тока (этот шаг процесса начинается слева с точки H = 0 при нулевом токе и достигает максимальной намагниченности справа)
  2. Зеленая кривая: процесс отключения тока (начинается справа, достигает конечной магнитной индукции слева на уровне H = 0 при нулевом токе в катушке)
  3. Красная кривая: процесс размагничивания при извлечении образца из магнитной цепи; точно соответствует данным в таблице выше
  4. Голубая кривая: повторное включение магнита в цепь; процесс начинается слева (образец вне контура) и заканчивается справа при полностью включенном в в контур образце магнита

Горизонтальный компонент магнитной индукции в центре компонента из сплава Альнико для каждого из четырех описанных процессов.

В следующем видеоматериале представлены условия, приложенные к компоненту из сплава Альнико, а также итоговые траектории, представленные на графике выше.

Обратите внимание, что эти исследования представляют собой достаточно простые и надежные стационарные параметрические исследования, которые основаны на предыдущем решении. Подобная настройка позволяет нам с легкостью выполнять трехмерное моделирование или использовать более сложную геометрию. Как уже было отмечено, мы использовали данные предыдущего решения для того, чтобы связать друг с другом кривые, отвечающие различным областям. Именно из-за этого на кривой, представленной на графике выше, заметны небольшие разрывы.

Эту модель можно подстроить так, чтобы избавиться от разрывов, но появляющиеся при этом дополнительные параметры потребуют проведения новых измерений. Следуя процедуре, изложенной выше, мы убедились, что проводить такие измерения не обязательно, и правдоподобные решения можно найти и на основе стандартных доступных данных.

Следует сделать одно замечание о величине, отложенной вдоль оси x на графике выше. Величина, отложенная вдоль оси x, на шаге 1 и шаге 2 естественным образом связана с током, текущим через катушку. На шаге 3 и шаге 4 ток в катушке не течет, и напряженность магнитного поля зависит от пространственного перемещения деталей. Таким образом, не так просто однозначно выбрать величину, которую разумно откладывать вдоль оси x. На шаге 3 мы использовали встроенную переменную axialH. На шаге 4 мы использовали нормированное смещение детали от магнитной цепи. При изучении кривой намагничивания важно помнить о том, какие из определений были использованы, какими были цели исследования и какие приборы использовались.

На этом примере мы показали, что мы можем менять материальные соотношения в зависимости от задачи и использовать произвольные выражения, построенные на ранее рассчитанных переменных. Здесь мы рассмотрели самый простой случай, чтобы не усложнять задачу. Более строгое и сложное описание трехмерной модели извлечения и вставки бруска из сплава альнико в магнитный контур вы найдете в этой модели саморазмагничивания. В эту модель добавлена локальная линейная модель отдачи при вставке магнита.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели большой набор опций для моделирования магнитных материалов, доступных в программном пакете COMSOL Multiphysics и модуле AC/DC. Мы начали с основных принципов электромагнетизма и набора встроенных условий и изучили, какие материальные соотношения лучше подходят для различных материалов и устройств. Мы также указали, какие функциональные возможности используются для мультифизического моделирования и задания более сложных условий. Несмотря на это, мы затронули только малую часть соображений, которые надо учесть при выборе материальных соотношений.

Мы советуем вам изучить дополнительную литературу, указанную ниже, и/или связаться с нами, чтобы узнать больше о программном пакете COMSOL.

Дальнейшие шаги

Узнайте о том, как моделировать магнитные материалы с помощью модуля AC/DC. Если вы хотите попробовать программный пакет в работе, на странице продукта вы можете оставить заявку на демонстрацию.

Дополнительные источники
  • Просмотрите запись вебинара по моделированию ферромагнитов
  • Прочтите связанные заметки в нашем корпоративном блоге:
  • Изучите следующие учебные модели:

Анализ топографии магнитных полей рассеяния в ферромагнитных изделиях | Новослугина

1. Ферстер Ф. Неразрушающий контроль методом магнитных полей рассеяния. Теоретические и экспериментальные основы выявления поверхностных дефектов конечной и бесконечной глубины / Дефектоскопия. 1982. № 11. С. 3 – 25.

2. Пашагин А. И., Щербинин В. Е., Донской С. А. Исследование магнитных полей поверхностных дефектов при комбинированном намагничивании изделий / Дефектоскопия. 1983. № 2. С. 75 – 81.

3. Щербинин В. Е., Горкунов Э. С. Магнитный контроль качества материалов. — Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1996. — 264 с.

4. Черепанов А. А., Кротов Л. Н., Кротова Е. Л. Математическое моделирование определения геометрических параметров внутренних дефектов различных форм методом магнитной дефектоскопии / Перспективы науки. 2013. № 12(51). С. 60 – 63.

5. Кушнев А. В., Новиков В. А. Анализ моделей дефектов в теоретических исследованиях магнитных полей рассеяния, возникающих при намагничивании ферромагнитных объектов / Вестник белорусско-российского университета. 2014. № 1. С. 95 – 105.

6. Шур М. Л., Новослугина А. П., Смородинский Я. Г. Вопросы теории и расчета магнитостатических полей в ферромагнетиках / Дефектоскопия. 2014. № 7. С. 31 – 43.

7. Крапивский Е. И., Абакумов А. А., Венков Ю. А. Экспериментальное исследование магнитного поля рассеяния от дефектов трубопровода / Газовая промышленность. 2015. № 2(718). С. 64 – 66.

8. Дякин В. В., Кудряшова О. В., Раевский В. Я. Один подход к решению основного уравнения магнитостатики для случая неоднородных магнетиков / Теоретическая и математическая физика. 2016. Т. 187. № 1. С. 88 – 103.

9. Гобов Ю. Л., Никитин А. В., Попов С. Э. Решение обратной геометрической задачи магнитостатики для дефектов коррозии с учетом нелинейных свойств ферромагнетика / Дефектоскопия. 2018. № 12. С. 30 – 34.

10. Дякин В. В., Кудряшова О. В., Раевский В. Я. Поле рассеяния пластины с поверхностным дефектом в однородном внешнем поле / Дефектоскопия. 2018. № 12. С. 22 – 29.

11. Yan M., Udpa S., Mandayam S., Sun Y., Sacks P., Lord W. Solution of inverse problems in Electromagnetic NDE using finite element methods / IEEE Transactions on Magnetics. 1998. Vol. 34. N 5. P. 2924 – 2927. DOI: 10.1109/20.717682

12. Amineh R. K., Koziel S., Nakolaeva N. K., Bandler J. W., Reilly J. P. A space mapping methodology for defect characterization from magnetic flux leakage measurements / IEEE Transactions on Magnetics. 2008. Vol. 44. N 8. P. 2058 – 2065. DOI: 10.1109/TMAG.2008.923228

13. Гальченко В. Я., Остапущенко Д. Л., Воробьев М. А. Компьютерный анализ конфигурации магнитных полей поверхностных дефектов сплошности конечных размеров в ферромагнитной пластине ограниченной протяженности методом пространственных интегральных уравнений / Дефектоскопия. 2009. № 3. С. 56 – 66.

14. Гальченко В. Я., Остапущенко Д. Л., Воробьев М. А. Компьютерный анализ конфигурации магнитных полей подповерхностных дефектов сплошности конечных размеров и произвольной формы в объектах контроля ограниченной протяженности методом пространственных интегральных уравнений / Дефектоскопия. 2009. № 5. С. 60 – 71.

15. Yang L., Cui W., Gao S. Magnetic flux leakage field within the detector unit optimization based on Comsol / Testing and Measurement: Techniques and Applications. 2015. P. 271 – 275. DOI: 10.1201/b18470-63

16. Реутов Ю. Я., Гобов Ю. Л., Лоскутов В. Е. О возможностях использования программы ELCUT в расчетах по дефектоскопии / Дефектоскопия. 2002. № 6. С. 34 – 40.

17. Черных И. В. Пакет ELCUT: моделирование устройств индукционного нагрева. https://www.elcut.ru/publications/ chernih4.pdf (дата доступа 26.11.2020).

18. Дякин В. В., Кудряшова О. В., Раевский В. Я. О проблемах использования пакетов универсальных программ для решения задач магнитостатики / Дефектоскопия. 2018. № 11. С. 23 – 33.

19. Шур М. Л., Новослугина А. П., Смородинский Я. Г. Об обратной задаче магнитостатики / Дефектоскопия. 2013. № 8. С. 43 – 53.

20. Новослугина А. П., Смородинский Я. Г. Расчетный способ оценки параметров дефектов в сталях / Дефектоскопия. 2017. № 11. С. 13 – 19.

Применение магнитошумового метода для контроля механической анизотропии ферромагнитных материалов | Бусько

1. Radchenko, A.V. Numerical modeling of development of fracture in anisotropic composite vaterials at low-velocity loading / A.V. Radchenko, P.A. Radchenko // Journal of Materials Science. – 2010. – Vol. 46, no. 8. – Р. 2720–2725. DOI: 10.1007/s10853-010-5142-8

2. Gorkunov, E.S. Barkhausen Noise and its Utilization in Structural Analysis of Ferromagnetic Materials, Reviev Article I. / E.S. Gorkunov, Y.N. Dragoschanski // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 1999. – No. 6. – P. 3–23.

3. Тиунов, В.Ф. Контроль неоднородности магнитной проницаемости листовой анизотропной электротехнической стали // Дефектоскопия. – 2019. – № 3. – С. 46–49.

4. Korzunin, G.S. The effect of the Anisotropy of Magnetic Properties of electrical steel on losses in power transformer cores / G.S. Korzunin [et al.] // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2010. – Vol. 46, no. 9. – P. 632–637. DOI: 10.1134/S1061830910090020

5. Borsutzki, M. Magnetische und akustische Verfahren zur Materialcharakterisierung von Stahlblechen / M. Borsutzki, J. Kroos, W. Reimche, E. Schneider // Stahl und Eisen, 120 (2000), H. 12. – P. 115–121.

6. Korzunin, G.S. Effect of Mechanical Stresses on the Magnetic Properties of Anisotropic electrical steel / G.S. Korzunin, R.B. Puzhevich, M.B. Tsyrlin // The Physics of Metals and Metallography. – 2007. – Vol. 103, no. 2. – P. 142–151. DOI: 10.1134/S0031918X07020044

7. Nichipuruk, A.P. Induced magnetic anisotropy in low-carbon steel plates subjected to plastic deformation by stretching / A.P. Nichipuruk, A.N. Stashkov, M.S. Ogneva, A.V. Korolev, A.A. Osipov // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2015. – Vol. 51, no. 10. – P. 610–615. DOI: 10.1134/S1061830915100095

8. Матюк, В.Ф. Состояние неразрушающего контроля штумпуемости листового проката сталей // Неразушающий контроль и диагностика. – 2012. – № 3. – С. 3–24.

9. Счастный, А.С. Исследование возможности контроля анизотропии листового проката / А.С. Счастный, А.А. Осипов // Неразрушающий контроль и диагностика. – 2014. – № 3. – С. 20–33.

10. Matyuk, V.F. Modem state of Nondestructive testing of Mechanical properties and stamping ability of steel sheets in a manufacturing technological flow / V.F. Matyuk., S.A. Goncharenko, H. Hartmann, H. Reichelt // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2003. – Vol. 39, no. 5. – P. 347–380. DOI: 10.1023/B:RUNT.0000011264.99280.de

11. Bida, G.V. Multiparameter methods in magnetic structuroscopy and nondestructive testing of mechanical properties of steels / G.V. Bida, A.P. Nichipuruk // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2007. – Vol. 43, no. 8. – P. 493–509. DOI: 10.1134/S1061830907080013

12. Gorkunov, E.S. Barkhausen Noise and its Utilization in Structural Analysis of ferromagnetic Materials, Reviev Article V. / E.S. Gorkunov, Y.N. Dragoschanski, M. Mikhovski // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2000. – V. 36, no. 6. – P 389– 417. DOI: 10.1007/BF02759376

13. Ivanova, Y. Comparative measurements of the stress state in a rolled carbon steel using magnetic barkhausen noise and ultrasonic method / Y. Ivanova, T. Partalin // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2012. – Vol. 48, no. 2. – P. 137–146. DOI: 10.1134/S1061830912020040

14. Венгринович, В.Л. Новые возможности НК напряжений методом эффекта Баркгаузена / В.Л. Венгринович [и др.] // В мире неразрушающего контроля. – 2005. – № 1 (27). – С. 36–39.

15. Iordache, V.E. Effect of mechanical strains on the magnetic properties of electrical steels / V.E. Iordache., E. Hug // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. – December 2004. – Vol. 6, no. 4. – P. 1297–1303.

16. Филинов, В.В. Применение метода магнитных шумов для контроля технологических напряжений / В.В. Филинов [и др.] // Контроль. Диагностика. – 2005. – № 3. – С. 17–22.

17. Бусько, В.Н. Лабораторная система для исследования усталостной деградации ферромагнитных материалов и примеры ее реализации / В.Н. Бусько, Д.А. Винтов // Приборы и методы измерений. – 2012 – № 2 (5). – P. 33–39.

Ферромагнитный материал научились изменять с помощью лазера

«Мы показали, что характерные линейные размеры, устойчивость и форму скирмиона можно контролировать с помощью внешнего электромагнитного поля, например, линейно поляризованного лазерного излучения – излучения, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в некотором направлении, перпендикулярном направлению распространения электромагнитного поля», – рассказал один из авторов статьи Дмитрий Юдин, руководитель проекта, PhD, научный сотрудник Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.

Авторы отмечают, что обнаруженный ими эффект может применяться в спинтронике (в данном случае – в скирмионике). Спинтроника как прикладное направление исследований зародилась в конце 1980-х годов как альтернатива зарядовой электронике. Использование спинового, а не зарядового тока для передачи и обработки информации является краеугольным камнем этой технологии. В устройствах молекулярной спинтроники битом информации является уже не домен, который состоит из множества молекул, а всего лишь одна молекула. Таким образом плотность записи информации повышается в 10-15 раз. Поэтому с помощью принципов спинтроники можно гораздо эффективнее записывать информацию на жесткие диски, создавать новые транзисторы, элементы логики и ячейки памяти.

В ходе работы авторы рассмотрели модель ферромагнитного материала, который представлял собой один слой однородного вещества. Магнитный порядок – это явление, при котором магнитные моменты (векторы) атомов в материале имеют строго определенные направления. Если все векторы направлены в одну сторону, такой порядок называют ферромагнитным, а материал – ферромагнетиком. К ферромагнитным материалам относятся, например, металлы кобальт (Co), никель (Ni) и гадолиний (Gd). Также существует антиферромагнитный порядок, при котором магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны. При этом ферромагнетики обладают намагниченностью даже в отсутствии внешнего магнитного поля, а антиферромагнетики таким свойством не обладают и поэтому считаются слабыми магнитами.

Изначально предполагалось, что в изучаемом слое отсутствует центр инверсии, то есть его внутренняя структура несимметрична относительно замены знаков всех координат на противоположные. Отсутствие центра инверсии приводит к появлению сильного спин-орбитального взаимодействия, то есть взаимодействия между движущейся частицей и ее собственным магнитным моментом, связанным с наличием у частицы спина — вращения частицы вокруг своей оси (но не перемещения ее как целого).

При сильном спин-орбитальном взаимодействии в магнитных материалах появляются сложные спиновые текстуры – скирмионы. Это конфигурации (скопления) магнитных моментов, которые частицей не являются, но по строению подобны ей. Они не принадлежат ни к ферромагнитному, ни к антиферромагнитному порядкам, потому что их магнитные моменты ни параллельны, ни антипараллельны. Скирмионы образуют комбинацию в виде диска с рядами спинов. В центре спин ы направлены вниз, а у краев — вверх. Все спины, находящиеся посередине, являются промежуточными состояниями: если взять по спину из каждого ряда и посмотреть на их расположение, то видно, что они описывают полный круг.

«Хорошо известно, что в магнитных материалах без центра инверсии возможно появление частицеподобных структур скирмионов. Последние могут найти широкое применение в проектируемых устройствах энергонезависимой памяти. В сравнении с устройствами на магнитных доменах в ферромагнитных материалах управление скирмионами как источниками информации требует существенно меньших пороговых значений тока. Использование же внешнего электромагнитного излучения, например, лазера, открывает широкие перспективы для возможности манипулировать отдельными скирмионами в ферромагнитных системах», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с ученым из Университета Неймегена (Нидерланды).

Износостойкая ферромагнитная сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к составу износостойкой ферромагнитной стали, используемой для изготовления деталей машин, например, в горном машиностроении. Предложена износостойкая ферромагнитная сталь, содержащая компоненты в следующим соотношении, в мас.%: углерод 0,2 - 0,29; марганец 1,2- 1,8; кремний 0,2 - 0,6; хром 0,8 - 1,3; молибден 0,15 - 0,25; титан 0,005 - 0,03; железо - остальное. Для увеличения эффекта, обеспечивающего снижение склонности стали к хрупкому разрушению, в сталь дополнительно вводят никель в количестве 0,55 - 1,1 мас.% и алюминий в количестве 0,06 - 0,15 мас. % при условии, что сумма содержания алюминия и кремния составляет не более 0,5 мас.%, а сумма хрома, никеля и молибдена составляет не менее 2,05 мас.%. Сталь обладает следующими свойствами: 0,2 не менее 700 МПа, В не менее 850 МПа, не менее 5%, не менее 20%. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к составу износостойкой ферромагнитной стали для машиностроения.

В настоящее время для деталей машин, подвергающихся интенсивному износу в условиях ударных нагрузок, в основном используется аустенитная сталь 110Г13Л. Повышение ее прочности и износостойкости достигается за счет легирования и пластической деформации (наклепа) рабочих поверхностей. Существенным недостатком данной марки стали при использовании ее в горном машиностроении в качестве материала для изготовления, например, зубья ковша являются: - сложность контроля качества структуры литья; - достаточно жесткие требования по химсоставу и температурным режимам разливки и термообработки; - отсутствие магнитных свойств, что не позволяет при поломке зубьев выделить их части из транспортируемой железной руды, это приводит к выходу из строя обогатительного оборудования, в частности, дробилок крупного и среднего дробления. Наиболее близким аналогом изобретения является износостойкая сталь с пониженной склонностью к хрупкому разрушению, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, алюминий, кальций, титан и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,25-0,4 Кремний - 0,2-0,6 Марганец - 0,5-1,2 Хром - 0,5-1,0 Ванадий - 0,04-0,12 Молибден - 0,2-0,4
Алюминий - 0,01-0,04
Кальций - 0,002-0,01
Титан - 0,005-0,05
Железо и неизбежные примеси - Остальное, причем
Фосфор - Менее 0,038
Сера - Менее 0,022 /1/
Приведенный прототип содержит только элементный химический состав и не указывает взаимное влияние элементов на механические свойства стали, однако определенные концентрации Al и Si могут делать сталь флокеночувствительной, что резко снижает эксплуатационные свойства сталей, с другой стороны, в стали отсутствуют элементы, которые повышают пластическое свойства и этим снижается надежность изделий из нее. В жестких условиях эксплуатации деталей машин, например, при добыче полезных ископаемых на железорудных месторождениях, уровень физико-механических указанной стали может быть недостаточно высоким в отношении прочности из-за охрупчивания литых деталей. Технический эффект при использования изобретения заключается в повышении прочности за счет дальнейшего снижения склонности стали к хрупкому разрушению путем снижения растворимости азота при литье и предотвращении флокенообразования. Сущность изобретения заключается в том, что предложена износостойкая ферромагная сталь, которая содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
Углерод - 0,02-0,29
Марганец - 1,2-1,8
Кремний - 0,2-0,6
Хром - 0,8-1,3
Молибден - 0,15-0,25
Титан - 0,005-0,03
Железо - Остальное
Для увеличения эффекта, обеспечивающего снижение склонности стали к хрупкому разрушению, она дополнительно содержит 0,5 - 1,1 мас.% никеля и 0,06 - 0,15 мас.% алюминия, причем сумма Al + Si менее 0,5 мас.%, а сумма Gr + Ni + Mo более 2,05 мас.%. Для определения требуемого химсостава стали, отвечающей заданным физико-механическим свойствам, были проведены серии лабораторных и экспериментальных плавок, позволивших установить, что требуемые свойства предлагаемой стали 0,2 700 МПа, В 850 МПа, 5%, > 20% зависят от концентрации и суммарного количества входящих элементов. Оптимальное соотношение элементов и их сумма установлены на основе исследования 42 опытных промышленных плавок с построением математической модели множественной корреляции. В соответствии с выражением (1)

где n - число наблюдений;
P - число переменных в уравнении;
R - среднеквадратичное отклонение коэффициента множественной корреляции (R'). Для установления значений 10 переменных, определяющих элементный состав предлагаемой марки стали, количество необходимых для анализа плавок составляет 36 при доверительной вероятности 0,78. Исследованное число плавок 42 является достаточным для получения достоверных, значимых коэффициентов корреляции. Корреляционный анализ был проведен как по отдельным элементам, входящим в сталь, так и по комбинациям элементов, которые оказывают существенное влияние на свойства стали. Корреляционные уравнения представляются в следующем виде:
Y1i= a0 + a1%C + a2 % Mn + a3 % Si + a4 %P + a5 %S + a6%Cr + a7% Ni + a8 % Al + a9 %Mo. Y2i = a0 + a1%C + a2 %Si + a3%S + a4%P + a5 (%Cr + % Mi + %Mo) + a6%Al. Y3i = a0 + a1 %C + a2%Mn + a3 (% Si + %Al) + a4 %P + a5 %S + a6 %Cr + a7%Ni + a8 %Mo,
где Yki - функция отклика по механическим свойствам
A0, a1, a2, a3,... an - коэффициенты в уравнении множественной корреляции. Полученные аналитически коэффициенты множественной корреляции приведены в табл. 1, 2, 3. Анализ данных, приведенных в табл. 1, 2, 3, показывает, что все значения коэффициентов, входящих в уравнение корреляции, являются значимыми с высокими значениями коэффициента корреляции. Наибольшее влияние на прочностные свойства В и 0,2 оказывают углерод и хром, сумма кремния и алюминия, а также сумма хрома, никеля и молибдена. Пластические свойства повышаются при изменении концентрации никеля. Увеличение суммы кремния и алюминия при наличии в стали серы в пределах марки резко снижает относительное поперечное сужение, что свидетельствует о повышении чувствительности стали к флокенообразованию. Увеличение суммарной концентрации хрома, никеля и молибдена существенно сказывается как на повышении прочностных, так и пластических свойств. Поэтому наряду с элементным химическим составом необходимы ограничения по суммам Al + Si и Gr + Ni + Mo. Если первое ограничение обусловлено повышением флокеночувствительности и снижением надежности деталей, изготовленных из предлагаемой стали, то второе экономическими соображениями. В табл. 4 приведены значения механических свойств и состава стали, полученные на экспериментальных плавках и расчетным путем по корреляционным уравнениям. Исследованиями установлено, что наиболее сильное влияние на газопоглощение стали оказывают такие элементы, как Al и Si, так увеличение Al до 0,15 увеличивает растворимость азота в 12 раз, а присутствие Si более 0,5% увеличивает растворимость азота в 20 раз /2/. Повышенное газопоглащение стали ведет к флокенообразованию. Флокины в литейной стали располагаются по границам зерна, что приводит к уменьшению относительного сужения, величина которого может изменяться с 40% до 10-15%. Сочетание в стали таких элементов как хром, молибден и никель делает сталь более чувствительной к водородной хрупкости. Поэтому при установлении их численных значений выбраны оптимальные комбинации Al + Si, Cr + Ni + Mo. Проведенный анализ табличных данных показал, что для предотвращения охрупчивания стали суммарная величина Al + Si должна быть менее 0,5 мас.%, а суммарная величина CR + Ni + Mo должна быть более 2,05 мас.%. Источники информации:
1. Математическая теория планирования эксперимента под ред. С.М. Ермакова. Москва, Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1983 г., с. 391. 2. Е. Капустин. К вопросу о флокинах в литой стали. Металлургия N 9/10, 1975 г., с. 79.


Формула изобретения

1. Износостойкая ферромагнитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, титан и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас. Углерод 0,2 0,29
Марганец 1,2 1,8
Кремний 0,2 0,6
Хром 0,8 1,3
Молибден 0,15 0,25
Титан 0,005 0,03
Железо Остальное
2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что для снижения склонности к хрупкому разрушению она дополнительно содержит никель и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 0,2 0,29
Марганец 1,2 1,8
Кремний 0,2 0,6
Хром 0,8 1,3
Молибден 0,15 0,25
Титан 0,005 0,03
Никель 0,55 1,1
Алюминий 0,06 0,15
Железо Остальное
3. Сталь по п. 2, отличающаяся тем, что сумма содержания в ней кремния и алюминия не более 0,5 мас. а сумма содержания хрома, молибдена и никеля составляет не менее 2,05 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Сталь магнитная? Ответы на другие вопросы о металлических магнитах

Магниты существуют уже тысячи лет, помогая кораблям перемещаться по океанам. Сегодня магниты используются для самых разных целей, включая микроволновые печи, телевизоры, генераторы, двигатели, акустические системы и многое другое. Существует некоторое непонимание того, какие типы материалов являются магнитными, особенно сталь. Сталь магнитная, может ли она намагничиваться или нет?

Почти вся сталь, которую вы видите или видите, не является магнитом.Однако из стали можно было сделать магнит. Сталь является магнитным материалом в том смысле, что ее можно притягивать магнитами, потому что она в основном состоит из ферромагнитных материалов. Чтобы понять это важное различие между магнитом и ферромагнитным материалом, полезно понять разницу между различными типами магнитов.

Постоянные магниты

Когда большинство людей думают о магнитах, они думают о постоянных магнитах. Это те типы, которые могут прикрепляться к некоторым металлическим предметам, таким как холодильники и другие магниты, без необходимости в электрическом токе.

Для создания постоянных магнитов можно использовать самые разные материалы, но чаще всего используются железо, кобальт, никель и другие сплавы металлов.

Электромагниты

Электромагниты создаются путем создания электромагнитного поля вокруг материала. Катушка из медной проволоки наматывается на сердечник, обычно сделанный из железа, кобальта или никеля. Когда электричество проходит по медному проводу, создается магнитное поле. Большим преимуществом электромагнитов является то, что магнитным полем можно легко управлять, включая или отключая электрический ток.

Майкл Фарадей, возможно, самый важный человек, о котором вы никогда не слышали, был пионером электрических экспериментов и магнетизма и первым понял, что это две стороны одной медали. Он обнаружил, что движущиеся электрические токи генерируют магнитные поля, а также магнитные поля генерируют электрические токи. Ему приписывают создание первого двигателя, который стал важным изобретением, положившим начало промышленной революции.

Сталь - ферромагнитный материал

Технически сталь состоит в основном из железа, которое является ферромагнитным материалом.Например: сталь 1018, очень распространенная марка стали, на 98,81-99,26% состоит из железа. Другие ферромагнитные материалы включают никель-кобальт.

Почему одни материалы магнитные, а другие нет?

Все дело в элементах, содержащихся в материале. Возможно, вы узнали об орбитальных оболочках элементов на уроке химии и о том, как электроны собираются вокруг оболочек в ядре атома. Некоторые элементы, такие как гелий, радон и неон, заполнили электронные оболочки электронами, которые перемещаются одинаково во всех направлениях.Генерируемые ими токи нейтрализуются и не создают магнитного поля. Элементы с полной внешней электронной оболочкой или почти полной оболочкой не будут иметь притяжения к магнитному полю или очень слабое, которое может быть обнаружено только инструментами.

Другие элементы с наполовину заполненными оболочками будут иметь неспаренные электроны во внешней оболочке. В постоянном магните все эти электроны будут указывать в одном направлении, и их магнитные поля складываются, образуя магнитное поле. Для элементов, которые не являются постоянными магнитами, но являются такими же магнитными, как железо, их электроны будут указывать во всех направлениях, но все будут указывать в одном направлении при попадании в магнитное поле.

Чтобы узнать больше о физике, лежащей в основе магнетизма, и почему посмотрите это замечательное видео, созданное Minute Physics:

Нержавеющая сталь магнитная?

Это зависит от обстоятельств. Некоторые виды нержавеющей стали обладают магнитными свойствами, а некоторые - нет. Существует много различных типов нержавеющей стали, так как легированная сталь с содержанием хрома не менее 10,5% считается нержавеющей сталью. Ферритная нержавеющая сталь будет магнитной в результате высокой концентрации железа и молекулярной структуры, обеспечивающей магнетизм.Молекулярная структура аустенитной нержавеющей стали отличается в результате добавления более высокой концентрации хрома и никеля. В результате аустенитная сталь не ведет себя ферромагнитно, несмотря на высокую концентрацию ферромагнитных материалов.

Оцинкованная сталь магнитная?

Обычно да, оцинкованная сталь будет магнитной. Оцинкованная сталь имеет защитное покрытие из цинка, которое не влияет на магнитные свойства стали, железа или другого типа металла, который она защищает.Цинковое покрытие не будет улучшать магнитные свойства стали, но пока основной металл является магнитным, оцинкованная сталь в целом будет иметь магнитные свойства.

Стальные банки магнитные?

Да, поскольку стальные банки состоят из ферромагнитных элементов, таких как железо, стальные банки притягиваются магнитами, такими как постоянные магниты и электромагниты. Даже если материал не полностью состоит из ферромагнитных элементов, он все равно может обладать магнитными свойствами и подвергаться влиянию магнитов.

Все ли металлические магниты?

Нет. На самом деле большинство металлических элементов, таких как серебро, титан и медь, не являются магнитными. В периодической таблице есть только три элемента, которые являются магнитными: никель, кобальт и железо, и это связано с их частично заполненными внешними электронными оболочками на d-орбиталях.

Почему магниты не работают с некоторыми нержавеющими сталями?

Томас Девайн, профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, дает ответ.

Нержавеющие стали - это сплавы на основе железа, известные прежде всего своей отличной коррозионной стойкостью, которая в значительной степени обусловлена ​​концентрацией хрома в стали. Существует несколько различных типов нержавеющих сталей. Два основных типа - аустенитный и ферритный, каждый из которых имеет разное расположение атомов. Из-за этой разницы ферритные нержавеющие стали обычно обладают магнитными свойствами, а аустенитные нержавеющие стали - нет. Ферритная нержавеющая сталь обязана своим магнетизмом двум факторам: высокой концентрации железа и своей фундаментальной структуре.

Металлические атомы в аустенитной нержавеющей стали расположены на гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке. Элементарная ячейка ГЦК-кристалла состоит из куба с атомом в каждом из восьми углов куба и атомом в центре каждой из шести граней. Однако в ферритной нержавеющей стали атомы металла расположены на объемно-центрированной (ОЦК) решетке. Элементарная ячейка ОЦК-кристалла представляет собой куб с одним атомом в каждом из восьми углов и одним атомом в геометрическом центре куба.Легирование нержавеющей стали такими элементами, как никель, марганец, углерод и азот, увеличивает вероятность того, что сплав будет обладать кристаллической структурой ГЦК при комнатной температуре. Хром, молибден и кремний повышают вероятность того, что сплав будет проявлять кристаллическую структуру ОЦК при комнатной температуре.

Самой популярной нержавеющей сталью является тип 304, которая содержит примерно 18 процентов хрома и 8 процентов никеля. При комнатной температуре термодинамически стабильная кристаллическая структура нержавеющей стали 304 является ОЦК; тем не менее, концентрация никеля в сплаве, а также небольшое количество марганца (около 1 процента), углерода (менее 0.08 процентов) и азота (около 0,06 процента), сохраняет структуру ГЦК, и поэтому сплав немагнитен. Если сплав механически деформируется, то есть изгибается при комнатной температуре, он частично превращается в ферритную фазу и будет частично магнитным или ферромагнитным, как это более точно обозначено.

Популярные ферритные нержавеющие стали - это бинарные сплавы железо-хром с содержанием хрома от 13 до 18 процентов. Эти сплавы являются ферромагнитными при комнатной температуре. Как и все ферромагнитные сплавы, при нагревании до достаточно высокой температуры - температуры Кюри - ферритные нержавеющие стали теряют свой ферромагнетизм и становятся парамагнитными, то есть они не сохраняют свое собственное магнитное поле, но продолжают притягиваться к внешним. .

Кусок ферритной нержавеющей стали обычно не намагничивается. Однако под воздействием магнитного поля она намагничивается, и когда это приложенное магнитное поле снимается, сталь остается в некоторой степени намагниченной. Такое поведение является следствием микроструктуры стали. В частности, в своем естественном состоянии ферритная сталь состоит из небольших участков, называемых магнитными доменами, которые полностью намагничены, но в целом направление намагничивания в каждом домене разное.В результате сумма всех доменов дает элементу нулевой магнитный момент. Внешнее магнитное поле ориентирует эти магнитные домены. В зависимости от стали и приложенного поля ориентация достигается за счет комбинации селективного роста или сжатия определенных доменов и вращения намагниченности внутри доменов. Если приложенное поле достаточно сильное, сталь будет сохранять значительную часть своей намагниченности до тех пор, пока сталь имеет достаточное количество дефектов, которые не позволяют доменам вращаться, расти или сжиматься.

По сути, причины, по которым ферритные нержавеющие стали являются ферромагнитными, а аустенитные нержавеющие стали - нет, имеют квантово-механическую природу. Достаточно сказать, что ферромагнитный металл состоит из атомов, которые имеют неполное внутреннее ядро ​​электронов и кристаллическую структуру, которая приводит к высокой плотности электронных состояний в энергетических зонах, образованных неполным внутренним ядром атома. Он также имеет межатомное расстояние, которое учитывает обменные эффекты между электронами в энергетических зонах, связанных с неполным внутренним остовным уровнем.Если атомы в металлическом кристалле расположены слишком широко, обменные эффекты слишком малы, чтобы вызвать выравнивание магнитных моментов соседних атомов, и кристалл не будет проявлять ферромагнетизм. Требование высокой плотности состояний проистекает из принципа исключения Паули. Этот принцип запрещает электронам с одинаковым спином занимать один и тот же энергетический уровень. Следовательно, если плотность электронных состояний относительно мала, электроны должны будут занимать состояния с более высокой энергией, чтобы все имели одинаковый спин.Если увеличение энергии в результате занятия более высоких уровней энергии превышает уменьшение энергии в результате обмена энергией электронов, структура не будет ферромагнитной.

Список ферромагнитных металлов | Sciencing

Ферромагнетизм, способность вещества намагничиваться, - это свойство, которое зависит от химического состава, кристаллической структуры, температуры и микроскопической организации материала. Металлы и сплавы, скорее всего, будут проявлять ферромагнетизм, но даже газ лития также оказался магнитным при охлаждении до температуры менее одного Кельвина.Кобальт, железо и никель - обычные ферромагнетики.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Магнетит технически не является металлом. Хотя он имеет металлическую отделку, Fe3O4 образуется в результате окисления железа в оксид.

Кобальт

Кобальт, один из переходных металлов, имеет температуру Кюри 1388 К. Температура Кюри - это максимальная температура, при которой ферромагнитный металл проявляет ферромагнетизм. Переходные металлы - это элементы, находящиеся в центре периодической таблицы, для которых характерна несовместимая неполная внешняя электронная оболочка.Кобальт использовался для создания сильных магнитов для углеродных нанотрубок и электроники.

Железо

Железо - еще один переходный металл с температурой Кюри 1043 К. Он аморфный (некристаллический, в отличие от многих других ферромагнетиков). Магнитное железо используется в производстве и распределении электроэнергии, в нанопроводах и сплавах с памятью формы.

Никель

Никель - еще один аморфный переходный металл с температурой Кюри 627 К. Его можно намагнитить в лаборатории путем быстрой закалки (научный термин для внезапного охлаждения) жидкого сплава.

Гадолиний

Гадолиний - серебристо-белый высокопластичный редкоземельный металл, используемый в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах. Он имеет температуру Кюри 292 К и сильные парамагнитные свойства.

Диспрозий

Диспрозий имеет температуру Кюри 88 К. Это еще один редкоземельный элемент с металлическим серебристым блеском, который чаще встречается в минералах, таких как ксенотим, а не в свободно встречающемся природном веществе. Диспрозий обладает высокой магнитной восприимчивостью, что означает, что он легко поляризуется в присутствии сильных магнитов.

Пермаллой

Конструкции на основе пермаллоя представляют собой ферромагнитные металлы, изготовленные из железа и никеля в различных пропорциях. Пермаллой - это активный перестраиваемый материал, который можно использовать в микроволновых устройствах или в крошечной одночиповой электронике. Изменяя соотношение железа и никеля в составе, можно незначительно изменить свойства пермаллоя. Композит, состоящий из 45% никеля и 55% железа, называется «пермаллой 45».

Awaruite

Редкий черно-серый сплав никеля и железа с химической формулой Ni3Fe, аваруит, был обнаружен в Калифорнии и выставлен в Смитсоновском музее естественной истории.Образцы этого редкого вещества используются для изучения состава метеоритов и в других исследовательских геологических приложениях.

Вайракит

Вайракит, сплав кобальта и железа, классифицируется как первичный минерал и встречается в Тохи, Сидзуоке и Чубу, Япония. Первичный минерал - это образец вулканической породы, которая образовалась на первой стадии затвердевания из исходной расплавленной магмы. Они контрастируют с вторичными минералами, которые образуются после первоначального затвердевания, во время процессов выветривания или геотермальных изменений.

Магнетит

Магнетит Fe3O4 - ферромагнитный минерал с металлической отделкой. Он образуется при окислении железа в оксид. Хотя технически это не металл, это одно из самых известных магнитных веществ, и оно было ключом к раннему пониманию магнитов.

Нержавеющая сталь магнитная? | Металлические супермаркеты

Если вы спросите кого-нибудь, «нержавеющая сталь магнитная?» вы, вероятно, получите самые разные ответы. Некоторые считают, что нержавеющая сталь - совершенно немагнитный материал.Другие считают, что нержавеющая сталь должна быть магнитной, потому что она содержит железо. Однако, как и в большинстве случаев, ответ лежит где-то посередине. Дело в том, что некоторые виды нержавеющих сталей обладают магнитными свойствами, а другие - нет.

Что делает магнит из нержавеющей стали?

Чтобы нержавеющая сталь была магнитной, необходимо выполнить несколько требований:

  1. Нержавеющая сталь должна содержать железо
  2. Кристаллическая структура нержавеющей стали должна иметь ферритную или мартенситную структуру.

Прежде всего, поскольку нержавеющая сталь является разновидностью стали, а это значит, что она должна содержать железо в своем химическом составе. Это решает первое требование. Второе требование - кристаллическая структура нержавеющей стали должна иметь структуру феррита или мартенсита. Если нержавеющая сталь в основном состоит из аустенитной структуры, она не будет магнитной.

Какие типы нержавеющей стали являются магнитными?

Магнитные и немагнитные нержавеющие стали обычно можно сгруппировать по типу нержавеющей стали.Обычно магнитными являются следующие типы нержавеющей стали:

  1. Ферритные нержавеющие стали, такие как марки 409, 430 и 439
  2. Мартенситная нержавеющая сталь марок 410, 420, 440
  3. Дуплексная нержавеющая сталь типа 2205
Ферритные нержавеющие стали:

Ферритные нержавеющие стали обычно обладают магнитными свойствами, поскольку в их химическом составе содержится большое количество феррита. Феррит - это соединение железа и других элементов.Комбинация ферритной кристаллической структуры с железом делает ферритные нержавеющие стали магнитными. Однако некоторые ферритные нержавеющие стали могут иметь более слабое магнитное притяжение, чем обычная углеродистая сталь.

Мартенситные нержавеющие стали:

Многие мартенситные нержавеющие стали являются магнитными. Уникальная кристаллическая структура мартенситных сталей может быть ферромагнитной, если присутствует железо. Поскольку нержавеющая сталь является разновидностью стали, в ее составе много железа. Это делает многие мартенситные нержавеющие стали магнитными.

Дуплексные нержавеющие стали:

Дуплексные нержавеющие стали обычно являются магнитными, поскольку содержат смесь аустенита и феррита. Значительное количество феррита (который является магнитным) способствует тому, что дуплексные стали являются магнитными. Однако, поскольку дуплексные нержавеющие стали содержат больше аустенита, чем ферритные стали, они могут быть немного менее магнитными.

Аустенитная нержавеющая сталь:

Аустенитные нержавеющие стали содержат большое количество аустенита, что делает их в основном немагнитными .Хотя такие марки, как нержавеющая сталь 304 и 316, содержат большое количество железа в своем химическом составе, аустенит означает, что они неферромагнитны. Однако, если кристаллическая структура аустенитной нержавеющей стали изменяется в результате наклепа или специальной термической обработки, в некоторых местах может образовываться феррит, что делает сталь частично магнитной.

Почему это важно?

Магнитный материал может иметь огромное влияние на предполагаемые характеристики материала в зависимости от его применения.Если материал необходимо быстро отсортировать от других материалов, то наличие магнитного материала для одного материала может упростить процесс сортировки. При сварке или выполнении других процессов изготовления металла магнитный материал может вызвать проблемы. Электрические токи также могут вести себя по-разному в магнитных материалах.

Metal Supermarkets - крупнейший в мире поставщик мелкосерийного металла с более чем 90 магазинами в США, Канаде и Великобритании.Мы эксперты по металлу и обеспечиваем качественное обслуживание клиентов и продукцию с 1985 года.

В Metal Supermarkets мы поставляем широкий ассортимент металлов для различных областей применения. В нашем ассортименте: нержавеющая сталь, легированная сталь, оцинкованная сталь, инструментальная сталь, алюминий, латунь, бронза и медь.

Наша горячекатаная и холоднокатаная сталь доступна в широком диапазоне форм, включая пруток, трубы, листы и пластины. Мы можем разрезать металл в точном соответствии с вашими требованиями.

Посетите одно из наших 80+ офисов в Северной Америке сегодня.

Полный список ферромагнитных материалов

Металлы и магнетизм идут рука об руку. Магнетизм, сильный или слабый, является характеристикой металла наряду с проводимостью, пластичностью и пластичностью. Но так же, как металлы могут быть пластичными, но не пластичными, или пластичными, но не пластичными, магнетизм не является само собой разумеющимся условием.

Металл, пропитанный электрическим током, создает магнитное поле, пока ток течет через металл. Это называется временным магнитом.Но ферромагнитные металлы, или «магнитные как железо», представляют собой постоянные магниты, генерирующие свои собственные магнитные поля без помощи электрического тока. Некоторые из этих металлов должны быть вам хорошо знакомы, в то время как другие имеют важное применение в нашей жизни, но это не те металлы, о которых мы много думаем по названию. Узнайте больше обо всех из них, знакомых и незнакомых, в этом исчерпывающем списке ферромагнитных материалов.

Железо

Железо, или феррий на латыни, является тезкой всех ферромагнитных металлов.Как наиболее распространенный и универсальный металл, который может быть естественным постоянным магнитом, все другие металлы с этим свойством описываются как родственники железа. С железного века до наших дней человечество полагалось на обработку железа, чтобы добиться значительного прогресса. Из многих применений железа наиболее важным является его использование в качестве компонента стали - сплава железа, обогащенного углеродом при высоких температурах. Без стали у нас не было бы архитектуры, инфраструктуры, автомобилей и машин, которые делают возможной современную жизнь.Естественный магнетизм железа присутствует в большинстве стальных сплавов. Самый распространенный экземпляр в вашем доме - это ваш холодильник и магниты, которые вы прикрепляете к его дверце. На складах металлолома ферромагнитные свойства железа проявляются под воздействием мощных электромагнитов, разделяющих черные и цветные металлы, поскольку переработчики ищут металлы с более высокой стоимостью при перепродаже, чем в большом количестве железа.

Кобальт

Кобальт, элемент, который часто встречается вместе с медной и никелевой рудой, наиболее известен пигментами с богатым и сияющим оттенком синего - настолько ярким, что «кобальт» практически синоним темно-синего.Однако сам элементарный кобальт имеет блестящий серый цвет и имеет больше применений, чем пигментация. Кобальтовые сплавы - ключевой компонент литий-ионных аккумуляторов, питающих наши смартфоны - возможно, даже самого устройства, на котором вы это читаете. Поскольку кобальт, в отличие от своего атомного соседа железа, обладает высокой устойчивостью к коррозии, сплавы кобальта можно найти как в двигателях внутреннего сгорания, так и в автомобильных аккумуляторах. Ферромагнитная природа кобальта делает его идеальным материалом для постоянных магнитов, как в быту, так и в промышленности.

Никель

Никель - третий ферромагнитный металл из «большой тройки». Если у вас под рукой есть Периодическая таблица, вы не удивитесь, заметив, что железо, кобальт и никель имеют атомные номера 26, 27 и 28 соответственно: это все, что химики называют переходными металлами. Хотя никель больше всего известен как металл в наших пятицентовых монетах, он имеет ряд применений, помимо мелочи. Никель является неотъемлемой частью процесса гальваники, что делает возможным использование печатных плат во многих наших электронных устройствах.Никель входит в состав стальных сплавов, особенно из нержавеющей стали. Его естественный магнетизм является полезным свойством в сплавах, таких как alnico или алюминий-никель-кобальт. Этот магнетизм имеет даже инструментальное значение: струны электрогитары часто делаются из никеля, которые работают с электромагнитными датчиками для генерации звука.

Гадолиний

Ряды лантаноидов и актинидов усложняют периодическую таблицу, расширяя группу III до такой степени, что в большинстве таблиц она должна быть выделена отдельной вставкой.Таким образом, при изучении химии о них, как правило, думают позже, но лантаноиды и актиниды играют важную роль в современных технологиях. Одним из этих лантаноидов является гадолиний, редкоземельный металл с ферромагнитными свойствами, во многом похожими на неродственные переходные металлы, перечисленные выше. В то время как железо, никель и кобальт должны быть знакомы непрофессионалам, гадолиний менее заметен. Однако у гадолиния есть несколько медицинских применений, от магнитно-резонансной томографии до рентгеновских лучей. Примечательно, что гадолиний, по-видимому, обладает ферромагнитными свойствами только ниже 20 градусов по Цельсию, выше которых он становится просто парамагнитным или слабо притягивается магнитными полями.

Неодим

Другой естественно магнитный редкоземельный лантаноид - неодим, хотя его ферромагнитные свойства немного сложнее. Элементарный неодим не встречается в природе и должен быть очищен. На данный момент он только парамагнитен. Однако, рафинировав неодим до металлического состояния и объединив неодим с железом и бором, металлоидом, мы можем получить один из самых мощных постоянных магнитов из существующих: NdFeB или неодим-железо-борный магнит. Неодимовые магниты способны поднимать вес, почти в тысячу раз превышающий их собственный, без электрического тока.Музыкальная индустрия, от микрофонов до наушников, работает на неодимовых магнитах, которые сохраняют силу и эффективность даже при крошечных размерах наушников, звукоснимателей и жестких дисков. Наши постоянные усилия по обеспечению экологичности также в значительной степени зависят от неодимовых магнитов: двигатели электромобилей и электрические турбины в равной степени используют NdFeB для более чистой энергии.

Ферромагнитная керамика

Не все ферромагнитные материалы обязательно являются металлами, как мы обычно думаем о них. Одно интересное использование ферромагнетизма - это феррит, керамика, сделанная из оксида железа (более известного как ржавчина) и другого металла, обычно никеля или цинка.Феррит полезен в автомобильной и биотехнологической промышленности, но особенно заметен в вашем собственном кошельке: магнитные полосы на обратной стороне дебетовых и кредитных карт часто сделаны из феррита. Хотя записывающая лента вышла из моды, магнитный феррит бария на пластиковой ленте позволял записывать до появления жестких дисков. Магнитофонная лента - еще один предмет, основанный на магнетизме.

Ферромагнетизм, хотя и ограничен среди элементов, безусловно, широко распространен в мире и необходим для жизни, какой мы ее знаем и которой мы наслаждаемся.Применение ферромагнитных материалов в повседневной жизни, от наушников, которые вы используете во время утренней пробежки, до магнитов экскаватора, которые вы используете, чтобы снести конструкцию и начать все заново, затрагивает всех нас. Ферромагнетизм связан с большими и малыми вещами, включая инструмент, который вы используете для чтения этого блога. Этот исчерпывающий список ферромагнитных материалов должен помочь вам лучше понять, с какими материалами вы сталкиваетесь на стройплощадках и складах металлолома и почему они могут быть настолько ценными.

Магнитные свойства нержавеющей стали 304 и 316

Магнитная и немагнитная нержавеющая сталь

Существует несколько семейств нержавеющих сталей с разными физическими свойствами.Магнитные свойства нержавеющей стали очень зависят от элементов, добавленных в сплав. Основная нержавеющая сталь имеет «ферритную» структуру и является магнитной, образованной добавлением хрома - ее можно упрочнить путем добавления углерода, что делает ее «мартенситной». Однако наиболее распространенными нержавеющими сталями являются «аустенитные» - они имеют более высокое содержание хрома и никель. Это никель, который изменяет физическую структуру стали и делает ее теоретически немагнитной.

Нержавеющая сталь

304 содержит хром (мин. 18%) и никель (мин. 8%). Это аустенитная сталь, которая слабо реагирует на магнитные поля. Он также содержит 18-20% хрома и 8-10,50% никеля и в меньшем количестве некоторые другие элементы.

Нержавеющая сталь 316 - это легированная молибденом сталь. Тот факт, что он также незначительно реагирует на магнитные поля, означает, что его можно использовать в приложениях, где требуется немагнитный металл. Он также содержит ряд других элементов в различных концентрациях.

Типовой анализ нержавеющей стали

Преобразование немагнитной фазы в магнитную

Поскольку нержавеющие стали 316 и 304 являются аустенитными, при остывании железо остается в форме аустенита (гамма-железа), фазы железа, которая не является магнитной. Различные фазы твердого железа соответствуют разным кристаллическим структурам. В других сплавах стали эта высокотемпературная фаза железа превращается в магнитную фазу при охлаждении металла.Присутствие никеля в сплавах нержавеющей стали стабилизирует аустенит против этого фазового перехода, когда сплав охлаждается до комнатной температуры. Это соответствует несколько большей магнитной восприимчивости, чем мы могли бы ожидать для других немагнитных материалов, но все же значительно ниже того, что можно было бы считать магнитным.

Однако это не означает, что вы должны ожидать измерения такой низкой чувствительности на любом предмете из нержавеющей стали 304 или 316, с которым вы столкнетесь. Любой процесс, который может изменить кристаллическую структуру нержавеющей стали, может вызвать превращение аустенита в ферромагнитный мартенсит или ферритную форму железа.Эти процессы включают в себя холодную обработку и сварку. Также возможно, что аустенит самопроизвольно превращается в мартенсит при низких температурах. Еще больше усложняет ситуацию то, что магнитные свойства этих сплавов зависят от состава сплава. В пределах допустимых диапазонов изменения Ni и Cr для данного сплава могут наблюдаться значительные различия в магнитных свойствах.

Практическое значение для удаления частиц нержавеющей стали

Нержавеющая сталь 304 и 316 обладает парамагнитными характеристиками.Благодаря этим свойствам мелкие частицы (например, диаметром примерно <0,5 мм) могут притягиваться к мощным магнитным сепараторам, расположенным в потоке продукта. В зависимости от их веса и, в частности, их отношения веса к магнитному притяжению, эти маленькие частицы будут удерживаться на магнитах во время производственного процесса.

Затем их можно удалить во время операции очистки магнита. По нашему опыту, мелкие частицы 304SS с большей вероятностью удерживаются в потоке, чем частицы 316 SS из-за их немного более магнитной природы.

См. Дополнительную информацию о парамагнетизме.

Магнитные и немагнитные металлы с примерами

Магнитные и немагнитные металлы играют важную роль в машиностроении. Магнетизм - это основа для многих приложений. В то же время это свойство может быть нежелательным при определенных обстоятельствах.

Поэтому важно знать, какие металлы являются магнитными, а какие - нет.

Что такое магнетизм?

С точки зрения непрофессионала, магнетизм - это сила, которая может притягивать или отталкивать магнитные объекты.Магнитные поля, пронизывающие различные среды, передают эту силу.

Магнетизм по умолчанию является свойством некоторых материалов. Однако некоторые материалы можно намагничивать или размагничивать в зависимости от требований.

Что создает магнетизм в металлах?

Подобно электрическому току, магнетизм вызывается электронами на элементарном уровне. У электронов есть спин, который создает крошечный магнитный диполь.

Когда эти вращения уравновешены, результирующая сила равна нулю.Но в случае большого количества неспаренных электронов этот бесконечно малый магнитный момент становится большим. В результате вокруг металла создается заметное магнитное поле.

Электрический ток также может создавать магнитные поля и наоборот. Когда электрический ток проходит через провод, он создает круговое магнитное поле вокруг провода. Точно так же, когда магнитное поле находится рядом с хорошим проводником электричества, в проводнике начинают течь электрические токи.

Эта удивительная взаимосвязь между электричеством и магнетизмом привела к появлению множества гениальных устройств и приложений.

Типы магнитов

Существуют различные классификации магнитов. Один из способов отличить магнитные металлы друг от друга - это срок действия их свойств. Используя это как основу, мы можем классифицировать магниты как:

  • Постоянный
  • Временное
  • Электромагниты

Давайте подробнее рассмотрим каждый из них.

Постоянные магниты

Постоянные магниты создают магнитное поле благодаря своей внутренней структуре.Они не теряют свой магнетизм легко. Постоянные магниты сделаны из ферромагнитных материалов, которые не перестают создавать свое магнитное поле независимо от внешнего воздействия. Таким образом, они устойчивы к размагничивающим силам.

Чтобы понять постоянные магниты, мы должны взглянуть на внутреннюю структуру магнитных материалов. Материал проявляет магнитные свойства, когда его домены выровнены в одном направлении. Домены - это крошечные магнитные поля, которые присутствуют в кристаллической структуре материала.

В ферромагнитных материалах домены идеально выровнены. Их можно выровнять по-разному, но самый надежный - нагреть магнит до определенной температуры. Эта температура различна для материалов и приводит к постоянному выравниванию доменов в одном направлении.

Благодаря аналогичным условиям, существующим в земном ядре, оно ведет себя как постоянный магнит.

Временные магниты

Временные магниты, как следует из названия, сохраняют свои магнитные свойства только при определенных условиях.Когда этих условий больше нет, они теряют свои магнитные поля.

Мягкие материалы с низкими магнитными свойствами, такие как отожженное железо и сталь, являются примерами временных магнитов. Они становятся магнитными в присутствии сильного магнитного поля. Они также изображают низкую коэрцитивность.

Вы, должно быть, видели, как скрепки прикрепляются друг к другу, когда рядом находится постоянный магнит. Каждая скрепка становится временным магнитом, притягивающим другие скрепки в присутствии магнитного поля.После удаления постоянного магнита скрепки теряют свои магнитные свойства.

Электромагниты

Электромагниты - это магниты, которые создают магнитные поля, когда через них проходит электрический ток. У них есть разные варианты использования. Например, в двигателях, генераторах, реле, наушниках и т. Д. Используются электромагниты.

В электромагнитах катушка с проволокой наматывается на ферромагнитный сердечник. При подключении провода к источнику электричества создается сильное магнитное поле.Ферромагнитный материал еще больше усиливает его. Электромагниты могут быть очень сильными в зависимости от электрического тока.

Они также позволяют включать и выключать магнитное поле нажатием кнопки. Это чрезвычайно особенное свойство, которое помогает нам использовать магнитную силу в наших приложениях.

Возьмем, к примеру, подъемный кран, используемый для сбора металлолома на свалке. С помощью электромагнита мы можем собирать металлолом, пропуская через него электрический ток.Когда нам нужно бросить куски, все, что нам нужно сделать, это отключить электричество от магнита.

Еще один интересный пример применения электромагнита - поезд на маглеве. В этом приложении поезд отрывается от рельсов и левитирует. Это возможно только тогда, когда электрический ток проходит через электромагниты на кузове поезда.

Это значительно снижает сопротивление, с которым поезд движется. Следовательно, эти поезда имеют очень высокие скорости.

Какие металлы являются магнитными?

Металл может взаимодействовать с магнитом различными способами.Это зависит от внутренней структуры материалов. Металлы можно классифицировать как:

  • Ферромагнетик
  • Парамагнитный
  • Диамагнитный

В то время как магниты сильно притягивают ферромагнитные металлы , они лишь слабо притягивают парамагнитные металлы. С другой стороны, диамагнитные материалы демонстрируют слабое отталкивание при размещении рядом с магнитом. По-настоящему магнитными считаются только ферромагнитные металлы.

Список магнитных металлов

Давайте взглянем на некоторые из самых известных магнитных металлов.Некоторые из них всегда магнитные. Другие, например нержавеющая сталь, обладают магнитными свойствами только при определенном химическом составе.

Утюг

Железо - очень известный ферромагнитный металл. Фактически, это самый прочный ферромагнитный металл. Он является неотъемлемой частью ядра Земли и сообщает нашей планете свои магнитные свойства. Вот почему Земля сама по себе действует как постоянный магнит.

Есть много аспектов, которые способствуют магнетизму железа.Помимо чистого электронного спина на атомном уровне, его кристаллическая структура также играет важную роль. Без него железо не было бы магнитным металлом.

Различные кристаллические структуры приводят к различным свойствам железа.

Железо является ферромагнитным в своей объемно-центрированной кубической (ОЦК) альфа-СЭ структуре. В то же время он не проявляет магнетизма в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре гамма-Fe. Например, структура бета-Fe демонстрирует парамагнитные тенденции.

Никель

Никель - еще один популярный магнитный металл с ферромагнитными свойствами.Как и железо, его соединения присутствуют в ядре Земли. Исторически никель использовался для изготовления монет.

Сегодня никель находит применение в батареях, покрытиях, кухонных инструментах, телефонах, зданиях, транспорте и ювелирных изделиях. Большая часть никеля используется для производства ферроникеля для нержавеющей стали.

Благодаря своим магнитным свойствам никель также входит в состав магнитов Alnico (изготовленных из алюминия, никеля и кобальта). Эти магниты сильнее магнитов из редкоземельных металлов, но слабее магнитов на основе железа.

Кобальт

Кобальт - важный ферромагнитный металл. На протяжении более 100 лет превосходные магнитные свойства кобальта помогли разработать множество приложений.

Кобальт может использоваться как для изготовления мягких, так и твердых магнитов. Мягкие магниты, в которых используется кобальт, имеют преимущества перед другими мягкими магнитами. А именно, они имеют высокую точку насыщения, температуры Кюри в диапазоне 950… 990 ° Цельсия. Таким образом, они могут использоваться для высокотемпературных применений (до 500 ° C).

Кобальт и его сплавы используются в жестких дисках, ветряных турбинах, аппаратах МРТ, двигателях, исполнительных механизмах и датчиках.

Сталь
Сталь

также проявляет ферромагнитные свойства, поскольку она получена из железа. Большинство сталей притягиваются к магниту. При необходимости из стали можно сделать постоянные магниты.

Возьмем для примера сталь EN C15D. Эта марка стали содержит от 98,81 до 99,26% железа. Таким образом, очень высокий процент этой марки стали составляет железо. Следовательно, ферромагнитные свойства железа передаются стали.

Нержавеющая сталь

Некоторые нержавеющие стали обладают магнитными свойствами, а некоторые - нет. Легированная сталь становится нержавеющей, если в ней содержится не менее 10,5% хрома. Из-за различного химического состава существуют разные типы нержавеющей стали.

Ферритные нержавеющие стали

Ферритные и мартенситные нержавеющие стали обладают магнитными свойствами из-за их состава железа и молекулярной структуры.

Аустенитные стали , с другой стороны, не обладают ферромагнитными свойствами из-за другой молекулярной структуры.Это делает его пригодным для использования в аппарате МРТ.

Структурная разница зависит от количества никеля. Он укрепляет оксидный слой для лучшей защиты от коррозии, но также меняет структуру нержавеющей стали.

Редкоземельные металлы

Наряду с вышеупомянутыми металлами соединения некоторых редкоземельных элементов также обладают прекрасными ферромагнитными свойствами. Гадолиний, самарий, неодим - все это примеры магнитных редкоземельных металлов.

Из вышеперечисленных металлов в сочетании с железом, никелем и кобальтом могут быть изготовлены различные магниты с различными свойствами.Эти магниты обладают особыми свойствами, необходимыми для определенных приложений.

Например, самариево-кобальтовые магниты используются в турбомашинах, электродвигателях высокого класса и т. Д.

Какие металлы не являются магнитными?

Лишь некоторые металлы в периодической таблице обладают магнитными свойствами. Большинство других распространенных металлов - немагнитные. Давайте посмотрим на некоторые из них.

Список немагнитных металлов

Алюминий

Кристаллическая структура алюминия, подобно литию и магнию, делает его немагнитным.Все три материала являются популярными примерами парамагнитных металлов.

Хотя может произойти несколько типов коррозии алюминия, он известен своей устойчивостью к агрессивным средам. Это, наряду с его легким весом, делает его полезным металлом во многих отраслях промышленности.

Золото

Золото - диамагнитный металл, как и большинство других металлов. В чистом виде золото немагнитно и проявляет лишь слабое отталкивание к магнитам, как и все диамагнитные металлы.

Серебро

Серебро - еще один немагнитный металл.Это свойство позволяет идентифицировать поддельное серебро. Если «серебряные» монеты или украшения притягиваются к магнитам, это что-то другое.

Медь
Медь магнитная?

Медь сама по себе не магнитна, но до некоторой степени взаимодействует с магнитами. Это свойство помогает вырабатывать электроэнергию на электростанциях.

Заключение

При достаточно большом магнитном поле все типы металлов будут взаимодействовать с магнитом. Это связано с тем, что в металлах возникают вихревые токи, когда они подвергаются воздействию движущегося магнитного поля.

Используя этот принцип, металлодетекторы могут обнаруживать немагнитные металлы, такие как золото, серебро. Но для большинства практических целей этого взаимодействия недостаточно, и оно ограничивает возможные варианты использования.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *