L'acier se distingue comme l'un des matériaux les plus préférés utilisés à l'échelle mondiale en raison de sa résistance, de sa polyvalence et de sa durabilité. L'acier n'est pas uniforme dans ses propriétés magnétiques, et différentes variantes d'acier se comportent différemment. L'aspect magnétique de l'acier soulève la question du raisonnement à partir duquel certaines variantes obtiennent leur magnétisme, et d'autres non. Les phénomènes magnétiques associés à l'acier et à son comportement sont essentiels à comprendre pour les industries traitant de la construction, de la fabrication, de l'électronique et même des équipements médicaux. Dans cette discussion, nous exposerons la science du magnétisme, comment et de quoi dépend le magnétisme de l'acier, ainsi que ses propriétés et applications possibles. Un ingénieur, concepteur ou un simple amateur de métaux, ce guide explique de nombreuses choses intéressantes acier et magnétisme.
Qu'est-ce qui rend l'acier magnétique ?
L'acier est un matériau magnétique dû à la présence de fer, qui est un matériau magnétique lui-même Le fer a des électrons non appariés, et leurs spins s'alignent avec la direction du champ magnétique, donnant naissance au magnétisme et contribuant au magnétisme de l'acier Aussi, la forme cristalline de l'acier, en particulier sa forme ferritique, supporte l'alignement de la magnétite ; ainsi, il est réceptif au magnétisme et aligné magnétiquement Néanmoins, la quantité de magnétisme dans l'acier n'est pas constante et dépend de la composition de l'acier et du traitement thermique Par exemple, les aciers inoxydables avec le plus de chrome et de nickel sont non magnétiques car leur structure est austénitique.
Ferromagnétisme et Acier
La composition chimique et la microstructure de l'acier affectent grandement son magnétisme Les aciers magnétiques possèdent couramment une structure ferritique ou martensitique, où le fer est présent, et les spins atomiques du fer sont ordonnés D'autre part, les aciers inoxydables austénitiques sont non magnétiques à cause de leur forte teneur en chrome et en nickel Par ailleurs, les propriétés magnétiques de l'acier sont changées par des procédés comme le traitement thermique et le travail à froid, qui modifient la disposition interne des composants, y compris la structure atomique, encore plus dans la phase ferrite.
Le rôle des éléments en alliage
Les caractéristiques mécaniques de l'acier, surtout si l'on considère divers attributs, sont considérablement impactées par les éléments d'alliage L'ajout de carbone, manganèse, chrome et nickel renforce les caractéristiques spécifiques Comme pour la plupart des métaux, la dureté et la résistance de l'acier augmentent avec l'ajout de carbone Le manganèse rend l'acier plus difficile et plus résistant à l'usure Le chrome est essentiel pour améliorer la résistance à la corrosion et former la couche d'oxyde protectrice dans l'acier inoxydable Le nickel augmente la résistance et la ténacité et améliore la résistance à la corrosion, en particulier à des températures plus basses L'acier peut être manipulé selon diverses exigences de performance en sélectionnant et en combinant méticuleusement les éléments d'alliage.
Comment les champs magnétiques affectent l'acier
Les champs magnétiques affectent l'acier en modifiant son organisation interne et ses propriétés magnétiques L'acier est un métal magnétique et peut se magnétiser s'il est placé dans un champ magnétique Cela se produit en raison de la capacité du champ magnétique à atteler les structures de domaine, ou zones de magnétisation, au sein de l'acier La susceptibilité au phénomène est relative à sa structure et à l'intensité du champ magnétique imposé De plus, une magnétisation constante ou des champs forts, surtout sur des périodes prolongées, peuvent altérer la fonction, mieux illustrée par un magnétisme résiduel permanent, l'aimantation retenue lorsque le champ magnétisant est supprimé Ces considérations sont critiques dans le cas d'applications dynamiques où le matériau est soumis à des champs magnétiques.
Tous les types d’acier inoxydable sont-ils magnétiques ?
Acier inoxydable austénitique et magnétisme
Les aciers inoxydables austénitiques, comme les aciers inoxydables de nuance 304 et 316, sont non magnétiques en raison de leur structure cristalline cubique à faces centrées (FCC), qui ne permet pas aux domaines magnétiques de s'aligner. Cependant, certaines situations peuvent modifier les caractéristiques magnétiques de l'acier inoxydable austénitique.
Par exemple, la déformation par travail à froid peut convertir certaines des structures austénitiques en martensite, une forme capable de durcir l'acier et de le rendre magnétique. Ceci est connu sous le nom de formation de martensite induite par la contrainte. Dans de telles conditions, l'acier inoxydable 304, après avoir été fortement travaillé à froid ou soudé, modifie ses propriétés pour présenter un faible comportement magnétique. Ici, un magnétisme accru résulte de changements structurels dus à des contraintes mécaniques ou thermiques.
Les recherches indiquent que le magnétisme de l'acier inoxydable travaillé à froid est faible lorsqu'on l'examine dans le contexte des valeurs de perméabilité Pour le contexte, les aciers inoxydables austénitiques ont une perméabilité magnétique relative de près de 1,0 à l'état recuit Toujours est-il que, dans un état traité où la martensite est formée, cette valeur devrait augmenter légèrement.
Rappelons que le nickel et le chrome sont essentiels aux aciers inoxydables austénitiques car ils stabilisent la structure FCC et diminuent la réponse magnétique Ces aspects sont pertinents pour les ingénieurs et les scientifiques des matériaux lorsqu'ils choisissent des matériaux pour des applications non magnétiques avec des exigences rigides.
Le comportement magnétique des aciers inoxydables ferritiques et martensitiques
Les propriétés magnétiques des aciers inoxydables ferritiques et martensitiques sont beaucoup plus importantes que les nuances austénitiques La principale différence entre les deux nuances d'acier inoxydable est basée sur leurs structures cristallines Les aciers inoxydables ferritiques possèdent une structure cristalline cubique centrée sur le corps (BCC) qui est intrinsèquement ferrimagnétique, rendant ainsi l'alliage facilement capable de subir une aimantation Contrairement à la croyance populaire, les aciers inoxydables martensitiques sont également magnétiques, mais leur magnétisme est causé par les structures BCC ou tétragonales centrées sur le corps (BCT) qui se forment lors du traitement thermique La réponse que ces aciers démontrent à un champ magnétique les rend idéales pour une utilisation dans les zones où les capacités magnétiques sont indispensables, cependant, elles doivent être prudentes dans les constructions à faible teneur en matière magnétique.
Pourquoi certains aciers inoxydables ne sont pas magnétiques
Les attributs non magnétiques de certains aciers inoxydables proviennent principalement de leur structure cristalline. Les aciers inoxydables austénitiques, nuances 304 et 316, par exemple, sont principalement constitués d'une structure cubique à faces centrées (FCC), qui annule le ferromagnétisme. Le magnétisme est absent en raison du manque d'électrons non appariés dans le réseau FCC de l'atome, ce qui provoque un comportement magnétique dans d'autres matériaux.
La composition chimique de l'acier inoxydable affecte considérablement sa réponse magnétique Par exemple, de grandes quantités de nickel et de chrome stabilisent la structure du FCC dans les aciers inoxydables austénitiques, à l'exception du développement de phases ferromagnétiques. Ces éléments contrecarrent le magnétisme dans les aciers inoxydables ferritiques ou martensitiques avec des structures cubiques centrées sur le corps (BCC) ou tétragonales centrées sur le corps (BCT).
Des facteurs externes peuvent cependant manifester des caractéristiques magnétiques dans les aciers inoxydables austénitiques Un travail à froid sévère pendant de longues durées ou une déformation élevée pendant la production peuvent altérer la structure du FCC en une phase magnétique, qui est martensitique Ce changement, connu sous le nom de martensite induite par la déformation, a tendance à être plus répandu dans les nuances d'alliages plus maigres comme l'acier inoxydable 301 et est moins prononcé dans les nuances 316 en raison de l'influence stabilisatrice du molybdène.
De plus, la susceptibilité de l'acier inoxydable au magnétisme peut changer en fonction de la façon dont l'alliage est composé et traité La recherche montre que l'acier inoxydable 304 a une susceptibilité magnétique initiale comprise entre 1,05 et 1,15, tandis que l'acier inoxydable 316, qui a une teneur en molybdène plus élevée, montre des chiffres beaucoup plus faibles, souvent autour de 1,01. Ces différences sont essentielles lors de la sélection d'une nuance d'acier inoxydable particulière pour les applications ayant des propriétés magnétiques comme considération critique.
Pour conclure, le manque de magnétisme dans certains types d'acier inoxydable peut être attribué à leur structure atomique et aux alliages qui composent l'acier Le magnétisme peut également être influencé par des facteurs externes tels que le chauffage mécanique, ce qui illustre l'importance d'une conception technique méticuleuse.
Comment les aimants interagissent-ils avec l’acier ?
L'influence des nuances d'acier sur le magnétisme
La composition et la microstructure de l'acier déterminent ses propriétés magnétiques Les types d'acier magnétique comprennent l'acier au carbone en raison de sa teneur plus élevée en fer, de sa structure ferritique et de ses propriétés magnétiques élevées. Pendant ce temps, les aciers inoxydables austénitiques, tels que la série 300, sont généralement non magnétiques en raison de leur structure cristalline empêchant les domaines magnétiques de s'aligner. Ces matériaux peuvent développer un magnétisme partiel en raison du travail à froid ou de la déformation mécanique. Comprendre ces caractéristiques est essentiel lors de la sélection de la qualité d’acier appropriée pour les applications magnétiques.
Champs magnétiques externes et acier
Les interactions de champ magnétique externe avec l'acier dépendent fortement de la composition et de la structure interne de l'acier Les aciers ferritiques et martensitiques ont une teneur en fer plus élevée Ainsi, ils sont fortement attirés par les champs magnétiques en raison de l'alignement des domaines magnétiques Par contre, les aciers inoxydables austénitiques comme la série 300 sont principalement amagnétiques et ne répondent pas fortement aux champs magnétiques Cependant, certaines déformations mécaniques ou travaux à froid imposent un magnétisme local aux aciers austénitiques Pour ces cas, où l'acier est soumis à des champs magnétiques, l'acier inoxydable entièrement austénitique serait plus adapté car il contient une perméabilité magnétique plus faible Ce type d'acier fournirait moins d'interférences sur les perturbations causées par le magnétique.
Perméabilité magnétique de différents types d'acier
Différents types d'acier présentent des variantes de perméabilité magnétique en fonction de leur composition et de leur microstructure Généralement, les aciers inoxydables ferritiques et martensitiques ont une perméabilité magnétique plus élevée, ce qui les rend plus sensibles aux champs magnétiques En comparaison, les aciers inoxydables entièrement austénitiques, comme le grade 316 L, ont une très faible perméabilité magnétique, ce qui les rend utiles pour garder les applications avec un minimum d'interférences magnétiques Les nuances austénitiques, entièrement non magnétiques après traitement sont préférées pour une efficacité maximale dans les environnements magnétiquement sensibles.
L'acier peut-il devenir non magnétique ?
Le processus de démagnétisation de l'acier
Démagnétiser l'acier signifie perturber son alignement magnétique existant, ce qui peut se faire de trois façons Premièrement, appliquer de la chaleur au-delà de la température de Curie de l'acier éliminera toute propriété magnétique puisque la structure interne du matériau est réinitialisée Deuxièmement, un champ magnétique alternatif peut réduire progressivement le magnétisme résiduel en réalignant les domaines La dernière méthode est le martelage physique ou le cintrage, ce qui modifie l'alignement des domaines magnétiques, bien que cette technique ne soit pas très précise Bien que ces méthodes soient correctes, elles doivent être adaptées à l'application en raison des matériaux impliqués et de leurs propriétés mécaniques.
Facteurs qui conduisent à la perte du magnétisme dans l'acier
Voici les principales raisons pouvant conduire à une perte de magnétisme dans l'acier :
- Exposition à la chaleur : des températures élevées peuvent désordonner la structure interne des domaines magnétiques dans l'acier, entraînant une perte ou une perte totale de magnétisme. Ceci est courant lorsque le matériau est élevé au-dessus de la température de Curie.
- Impact physique : les impacts physiques, tels que la chute ou la flexion du matériau, augmentent la contrainte mécanique et disloquent les domaines magnétiques internes, provoquant une perte de magnétisme.
- Champs magnétiques alternatifs prolongés : l'application répétée de champs magnétiques alternatifs à l'acier pendant des durées prolongées peut désorienter les domaines et faire perdre au matériau son magnétisme.
- Corrosion : Les conditions environnementales changeantes, telles que l'oxydation, conduisent à la corrosion de la structure du matériau, réduisant sa capacité à induire la structure magnétiquement.
Ces faits décrits devraient, dans le cadre de toutes les autres considérations, imprégner la conception de dispositifs employant des aimants permanents.
Applications de l'acier inoxydable magnétique et non magnétique
Industries utilisant de l'acier inoxydable magnétique
L'acier inoxydable magnétique est largement utilisé dans les industries qui trouvent utile sa résistance corrosive et son magnétisme Les secteurs les plus importants sont les suivants
- Automobile : Utilisé dans certaines pièces comme les capteurs, les injecteurs de carburant et les systèmes d'échappement en raison de la résistance et de la nature magnétique du matériau.
- Électronique : important pour les transformateurs, les solénoïdes et les supports de stockage magnétiques.
- Appareils électroménagers : on les trouve dans les tambours de laveuse magnétique, les machines frigorifiques et les ustensiles de cuisine où la résistance et le magnétisme sont utiles.
- Construction : Utilisé pour l'architecture et les fixations avec la force et le magnétisme.
Toutes ces industries utilisent l’acier inoxydable magnétique pour son utilité pratique, sa fiabilité et son adaptabilité dans différents environnements.
Avantages des métaux non magnétiques dans la technologie
Les métaux non magnétiques sont légaux mais nécessitent des champs magnétiques stables pour une utilisation dans la technologie La propriété non magnétique rend ces métaux intéressants dans les appareils électroniques de précision, les machines IRM et les éléments semi-conducteurs modernes dans d'autres appareils électroniques sensibles. De plus, ces métaux sont souvent utilisés dans la technologie aérospatiale et militaire car les matériaux non magnétiques sont constamment exposés à des conditions de performance critiques sans problèmes de fiabilité. Les matériaux non magnétiques servent également bien dans les environnements obtenus car ces métaux sont usés et résistants à la corrosion. Ainsi, ces métaux non magnétiques contribuent de manière significative au développement de la technologie aujourd’hui.
Foire aux questions (FAQ)
Q : L'acier est-il magnétique ?
R : L'acier est un aimant, bien que son magnétisme soit conditionné au type d'acier Certains types d'acier, comme l'acier ferromagnétique, sont fortement magnétiques à cause du fer et de la structure cristalline qu'ils possèdent.
Q : Pourquoi certains types d'acier, comme le 304 et le 316, ne sont-ils pas magnétiques ?
A : Les aciers inoxydables 304 et 316 ne sont pas magnétiques en raison de leur quantité élevée de chrome et de nickel Ces deux éléments favorisent une structure cristalline austénitique qui ne favorise pas l'alignement des moments magnétiques Par conséquent, ces aciers restent non magnétiques et sont au mieux faiblement magnétiques.
Q : L'acier inoxydable 304 peut-il devenir magnétique ?
R : L'acier inoxydable 304 peut devenir magnétique en subissant des processus comme le travail à froid. De tels processus modifient la structure et le réseau cristallin des matériaux, qui ont tendance à en faire des aimants.
Q : Qu'est-ce qu'un métal ferromagnétique ?
R : Les métaux ferromagnétiques sont les matériaux qui englobent une forte aimantation et peuvent servir d'aimants permanents. Ces métaux sont constitués d'électrons non appariés avec leurs spins alignés de manière parallèle et créent ainsi un fort champ magnétique.
Q : De quelles manières le nickel et le chrome impactent-ils le magnétisme de l'acier ?
R : La structure cristalline de l'acier à impact au nickel et au chrome Le nickel stabilise la structure austénitique, qui est généralement non magnétique Le chrome aide à résister à la corrosion mais n'aide pas au magnétisme dans l'acier.
Q : Qu’en est-il des électrons non appariés contribuant à l’aimantation ?
R : La présence d'électrons non appariés est importante pour l'aimantation Ils peuvent tourner d'une manière qui joint e à un domaine pour changer le matériau en un avec le magnétisme Cela se produit dans les éléments métalliques comme le fer, car ils sont capables de s'aligner et de devenir ferromagnétiques.
Q : L'acier est-il classé comme contenant du fer ?
R : L'acier contiendra toujours du fer, car le fer est son matériau principal, et sa résistance et son magnétisme sont déterminés La présence de fer permet à l'acier d'être magnétisé dans certaines conditions.
Q : Qu'est-ce que l'acier non magnétique ?
R : La principale différence est la disposition de certains composants d'alliage de la structure cristalline Parfois appelé acier ferromagnétique, l'acier magnétique comprend des alliages qui structurent correctement et permettent la superposition de moments. Les aciers austénitiques inoxydables non magnétiques ne permettent pas l'empilement dû au réseau.
Q : Quel est l'impact du travail à froid sur le magnétisme de l'acier ?
R : Le travail à froid peut augmenter les propriétés magnétiques de l'acier car il peut changer la structure cristalline de l'acier d'austénitique à martensitique ou ferritique Cette augmentation est due à un état énergétique plus faible (stabilité plus élevée) des moments magnétiques au sein de l'acier, permettant un meilleur alignement.
Q : Quels autres métaux non magnétiques, comme l'aluminium ?
R : Il existe des métaux non magnétiques tels que l’aluminium, le cuivre et le zinc, car ces métaux n’ont pas d’électrons non appariés, fournissant ainsi une source pour générer le champ magnétique. Ainsi, ces métaux sont appelés substances non magnétiques.
Sources de référence
1. Propriétés magnétiques vectorielles associées à la contrainte et à la température de la tôle d'acier électrique (Zhang et coll., 2022, pp. 980-990)
- Principales conclusions :
- La méthode de mesure proposée est vérifiée en évaluant les VMP des tôles d'acier électrique (ESS) non à grains et à grains orientés à diverses températures et niveaux de contraintes appliqués.
- Le modèle propose une méthode de mesure qui inclut l'interaction de la température et de la contrainte.
- Méthodologie:
- Dans la région de mesure de l'éprouvette, le lit horizontal de la culasse en double U orthogonal de type vertical est équipé de deux aimants rectangulaires à ouverture opposée, qui créent une distribution uniforme du champ magnétique.
- La densité de flux magnétique vectoriel B et l'intensité du champ magnétique H sont acquises à l'aide des techniques de sonde B et de bobine H à double composé.
- A l'aide d'un actionneur linéaire, on applique une contrainte de traction ou de compression selon les axes de roulement et transversal de l'éprouvette.
- Le contrôleur de température facilite des conditions de mesure de température variables en conjonction avec des tampons chauffants en céramique.
2. Étude et utilisation de tôles d'acier au silicium à grains ultra fins, propriétés magnétiques sous couplage de champs multiphysiques (Li et coll., 2022)
- Principales conclusions:
- Dans l'acier au silicium à grains orientés, les propriétés magnétiques sont meilleures pour la région sélectionnée dans un écart de magnétisation de 30 degrés angle par rapport à l'acier au silicium non orienté grains.
- L'acier au silicium orienté grains perdra ses propriétés magnétiques à mesure que la température de la chaleur externe non uniforme augmente, contrairement à l'acier au silicium orienté grains non uniformes, qui se comporte différemment.
- L'acier au silicium orienté grains présente une propriété magnétique relativement optimale sous contrainte de 30 MPa.
- L'utilisation d'acier au silicium à grains orientés dans les parties intérieures des véhicules électriques (IPM) augmente la densité de flux magnétique des dents du stator de 2,21TP3 T, augmente le couple moteur de 2,181TP3 T et le rendement maximal de 11TP3 T, augmentant ainsi la puissance gravimétrique au repos.
- Méthodologie:
- Les traits magnétiques de l'acier au silicium orientés grains ont été examinés dans des conditions variables à l'aide d'un cadre Epstein et de dispositifs de champ multi-physique auto-construits.
- Le modèle a guidé l'exploration de l'utilisation de l'acier au silicium à grains orientés en IPM pour les véhicules électriques avec un modèle de moteur en acier au silicium à précision orientée.
3. laminage croisé multiétape de l'acier UNS S32101 : microstructure, texture et propriétés magnétiques (Dandekar et coll., 2021, pp. 291629)
- Principales conclusions :
- L'acier UNS S32101 présente des propriétés magnétiques améliorées via un laminage croisé en plusieurs étapes grâce au raffinement de la microstructure et de la texture.
- Les propriétés magnétiques ne sont pas aussi favorables en raison des caractéristiques des méthodes de coupe employées et du matériau.
- La coupe par fil a peu d'impact sur les performances magnétiques, mais la coupe par laser réduit la perméabilité magnétique relative à de plus grandes profondeurs à l'intérieur des bandes d'acier.
- Méthodologie:
- Après un laminage croisé en plusieurs étapes, nous avons caractérisé et mesuré la microstructure, la texture et les propriétés magnétiques des échantillons d'acier UNS S32101.
- Les mesures magnétiques à proximité des bords coupants ont été effectuées à l'aide d'un cadre de détection mobile BH.
