Che cosa rende magnetico l’acciaio?
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L’acciaio è un materiale magnetico per la presenza del ferro, che è a sua volta magnetico. Il ferro ha elettroni spaiati i cui spin si allineano con la direzione del campo magnetico, generando magnetismo e contribuendo a quello dell’acciaio. Inoltre, la struttura cristallina dell’acciaio, in particolare quella ferritica, favorisce l’allineamento della magnetite; per questo l’acciaio è ricettivo al magnetismo e può allinearsi magneticamente. Tuttavia, il grado di magnetismo dell’acciaio non è costante e dipende dalla sua composizione e dal trattamento termico. Per esempio, gli acciai inossidabili con il più alto contenuto di cromo e nichel sono non magnetici perché hanno una struttura austenitica.
Ferromagnetismo e acciaio
La composizione chimica e la microstruttura dell’acciaio influiscono notevolmente sul suo magnetismo. Gli acciai magnetici presentano comunemente una struttura ferritica o martensitica, con ferro e spin atomici ordinatamente allineati. Gli acciai inossidabili austenitici, invece, sono non magnetici per l’elevato contenuto di cromo e nichel. Inoltre, processi come il trattamento termico e la lavorazione a freddo modificano le proprietà magnetiche dell’acciaio, cambiando ulteriormente la disposizione interna dei componenti, compresa la struttura atomica, soprattutto nella fase ferritica.Il ruolo degli elementi di lega
Gli elementi di lega influiscono significativamente sulle caratteristiche meccaniche dell’acciaio, in particolare sui suoi diversi attributi. L’aggiunta di carbonio, manganese, cromo e nichel conferisce caratteristiche specifiche. Come per la maggior parte dei metalli, l’aggiunta di carbonio aumenta la durezza e la resistenza dell’acciaio. Il manganese lo rende più duro e resistente all’usura. Il cromo è essenziale per migliorare la resistenza alla corrosione e formare lo strato protettivo di ossido nell’acciaio inossidabile. Il nichel aumenta la resistenza e la tenacità e migliora la resistenza alla corrosione, soprattutto alle basse temperature. Selezionando e combinando con cura gli elementi di lega, è possibile adattare l’acciaio a diversi requisiti prestazionali.Come i campi magnetici influiscono sull’acciaio
I campi magnetici influiscono sull’acciaio modificandone l’organizzazione interna e le proprietà magnetiche. L’acciaio è un metallo magnetico e può magnetizzarsi se viene esposto a un campo magnetico. Ciò avviene perché il campo magnetico orienta i domini, o zone di magnetizzazione, all’interno dell’acciaio. La suscettibilità dell’acciaio a questo fenomeno dipende dalla sua struttura e dall’intensità del campo magnetico applicato. Inoltre, una magnetizzazione costante o campi intensi, soprattutto se prolungati nel tempo, possono alterarne il comportamento; un esempio è il magnetismo residuo permanente, ossia la magnetizzazione che rimane quando il campo magnetizzante viene rimosso. Questi aspetti sono fondamentali nelle applicazioni dinamiche in cui il materiale è esposto a campi magnetici.Tutti i tipi di acciaio inossidabile sono magnetici?
Acciaio inossidabile austenitico e magnetismo
Gli acciai inossidabili austenitici, come i gradi 304 e 316, sono non magnetici per via della loro struttura cristallina cubica a facce centrate (FCC), che non consente ai domini magnetici di allinearsi. Tuttavia, in alcune condizioni le caratteristiche magnetiche dell’acciaio inossidabile austenitico possono cambiare. Per esempio, la deformazione dovuta alla lavorazione a freddo può trasformare parte della struttura austenitica in martensite, una forma che può indurire l’acciaio e renderlo magnetico. Questo fenomeno è noto come formazione di martensite indotta da deformazione. In tali condizioni, l’acciaio inossidabile 304, dopo una lavorazione a freddo intensa o una saldatura, cambia proprietà e manifesta un debole comportamento magnetico. L’aumento del magnetismo è dovuto a cambiamenti strutturali causati da sollecitazioni meccaniche o termiche. Le ricerche indicano che il magnetismo dell’acciaio inossidabile lavorato a freddo è debole se valutato in base ai valori di permeabilità. Come riferimento, allo stato ricotto gli acciai inossidabili austenitici hanno una permeabilità magnetica relativa prossima a 1.0. Tuttavia, dopo la lavorazione, quando si forma martensite, tale valore dovrebbe aumentare leggermente. Il nichel e il cromo sono essenziali negli acciai inossidabili austenitici perché stabilizzano la struttura FCC e riducono la risposta magnetica. Questi aspetti sono rilevanti per ingegneri e scienziati dei materiali che scelgono materiali per applicazioni non magnetiche con requisiti rigorosi.Comportamento magnetico degli acciai inossidabili ferritici e martensitici
Le proprietà magnetiche degli acciai inossidabili ferritici e martensitici sono molto più marcate rispetto a quelle dei gradi austenitici. La differenza principale tra i due gradi di acciaio inossidabile risiede nelle rispettive strutture cristalline. Gli acciai inossidabili ferritici hanno una struttura cristallina cubica a corpo centrato (BCC), intrinsecamente ferrimagnetica, che rende la lega facilmente magnetizzabile. Contrariamente a quanto si crede comunemente, anche gli acciai inossidabili martensitici sono magnetici, ma il loro magnetismo è dovuto alle strutture BCC o tetragonali a corpo centrato (BCT) che si formano durante il trattamento termico. La risposta di questi acciai a un campo magnetico li rende ideali per applicazioni che richiedono proprietà magnetiche; tuttavia, occorre prestare attenzione alle deboli perturbazioni magnetiche nelle costruzioni che coinvolgono campi magnetici deboli. Indipendentemente dal grado, queste proprietà dipendono dagli elementi di lega presenti nella composizione e dal trattamento termico applicato.Perché alcuni acciai inossidabili non sono magnetici
Le proprietà non magnetiche di alcuni acciai inossidabili derivano principalmente dalla loro struttura cristallina. Per esempio, gli acciai inossidabili austenitici dei gradi 304 e 316 sono costituiti principalmente da una struttura cubica a facce centrate (FCC), che sopprime il ferromagnetismo. Il magnetismo è assente perché nel reticolo FCC atomico mancano elettroni spaiati, responsabili del comportamento magnetico di altri materiali. La composizione chimica dell’acciaio inossidabile influisce considerevolmente sulla sua risposta magnetica. Per esempio, quantità elevate di nichel e cromo stabilizzano la struttura FCC negli acciai inossidabili austenitici, impedendo lo sviluppo di fasi ferromagnetiche. Questi elementi contrastano il magnetismo negli acciai inossidabili ferritici o martensitici, che presentano strutture cubiche a corpo centrato (BCC) o tetragonali a corpo centrato (BCT). Fattori esterni possono tuttavia conferire caratteristiche magnetiche agli acciai inossidabili austenitici. Una lavorazione a freddo intensa e prolungata o un’elevata deformazione durante la produzione possono trasformare la struttura FCC in una fase magnetica, quella martensitica. Questo cambiamento, noto come martensite indotta da deformazione, è più frequente nei gradi di lega più magri, come l’acciaio inossidabile 301, ed è meno pronunciato nei gradi 316 per l’effetto stabilizzante del molibdeno. Inoltre, la suscettibilità magnetica dell’acciaio inossidabile può variare in base alla composizione e alla lavorazione della lega. Le ricerche indicano che l’acciaio inossidabile 304 ha una suscettibilità magnetica iniziale compresa tra 1.05 e 1.15, mentre l’acciaio inossidabile 316, con un contenuto di molibdeno più elevato, presenta valori molto più bassi, spesso intorno a 1.01. Queste differenze sono essenziali quando si sceglie un particolare grado di acciaio inossidabile per applicazioni in cui le proprietà magnetiche sono un fattore determinante. In conclusione, l’assenza di magnetismo in alcuni tipi di acciaio inossidabile è attribuibile alla loro struttura atomica e alle leghe che compongono l’acciaio. Il magnetismo può essere influenzato anche da fattori esterni, come il riscaldamento meccanico, a dimostrazione dell’importanza di una progettazione ingegneristica accurata.Come interagiscono i magneti con l’acciaio?
L’influenza dei gradi di acciaio sul magnetismo
La composizione e la microstruttura dell’acciaio determinano le sue proprietà magnetiche. Tra i tipi di acciaio magnetico figura l’acciaio al carbonio, grazie al maggiore contenuto di ferro, alla struttura ferritica e alle spiccate proprietà magnetiche. Gli acciai inossidabili austenitici, invece, come quelli della serie 300, sono in genere non magnetici perché la loro struttura cristallina ostacola l’allineamento dei domini magnetici. Questi materiali possono sviluppare un magnetismo parziale a causa della lavorazione a freddo o della deformazione meccanica. Comprendere queste caratteristiche è fondamentale per scegliere il grado di acciaio più adatto alle applicazioni con magneti.Campi magnetici esterni e acciaio
L’interazione tra campi magnetici esterni e acciaio dipende in larga misura dalla composizione e dalla struttura interna dell’acciaio. Gli acciai ferritici e martensitici hanno un contenuto di ferro più elevato. Perciò sono fortemente attratti dai campi magnetici, grazie all’allineamento dei domini magnetici. Gli acciai inossidabili austenitici, come quelli della serie 300, sono invece perlopiù non magnetici e non rispondono in modo marcato ai campi magnetici. Tuttavia, la deformazione meccanica o la lavorazione a freddo possono indurre un magnetismo locale negli acciai austenitici. Quando l’acciaio è esposto a campi magnetici, l’acciaio inossidabile completamente austenitico è più adatto perché ha una permeabilità magnetica inferiore. Questo tipo di acciaio riduce le interferenze causate dai disturbi magnetici.Permeabilità magnetica dei diversi tipi di acciaio
La permeabilità magnetica varia tra i diversi tipi di acciaio in base alla composizione e alla microstruttura. In generale, gli acciai inossidabili ferritici e martensitici hanno una permeabilità magnetica più elevata e sono quindi più sensibili ai campi magnetici. Al contrario, gli acciai inossidabili completamente austenitici, come il grado 316L, hanno una permeabilità magnetica molto bassa, caratteristica utile nelle applicazioni che richiedono interferenze magnetiche minime. Per ottenere la massima efficienza in ambienti sensibili ai campi magnetici, si preferiscono gradi austenitici completamente non magnetici dopo la lavorazione.L’acciaio può diventare non magnetico?
Il processo di smagnetizzazione dell’acciaio
Smagnetizzare l’acciaio significa interrompere l’allineamento magnetico esistente; è possibile farlo in tre modi. In primo luogo, riscaldandolo oltre la temperatura di Curie si eliminano le proprietà magnetiche, poiché la struttura interna del materiale si riassetta. In secondo luogo, un campo magnetico alternato può ridurre gradualmente il magnetismo residuo riallineando i domini. L’ultimo metodo consiste nel colpire o piegare fisicamente l’acciaio, modificando l’allineamento dei domini magnetici, anche se questa tecnica è poco precisa. Questi metodi sono validi, ma devono essere adattati all’applicazione in base ai materiali coinvolti e alle loro proprietà meccaniche.Fattori che causano la perdita di magnetismo nell’acciaio
Di seguito sono elencate le cause principali che possono portare alla perdita di magnetismo nell’acciaio:- Esposizione al calore: le temperature elevate possono disordinare la struttura interna dei domini magnetici nell’acciaio, provocando una perdita parziale o totale del magnetismo. Ciò avviene comunemente quando il materiale supera la temperatura di Curie.
- Impatto fisico: urti, cadute o piegature del materiale aumentano la sollecitazione meccanica e dislocano i domini magnetici interni, causando una perdita di magnetismo.
- Esposizione prolungata a campi magnetici alternati: applicare ripetutamente campi magnetici alternati all’acciaio per periodi prolungati può disorientare i domini e fargli perdere il magnetismo.
- Corrosione: i cambiamenti delle condizioni ambientali, come l’ossidazione, provocano la corrosione della struttura del materiale e ne riducono la capacità di indurre magneticamente la struttura.
Applicazioni dell’acciaio inossidabile magnetico e non magnetico
Settori che utilizzano acciaio inossidabile magnetico
L’acciaio inossidabile magnetico è ampiamente utilizzato nei settori che ne sfruttano la resistenza alla corrosione e il magnetismo. I principali sono:- Automotive: utilizzato in componenti come sensori, iniettori di carburante e sistemi di scarico, grazie alla resistenza e alle proprietà magnetiche del materiale.
- Elettronica: importante per trasformatori, solenoidi e supporti di memorizzazione magnetica.
- Elettrodomestici: presente nei cestelli magnetici delle lavatrici, nei frigoriferi e negli utensili da cucina, dove la resistenza e il magnetismo sono utili.
- Edilizia: utilizzato in architettura e per gli elementi di fissaggio che richiedono resistenza e proprietà magnetiche.
Vantaggi dei metalli non magnetici nella tecnologia
I metalli non magnetici sono legali, ma per essere utilizzati nella tecnologia richiedono campi magnetici stabili. La proprietà non magnetica li rende adatti ai dispositivi elettronici di precisione, alle macchine per risonanza magnetica (MRI) e ai moderni componenti a semiconduttore di altri apparecchi elettronici sensibili. Questi metalli sono spesso utilizzati anche nelle tecnologie aerospaziali e militari, perché i materiali non magnetici sono costantemente esposti a condizioni operative critiche senza problemi di affidabilità. Sono inoltre adatti agli ambienti ottenuti, poiché questi metalli sono usurati e resistenti alla corrosione. Pertanto, i metalli non magnetici contribuiscono in modo significativo allo sviluppo tecnologico odierno.Domande frequenti (FAQ)
D: L’acciaio è magnetico?
R: L’acciaio è un magnete, anche se il suo magnetismo dipende dal tipo di acciaio. Alcuni tipi, come gli acciai ferromagnetici, sono fortemente magnetici grazie al ferro e alla loro struttura cristallina.D: Perché alcuni tipi di acciaio, come 304 e 316, non sono magnetici?
R: Gli acciai inossidabili 304 e 316 non sono magnetici per l’elevato contenuto di cromo e nichel. Questi due elementi favoriscono una struttura cristallina austenitica, che non facilita l’allineamento dei momenti magnetici. Di conseguenza, questi acciai restano non magnetici e, al massimo, debolmente magnetici.D: L’acciaio inossidabile 304 può diventare magnetico?
R: L’acciaio inossidabile 304 può diventare magnetico in seguito a processi come la lavorazione a freddo. Questi processi modificano la struttura e il reticolo cristallino dei materiali, tendendo a renderli magnetici.D: Che cos’è un metallo ferromagnetico?
R: I metalli ferromagnetici sono materiali che possono magnetizzarsi fortemente e fungere da magneti permanenti. Sono costituiti da elettroni spaiati con spin allineati parallelamente, che generano così un forte campo magnetico.D: In che modo nichel e cromo influiscono sul magnetismo dell’acciaio?
R: Il nichel e il cromo influiscono sulla struttura cristallina dell’acciaio. Il nichel stabilizza la struttura austenitica, generalmente non magnetica. Il cromo contribuisce alla resistenza alla corrosione, ma non favorisce il magnetismo dell’acciaio.D: In che modo gli elettroni spaiati contribuiscono alla magnetizzazione?
R: La presenza di elettroni spaiati è importante per la magnetizzazione. Possono ruotare in modo da unirsi a e in un dominio e trasformare il materiale in uno magnetico. Ciò avviene in elementi metallici come il ferro, i cui elettroni possono allinearsi e renderli ferromagnetici.D: L’acciaio è classificato come contenente ferro?
R: L’acciaio contiene sempre ferro, poiché questo è il suo componente principale e ne determina la resistenza e il magnetismo. La presenza del ferro consente all’acciaio di magnetizzarsi in determinate condizioni.D: Che cos’è l’acciaio non magnetico?
R: La differenza principale consiste nella disposizione di alcuni elementi di lega nella struttura cristallina. Talvolta chiamato acciaio ferromagnetico, l’acciaio magnetico comprende leghe con una struttura adatta che consente la sovrapposizione dei momenti. Gli acciai inossidabili austenitici non magnetici non consentono tale sovrapposizione a causa del reticolo.D: Qual è l’effetto della lavorazione a freddo sul magnetismo dell’acciaio?
R: La lavorazione a freddo può aumentare le proprietà magnetiche dell’acciaio perché può modificarne la struttura cristallina, trasformandola da austenitica in martensitica o ferritica. Questo aumento è dovuto a uno stato energetico inferiore (maggiore stabilità) dei momenti magnetici nell’acciaio, che ne facilita l’allineamento.D: Quali altri metalli non magnetici esistono, come l’alluminio?
R: Esistono metalli non magnetici come l’alluminio, il rame e lo zinco, perché non hanno elettroni spaiati che possano generare il campo magnetico. Per questo sono definiti sostanze non magnetiche.Fonti di riferimento
1. Proprietà magnetiche vettoriali della lamiera di acciaio elettrico in relazione a tensione e temperatura (Zhang et al., 2022, pp. 980-990)- Risultati principali:
- Il metodo di misurazione proposto viene convalidato valutando le proprietà magnetiche vettoriali (VMP) delle lamiere di acciaio elettrico (ESS) a grani non orientati e a grani orientati, a diverse temperature e livelli di tensione applicata.
- Il modello propone un metodo di misurazione che include l’interazione tra temperatura e tensione.
- Metodologia:
- Nella zona di misurazione del provino, il piano orizzontale del giogo verticale ortogonale a doppia U è dotato di due magneti rettangolari con aperture opposte, che generano una distribuzione uniforme del campo magnetico.
- La densità vettoriale del flusso magnetico B e l’intensità del campo magnetico H vengono rilevate mediante una sonda B e tecniche con doppia bobina composta H.
- Mediante un attuatore lineare, sul provino viene applicata una tensione di trazione o compressione lungo gli assi di laminazione e trasversale.
- Il regolatore di temperatura, insieme a piastre riscaldanti in ceramica, consente di effettuare misurazioni a temperature variabili.
- Risultati principali:
- Nell’acciaio al silicio a grani orientati, le proprietà magnetiche sono migliori nella regione selezionata entro un angolo di deviazione della magnetizzazione di 30 30 gradi rispetto all’acciaio al silicio a grani non orientati.
- L’acciaio al silicio a grani orientati perde le proprie proprietà magnetiche quando aumenta la temperatura del calore esterno non uniforme, a differenza dell’acciaio al silicio a grani non uniformemente orientati, che si comporta diversamente.
- L’acciaio al silicio a grani orientati presenta proprietà magnetiche relativamente ottimali sotto una tensione di 30 MPa.
- L’impiego di acciaio al silicio a grani orientati nelle parti interne dei veicoli elettrici (IPM) aumenta la densità del flusso magnetico dei denti dello statore del 2,2%, incrementa la coppia del motore del 2,18% e l’efficienza di picco dell’1%, aumentando la potenza gravimetrica a riposo.
- Metodologia:
- Le caratteristiche magnetiche dell’acciaio al silicio a grani orientati sono state esaminate in condizioni variabili usando un telaio Epstein e dispositivi multifisici realizzati internamente.
- Il modello ha guidato lo studio dell’impiego dell’acciaio al silicio a grani orientati negli IPM per veicoli elettrici, con un modello di motore in acciaio al silicio orientato di precisione.
- Risultati principali:
- La laminazione incrociata in più passaggi migliora le proprietà magnetiche dell’acciaio UNS S32101 grazie all’affinamento della microstruttura e della tessitura.
- Le proprietà magnetiche sono meno favorevoli a causa delle caratteristiche dei metodi di taglio impiegati e del materiale.
- Il taglio a filo influisce poco sulle prestazioni magnetiche, mentre il taglio laser riduce la permeabilità magnetica relativa a profondità maggiori all’interno dei nastri d’acciaio.
- Metodologia:
- Dopo la laminazione incrociata in più passaggi, abbiamo caratterizzato e misurato la microstruttura, la tessitura e le proprietà magnetiche dei campioni di acciaio UNS S32101.
- Le misurazioni magnetiche vicino ai bordi di taglio sono state effettuate con un sistema mobile di rilevamento B–H.
