O que torna o aço magnético?
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O aço é um material magnético devido à presença de ferro, que também é magnético. O ferro tem eletrões desemparelhados cujos spins se alinham com a direção do campo magnético, originando magnetismo e contribuindo para o magnetismo do aço. Além disso, a estrutura cristalina do aço, sobretudo na sua forma ferrítica, favorece o alinhamento dos domínios magnéticos, tornando-o suscetível ao magnetismo e permitindo o alinhamento magnético. Ainda assim, o grau de magnetismo do aço não é constante e depende da sua composição e do tratamento térmico. Por exemplo, os aços inoxidáveis com maior teor de crómio e níquel não são magnéticos por terem uma estrutura austenítica.
Ferromagnetismo e aço
A composição química e a microestrutura do aço influenciam significativamente o seu magnetismo. Os aços magnéticos têm geralmente uma estrutura ferrítica ou martensítica, com ferro e spins atómicos do ferro alinhados de forma ordenada. Por outro lado, os aços inoxidáveis austeníticos não são magnéticos devido ao elevado teor de crómio e níquel. Além disso, processos como o tratamento térmico e a deformação a frio alteram as propriedades magnéticas do aço ao modificar a disposição interna dos componentes, incluindo a estrutura atómica, sobretudo na fase ferrítica.O papel dos elementos de liga
Os elementos de liga influenciam significativamente as características mecânicas do aço, sobretudo quando se consideram diferentes propriedades. A adição de carbono, manganês, crómio e níquel contribui para características específicas. Tal como acontece com a maioria dos metais, a adição de carbono aumenta a dureza e a resistência do aço. O manganês torna o aço mais duro e resistente ao desgaste. O crómio é essencial para aumentar a resistência à corrosão e formar a camada protetora de óxido no aço inoxidável. O níquel aumenta a resistência e a tenacidade, além de melhorar a resistência à corrosão, sobretudo a baixas temperaturas. A seleção e combinação criteriosas dos elementos de liga permitem adaptar o desempenho do aço a diferentes requisitos.Como os campos magnéticos afetam o aço
Os campos magnéticos afetam o aço ao alterar a sua organização interna e as suas propriedades magnéticas. O aço é um metal magnético e pode ficar magnetizado quando exposto a um campo magnético. Isto acontece porque o campo magnético pode alinhar os domínios magnéticos, ou zonas de magnetização, no aço. A suscetibilidade do aço a este fenómeno depende da sua estrutura e da intensidade do campo magnético aplicado. Além disso, a magnetização constante ou a exposição a campos intensos, sobretudo durante períodos prolongados, podem alterar o seu comportamento. Um exemplo é o magnetismo residual permanente, ou seja, a magnetização que permanece quando o campo magnetizante é removido. Estas considerações são essenciais em aplicações dinâmicas nas quais o material fica exposto a campos magnéticos.Todos os tipos de aço inoxidável são magnéticos?
Aço inoxidável austenítico e magnetismo
Os aços inoxidáveis austeníticos, como os graus 304 e 316, não são magnéticos devido à sua estrutura cristalina cúbica de faces centradas (FCC), que não permite o alinhamento dos domínios magnéticos. No entanto, algumas situações podem alterar as características magnéticas do aço inoxidável austenítico. Por exemplo, a deformação por trabalho a frio pode transformar parte da estrutura austenítica em martensite, uma forma capaz de endurecer o aço e torná-lo magnético. Este fenómeno é conhecido como formação de martensite induzida por deformação. Nestas condições, o aço inoxidável 304 pode apresentar um comportamento fracamente magnético após uma deformação intensa a frio ou uma operação de soldadura. O aumento do magnetismo resulta, neste caso, de alterações estruturais causadas por tensão mecânica ou térmica. A investigação indica que o magnetismo do aço inoxidável deformado a frio é reduzido quando analisado em termos de permeabilidade. Para contextualizar, os aços inoxidáveis austeníticos têm uma permeabilidade magnética relativa próxima de 1.0 no estado recozido. Ainda assim, após o processamento, quando se forma martensite, prevê-se que esse valor aumente ligeiramente. O níquel e o crómio são essenciais nos aços inoxidáveis austeníticos, pois estabilizam a estrutura FCC e reduzem a resposta magnética. Estes aspetos são relevantes para engenheiros e cientistas de materiais na seleção de materiais para aplicações não magnéticas com requisitos rigorosos.Comportamento magnético dos aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos
As propriedades magnéticas dos aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos são muito mais acentuadas do que as dos graus austeníticos. A principal diferença entre estes dois graus de aço inoxidável está nas respetivas estruturas cristalinas. Os aços inoxidáveis ferríticos têm uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC), que é intrinsecamente ferrimagnética e torna a liga facilmente magnetizável. Ao contrário do que se pensa, os aços inoxidáveis martensíticos também são magnéticos, mas o seu magnetismo deve-se às estruturas BCC ou tetragonal de corpo centrado (BCT) formadas durante o tratamento térmico. A resposta destes aços a um campo magnético torna-os ideais para aplicações que exigem propriedades magnéticas. No entanto, é necessário ter cuidado com pequenas perturbações magnéticas em construções sujeitas a campos magnéticos fracos. Independentemente do grau, estas propriedades dependem dos elementos de liga presentes na composição e do tratamento térmico aplicado.Porque é que alguns aços inoxidáveis não são magnéticos
A ausência de magnetismo em alguns aços inoxidáveis deve-se sobretudo à sua estrutura cristalina. Por exemplo, os graus 304 e 316 de aço inoxidável austenítico têm, em grande parte, uma estrutura cúbica de faces centradas (FCC), que impede o ferromagnetismo. A ausência de magnetismo deve-se à falta de eletrões desemparelhados na rede FCC dos átomos, responsáveis pelo comportamento magnético de outros materiais. A composição química do aço inoxidável afeta consideravelmente a sua resposta magnética. Por exemplo, o elevado teor de níquel e crómio estabiliza a estrutura FCC dos aços inoxidáveis austeníticos, impedindo a formação de fases ferromagnéticas. Estes elementos contrariam o magnetismo nos aços inoxidáveis ferríticos ou martensíticos, que têm estruturas cúbicas de corpo centrado (BCC) ou tetragonais de corpo centrado (BCT). No entanto, fatores externos podem conferir características magnéticas aos aços inoxidáveis austeníticos. Um trabalho a frio intenso e prolongado ou uma deformação elevada durante o fabrico podem transformar a estrutura FCC numa fase magnética martensítica. Esta alteração, conhecida como martensite induzida por deformação, tende a ser mais comum em graus de liga com menor teor de elementos de liga, como o aço inoxidável 301, e menos acentuada nos graus 316, devido ao efeito estabilizador do molibdénio. Além disso, a suscetibilidade magnética do aço inoxidável pode variar em função da composição e do processamento da liga. A investigação indica que o aço inoxidável 304 tem uma suscetibilidade magnética inicial entre 1.05 e 1.15, enquanto o aço inoxidável 316, com maior teor de molibdénio, apresenta valores muito inferiores, frequentemente próximos de 1.01. Estas diferenças são essenciais na seleção de um grau específico de aço inoxidável para aplicações em que as propriedades magnéticas são um fator determinante. Em suma, a ausência de magnetismo em alguns tipos de aço inoxidável pode ser atribuída à sua estrutura atómica e às ligas que compõem o aço. O magnetismo também pode ser influenciado por fatores externos, como o aquecimento mecânico, o que demonstra a importância de um projeto de engenharia criterioso.Como interagem os ímanes com o aço?
A influência dos graus de aço no magnetismo
A composição e a microestrutura do aço determinam as suas propriedades magnéticas. Entre os tipos de aço magnético inclui-se o aço-carbono, devido ao seu maior teor de ferro, à estrutura ferrítica e às elevadas propriedades magnéticas. Por sua vez, os aços inoxidáveis austeníticos, como os da série 300, geralmente não são magnéticos, pois a sua estrutura cristalina impede o alinhamento dos domínios magnéticos. Estes materiais podem adquirir magnetismo parcial devido ao trabalho a frio ou à deformação mecânica. Compreender estas características é essencial para selecionar o grau de aço adequado para aplicações com ímanes.Campos magnéticos externos e aço
A interação do aço com campos magnéticos externos depende em grande medida da sua composição e estrutura interna. Os aços ferríticos e martensíticos têm maior teor de ferro. Por isso, são fortemente atraídos por campos magnéticos devido ao alinhamento dos domínios magnéticos. Por outro lado, os aços inoxidáveis austeníticos, como os da série 300, são sobretudo não magnéticos e não respondem de forma significativa aos campos magnéticos. No entanto, a deformação mecânica ou o trabalho a frio podem conferir magnetismo localizado aos aços austeníticos. Quando o aço fica exposto a campos magnéticos, o aço inoxidável totalmente austenítico é mais adequado, pois tem menor permeabilidade magnética. Este tipo de aço provoca menos interferências em perturbações causadas por magnetismo.Permeabilidade magnética dos diferentes tipos de aço
Os diferentes tipos de aço apresentam variações na permeabilidade magnética, consoante a sua composição e microestrutura. Em geral, os aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos têm maior permeabilidade magnética, sendo mais suscetíveis aos campos magnéticos. Em comparação, os aços inoxidáveis totalmente austeníticos, como o grau 316L, têm uma permeabilidade magnética muito baixa, o que os torna úteis em aplicações de proteção que exigem interferência magnética mínima. Para obter a máxima eficiência em ambientes sensíveis ao magnetismo, preferem-se graus austeníticos totalmente não magnéticos após o processamento.O aço pode deixar de ser magnético?
O processo de desmagnetização do aço
Desmagnetizar o aço significa interromper o alinhamento magnético existente, o que pode ser feito de três formas. Primeiro, o aquecimento acima da temperatura de Curie do aço elimina quaisquer propriedades magnéticas, pois repõe a estrutura interna do material. Segundo, um campo magnético alternado pode reduzir gradualmente o magnetismo residual ao realinhar os domínios. O último método consiste em bater fisicamente no aço ou dobrá-lo, alterando o alinhamento dos domínios magnéticos, embora esta técnica não seja muito precisa. Apesar de estes métodos serem válidos, devem ser adaptados à aplicação, tendo em conta os materiais envolvidos e as suas propriedades mecânicas.Fatores que provocam a perda de magnetismo no aço
Estas são as principais causas que podem levar à perda de magnetismo no aço:- Exposição ao calor: as temperaturas elevadas podem desordenar a estrutura interna dos domínios magnéticos no aço, provocando a perda parcial ou total do magnetismo. Isto é comum quando o material ultrapassa a temperatura de Curie.
- Impacto físico: impactos físicos, como deixar cair ou dobrar o material, aumentam a tensão mecânica e deslocam os domínios magnéticos internos, causando a perda de magnetismo.
- Exposição prolongada a campos magnéticos alternados: a aplicação repetida de campos magnéticos alternados ao aço durante períodos prolongados pode desorientar os domínios e levar o material a perder o magnetismo.
- Corrosão: a alteração das condições ambientais, como a oxidação, provoca a corrosão da estrutura do material e reduz a sua capacidade de induzir magnetismo na estrutura.
Aplicações do aço inoxidável magnético e não magnético
Setores que utilizam aço inoxidável magnético
O aço inoxidável magnético é amplamente utilizado em setores que beneficiam da sua resistência à corrosão e do seu magnetismo. Os principais são:- Automóvel: utilizado em algumas peças, como sensores, injetores de combustível e sistemas de escape, graças à resistência e à natureza magnética do material.
- Eletrónica: importante para transformadores, solenoides e suportes de armazenamento magnético.
- Eletrodomésticos: encontra-se em tambores magnéticos de máquinas de lavar, equipamentos de refrigeração e utensílios de cozinha, onde a resistência e o magnetismo são úteis.
- Construção: utilizado em arquitetura e elementos de fixação que exigem resistência e magnetismo.
Vantagens dos metais não magnéticos na tecnologia
Os metais não magnéticos são legais, mas exigem campos magnéticos estáveis para utilização na tecnologia. A propriedade não magnética torna estes metais valiosos em dispositivos eletrónicos de precisão, máquinas de ressonância magnética e componentes modernos de semicondutores noutros aparelhos eletrónicos sensíveis. Além disso, estes metais são frequentemente utilizados na tecnologia aeroespacial e militar porque os materiais não magnéticos ficam constantemente expostos a condições de desempenho críticas sem problemas de fiabilidade. Os materiais não magnéticos também são adequados para ambientes obtidos, pois estes metais são resistentes ao desgaste e à corrosão. Assim, estes metais não magnéticos contribuem significativamente para o desenvolvimento da tecnologia atual.Perguntas frequentes (FAQs)
P: O aço é magnético?
R: O aço é um íman, embora o seu magnetismo dependa do tipo de aço. Certos tipos de aço, como o aço ferromagnético, são fortemente magnéticos devido ao ferro e à estrutura cristalina que possuem.P: Porque é que alguns tipos de aço, como o 304 e o 316, não são magnéticos?
R: Os aços inoxidáveis 304 e 316 não são magnéticos devido ao elevado teor de crómio e níquel. Estes dois elementos promovem uma estrutura cristalina austenítica que não favorece o alinhamento dos momentos magnéticos. Assim, estes aços continuam a não ser magnéticos ou, no máximo, são fracamente magnéticos.P: O aço inoxidável 304 pode tornar-se magnético?
R: O aço inoxidável 304 pode tornar-se magnético através de processos como o trabalho a frio. Estes processos alteram a estrutura e a rede cristalina dos materiais, o que tende a torná-los magnéticos.P: O que é um metal ferromagnético?
R: Os metais ferromagnéticos são materiais que podem adquirir uma magnetização intensa e funcionar como ímanes permanentes. Estes metais têm eletrões desemparelhados com os spins alinhados em paralelo, criando assim um campo magnético intenso.P: De que forma o níquel e o crómio afetam o magnetismo do aço?
R: O níquel e o crómio afetam a estrutura cristalina do aço. O níquel estabiliza a estrutura austenítica, geralmente não magnética. O crómio contribui para a resistência à corrosão, mas não favorece o magnetismo do aço.P: Como contribuem os eletrões desemparelhados para a magnetização?
R: A presença de eletrões desemparelhados é importante para a magnetização. Estes podem girar de forma a juntarem-se a um domínio e alterarem o material, tornando-o magnético. Isto acontece em elementos metálicos como o ferro, cujos eletrões se podem alinhar e tornar o material ferromagnético.P: O aço é classificado como um material que contém ferro?
R: O aço contém sempre ferro, que é o seu principal material, e determina a sua resistência e o seu magnetismo. A presença de ferro permite magnetizar o aço em determinadas condições.P: O que é o aço não magnético?
R: A principal diferença está na disposição de alguns componentes de liga da estrutura cristalina. Por vezes designado aço ferromagnético, o aço magnético é composto por ligas cuja estrutura permite a sobreposição dos momentos magnéticos. Os aços inoxidáveis austeníticos não magnéticos não permitem esse empilhamento devido à rede cristalina.P: Qual é o impacto do trabalho a frio no magnetismo do aço?
R: O trabalho a frio pode aumentar as propriedades magnéticas do aço, pois pode alterar a sua estrutura cristalina de austenítica para martensítica ou ferrítica. Este aumento deve-se a um estado de menor energia (maior estabilidade) dos momentos magnéticos no aço, que permite um melhor alinhamento.P: Que outros metais não magnéticos existem, como o alumínio?
R: Existem metais não magnéticos, como o alumínio, o cobre e o zinco, porque estes metais não têm eletrões desemparelhados que possam gerar um campo magnético. Por isso, são considerados substâncias não magnéticas.Fontes de referência
1. Propriedades magnéticas vetoriais associadas à tensão e à temperatura em chapa de aço elétrico (Zhang et al., 2022, pp. 980-990)- Principais conclusões:
- O método de medição proposto é validado através da avaliação das propriedades magnéticas vetoriais de chapas de aço elétrico (ESS) não orientadas e de grão orientado, a várias temperaturas e níveis de tensão aplicados.
- O modelo propõe um método de medição que inclui a interação entre a temperatura e a tensão.
- Metodologia:
- Na zona de medição do provete, a base horizontal do jugo vertical ortogonal duplo em U está equipada com dois ímanes retangulares com aberturas opostas, que criam uma distribuição uniforme do campo magnético.
- A densidade vetorial do fluxo magnético B e a intensidade do campo magnético H são obtidas através das técnicas de sonda B e de bobina H composta dupla.
- Com um atuador linear, aplica-se tensão de tração ou compressão ao longo dos eixos de laminagem e transversal do provete.
- O controlador de temperatura permite variar as condições de medição da temperatura em conjunto com as placas cerâmicas de aquecimento.
- Principais conclusões:
- No aço silicioso de grão orientado, as propriedades magnéticas são melhores na região selecionada dentro de um ângulo de desvio da magnetização de 30 30 graus, em comparação com o aço silicioso de grão não orientado.
- O aço silicioso de grão orientado perde as suas propriedades magnéticas à medida que aumenta a temperatura externa não uniforme, ao contrário do aço silicioso de grão não uniforme, que se comporta de forma diferente.
- O aço silicioso de grão orientado apresenta propriedades magnéticas relativamente ótimas sob uma tensão de 30 MPa.
- A utilização de aço silicioso de grão orientado nas peças internas de veículos elétricos (IPM) aumenta a densidade do fluxo magnético nos dentes do estator em 2,2%, o binário do motor em 2,18% e o rendimento máximo em 1%, aumentando a potência gravimétrica em repouso.
- Metodologia:
- As características magnéticas do aço silicioso de grão orientado foram examinadas em diferentes condições, com uma estrutura Epstein e dispositivos de campos multifísicos construídos para o estudo.
- O modelo orientou a investigação sobre a utilização de aço silicioso de grão orientado em sistemas IPM para veículos elétricos, com um modelo de motor em aço silicioso orientado de precisão.
- Principais conclusões:
- O aço UNS S32101 apresenta melhores propriedades magnéticas após laminagem cruzada em várias etapas, devido ao refinamento da microestrutura e da textura.
- As propriedades magnéticas são menos favoráveis devido às características dos métodos de corte utilizados e do material.
- O corte com fio tem pouco impacto no desempenho magnético, mas o corte a laser reduz a permeabilidade magnética relativa a maiores profundidades nas tiras de aço.
- Metodologia:
- Após a laminagem cruzada em várias etapas, caracterizámos e medimos a microestrutura, a textura e as propriedades magnéticas de amostras de aço UNS S32101.
- As medições magnéticas junto às arestas de corte foram realizadas com um sistema móvel de deteção B–H.
