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Introducción
El acero es la columna vertebral de la industria moderna, utilizada en todo desde rascacielos a instrumentos quirúrgicos. Su adopción generalizada se deriva de una notable combinación de fuerza, ductilidad y eficacia en función de costos. Un atributo menos obvio pero igualmente crítico de muchos aceros es su comportamiento magnético. El hierro puro, el componente principal del acero, es fuertemente ferrognetico a temperatura ambiente, lo que significa que puede ser magnetizado y atraído a un imán.
Fundamentos del magnetismo en aceros
Antes de explorar el papel de los elementos de aleación, es esencial una comprensión clara del ferromagnetismo en los materiales basados en hierro. El ferromagnetismo surge de la alineación espontánea de los momentos magnéticos asociados con electrones no deseados en los átomos. En hierro puro, la estructura de cristales cúbico centrado en el cuerpo a temperatura ambiente soporta el acoplamiento fuerte entre los átomos vecinos, lo que conduce a la formación de dominios magnéticos
Los parámetros magnéticos clave que los ingenieros se preocupan por permeabilidad magnética (la facilidad con la que se puede magnetizar un material), coercivity (la resistencia a la desmagnetización),
Elementos de aleación clave y sus efectos
Cada elemento de aleación añadido al acero influye en sus propiedades magnéticas de una manera única, a menudo mediante una combinación de cambios electrónicos, estructurales y microestructurales. A continuación se presenta un análisis detallado de los elementos de aleación más significativos.
Nickel
Sin embargo, el núcleo de la nickel es uno de los elementos de aleación más importantes para mejorar el rendimiento magnético. Cuando se añade al acero en cantidades moderadas (normalmente 2-20%), el níquel estabiliza la fase de BCC ferromagnética a temperatura ambiente y aumenta la permeabilidad magnética y la magnetización de la saturación.
Cromo
El cromo es un instrumento de flexión muy bien controlado, pero cuando se disuelve en hierro reduce el momento magnético promedio por átomo. Más importante aún, el cromo es un estabilizador de austenita fuerte en acero inoxidable. El cúmulo no es magnético o sólo es un 8 % de funcionamiento.
Manganese
El manganés se utiliza principalmente en la fabricación de acero como desoxidante y para mejorar la dureza. Su efecto en el magnetismo es indirecto pero significativo. Manganese es un estabilizador de austenita, similar a la explotación de níquel pero menos poderoso. En aceros de alta manganesa (por ejemplo, acero Hadfield con 12-14% Mn), la estructura es totalmente austrítica a temperatura ambiente, lo que hace que el acero no magnético
Silicon
El silicona es un elemento crítico en la producción de aceros eléctricos, el material utilizado para los núcleos de transformadores y motores eléctricos. El silicona (típicamente 2–5%) es un elemento no magnético que aumenta la resistencia eléctrica, lo que reduce las pérdidas de acero al mal estado cuando el acero se somete a alteraciones de los campos magnéticos.
Molybdenum
Molibdeno se añade a menudo al acero por su capacidad de aumentar la resistencia, la resistencia a los escombros y la resistencia a la corrosión. Su efecto en las propiedades magnéticas es menor en comparación con el níquel o el cromo, pero puede ser significativo en ciertos contextos. Molibdeno aumenta la temperatura en la que el ferrito se transforma en austenita y puede refinar los precipitados de carburo.
Otros elementos
[LT] El cobalto es un elemento de resistencia al metal, que se puede reducir en forma de metal, y que se puede utilizar en forma de metal, y que se puede reducir en forma de metal.
Mecanismos de Modificación de Propiedad Magnética
Los efectos de los elementos de aleación en las propiedades magnéticas del acero se median por varios mecanismos físicos y microestructurales.
Estructura electrónica y los movimientos atómicos
En un material ferromagnético, el momento magnético por átomo depende del número de electrones no pintados en el orbital 3d. Hierro tiene cuatro electrones sin par, dando un momento de 2.2 magnetones Bohr. Cuando un elemento no magnético como el cromo (con un momento más pequeño) o el silicio (sin ningún momento) se añade substitucionalmente, diluye el momento promedio del acoplamiento magnético.
Estabilidad de fase y estructura de cristal
El Iron puede existir en dos estructuras cristalinas principales a presión atmosférica: BCC (ferrite) y FCC (austenita). El BCC es ferrognetico a temperatura ambiente, mientras que FCC es paramagnetico (o antiferromagnético en algunos casos) y no muestra ningún magnetismo permanente.
Microestructura y Dominio de pared
El proceso de rodamiento de la pared magnética puede ser muy eficaz, y el proceso de la pared de la pared de la pared de la pared de la pared de la pared de la pared de la pared del dominio puede reducir el tamaño de la pared de la pared del frío.
Influencia en la temperatura de Curie
La temperatura de Curie (Tc) determina el límite de temperatura superior para el comportamiento ferromagnético. Los elementos de aleación pueden elevar o reducir Tc. El cobalto aumenta significativamente la temperatura de Curie, por lo que las aleaciones de Co-Fe se utilizan en aplicaciones de alta temperatura.
Aplicaciones Prácticas de Aceros Magnéticos Aleados
La capacidad de adaptar las propiedades magnéticas a través de la aleación ha llevado al desarrollo de aceros especializados para una amplia gama de aplicaciones.
Aceros eléctricos para transformadores y motores
El núcleo de la red de aluminio es el material magnético suave para aplicaciones de corriente alterna. Al añadir 3-4% de silicio, los ingenieros logran alta resistencia eléctrica (reducir corrientes de eddy), baja pérdida de histeresis y alta magnetización de saturación. El acero eléctrico orientado a la medida (GOES) se procesa para obtener una textura cristalográfica aguda, permitiendo que el flujo magnético fluya de manera eficiente en la dirección del campo magnético.
Aceros no magnéticos para entornos especializados
Las aplicaciones en las que el magnetismo es indeseable requieren aceros con una respuesta magnética mínima. Ejemplos incluyen componentes de máquinas MRI, sistemas de desgausing para buques navales, soportes y recintos para equipos de navegación electrónica, y herramientas utilizadas cerca de sensores magnéticos sensibles. La estrategia principal es estabilizar una microestructura totalmente austrítica utilizando altos niveles de níquel, manganeso o nitrógeno.
Escudo magnético y aleaciones magnéticas suaves
Los sistemas de escoria de alta resistencia son los sistemas de permeabilidad de los grandes. Los sistemas de escoria son de alta resistencia y de permeabilidad, y los sistemas de permeabilidad son de alta calidad, y los sistemas de permeabilidad son de alta resistencia y de alta resistencia.
Magnetas permanentes
Aunque el acero no se utiliza normalmente como material imán permanente, ciertas familias de aleación basadas en hierro son críticas para imanes permanentes. Los imanes alnico, que contienen aluminio (8–12%), níquel (15–20%), cobalto (5–24%) y cobre (5–6%), están entre los imanes permanentes comerciales más antiguos. Estas aleaciones logran una alta coercividad mediante la descomposición espinalizada, formando una resistencia finamente dispersa
Conclusión
Las propiedades magnéticas del acero no se fijan; están profundamente influenciadas por el tipo y la concentración de elementos de aleación. Desde el aumento de la permeabilidad por el níquel y el silicio hasta la supresión del magnetismo por el cromo y el manganeso en aceros austríticos, la relación entre la composición de aleación y el comportamiento magnético es tanto científicamente rica como prácticamente indispensable.
Para más lectura, vea la página Wikipedia sobre ferromagnetismo, una discusión completa de NIST programas sobre materiales magnéticos, y un recurso sobre grados eléctricos de acero ].