Vì sao có một số loại Inox không có từ tính

Thép không gỉ là hợp kim dựa trên sắt chủ yếu được biết đến với khả năng chống ăn mòn nói chung là tuyệt vời, phần lớn là do nồng độ crom của thép. Có một số loại thép không gỉ khác nhau. Hai loại chính là Austenit và Ferit, mỗi loại thể hiện sự sắp xếp nguyên tử khác nhau. Do sự khác biệt này, thép không gỉ ferit thường có từ tính trong khi thép không gỉ Austenit thường không có từ tính. Thép không gỉ ferit có từ tính do hai yếu tố: nồng độ sắt cao và cấu trúc cơ bản của nó.

Các nguyên tử kim loại trong thép không gỉ Austenit được sắp xếp trên một mạng tinh thể lập phương tâm diện (fcc). Ô đơn vị của tinh thể fcc bao gồm một hình lập phương với một nguyên tử ở mỗi góc trong số tám góc của hình lập phương và một nguyên tử ở tâm của mỗi mặt trong số sáu mặt. Tuy nhiên, trong thép không gỉ ferit, các nguyên tử kim loại nằm trên một mạng tinh thể trung tâm (bcc). Ô đơn vị của tinh thể bcc là một hình lập phương có một nguyên tử ở mỗi góc trong số tám góc và một nguyên tử duy nhất ở tâm hình học của hình lập phương. Hợp kim thép không gỉ với các nguyên tố như niken, mangan, cacbon và nitơ làm tăng khả năng hợp kim sẽ có cấu trúc tinh thể fcc ở nhiệt độ phòng. Crom, molypden và silicon làm cho hợp kim có nhiều khả năng thể hiện cấu trúc tinh thể bcc ở nhiệt độ phòng.

Thép không gỉ phổ biến nhất là Loại 304, chứa khoảng 18% crom và 8% niken. Ở nhiệt độ phòng, cấu trúc tinh thể bền nhiệt động của thép không gỉ 304 là bcc; tuy nhiên, nồng độ niken của hợp kim, cũng như một lượng nhỏ mangan (khoảng 1 phần trăm), carbon (ít hơn 0,08 phần trăm) và nitơ (khoảng 0,06 phần trăm), duy trì cấu trúc fcc và do đó hợp kim là không từ tính. Nếu hợp kim bị biến dạng cơ học, tức là bị uốn cong, ở nhiệt độ phòng, nó sẽ biến đổi một phần sang pha ferit và một phần sẽ có từ tính, hoặc sắt từ, vì nó được gọi chính xác hơn.

Thép không gỉ ferit phổ biến là hợp kim nhị phân sắt-crom với 13 đến 18 phần trăm crom. Các hợp kim này có tính sắt từ ở nhiệt độ phòng. Giống như tất cả các hợp kim sắt từ, khi bị nung nóng đến nhiệt độ đủ cao – nhiệt độ Curie của chúng – thép không gỉ ferit mất tính sắt từ và trở nên thuận từ – tức là chúng không giữ lại từ trường của mình mà tiếp tục bị hút bởi từ trường bên ngoài. .

Một miếng thép không gỉ ferit thường không bị nhiễm từ. Tuy nhiên, khi chịu một từ trường, nó sẽ bị nhiễm từ và khi loại bỏ từ trường này, thép vẫn bị nhiễm từ ở một mức độ nào đó. Hành vi này là hệ quả của cấu trúc vi mô của thép. Cụ thể, ở trạng thái tự nhiên, thép ferritic bao gồm các vùng nhỏ được gọi là miền từ, được từ hóa hoàn toàn, nhưng nhìn chung hướng của từ hóa ở mỗi miền là khác nhau. Kết quả là, tổng của tất cả các miền tạo cho mảnh có mômen từ bằng không. Từ trường bên ngoài định hướng các miền từ tính này. Tùy thuộc vào thép và trường được áp dụng, định hướng đạt được bằng sự kết hợp của sự tăng trưởng hoặc thu nhỏ có chọn lọc của các miền cụ thể và sự quay của từ hóa trong các miền. Nếu trường tác dụng đủ mạnh, thép sẽ giữ lại một phần từ hóa đáng kể miễn là thép có đủ số lượng khuyết tật để giữ cho các miền không quay và lớn lên hoặc co lại.

Về cơ bản, các lý do tại sao thép không gỉ ferit có tính sắt từ trong khi thép không gỉ Austenit không có bản chất là cơ lượng tử. Nói một cách đầy đủ là kim loại sắt từ bao gồm các nguyên tử có lõi electron bên trong không hoàn chỉnh và cấu trúc tinh thể dẫn đến mật độ trạng thái electron cao trong các dải năng lượng hình thành từ lõi bên trong nguyên tử không hoàn chỉnh. Nó cũng có một khoảng cách nguyên tử cho phép tạo ra hiệu ứng trao đổi giữa các electron trong các dải năng lượng liên quan đến mức lõi bên trong không hoàn chỉnh. Nếu các nguyên tử trong tinh thể kim loại có khoảng cách quá rộng, hiệu ứng trao đổi quá nhỏ sẽ gây ra sự liên kết mômen từ của các nguyên tử lân cận và tinh thể sẽ không thể hiện tính sắt từ. Yêu cầu về mật độ tiểu bang cao bắt nguồn từ Nguyên tắc Loại trừ Pauli. Nguyên tắc này cấm các điện tử có cùng spin chiếm cùng mức năng lượng. Do đó, nếu mật độ của các trạng thái electron tương đối nhỏ, các electron sẽ cần phải chiếm các trạng thái năng lượng cao hơn để tất cả có cùng spin. Nếu sự gia tăng năng lượng do chiếm dụng các mức năng lượng cao hơn sự giảm năng lượng do năng lượng trao đổi điện tử, thì cấu trúc sẽ không có tính sắt từ.