Względna przenikalność magnetyczna (μr) określa, jak materiał reaguje na pole magnetyczne w porównaniu z próżnią. Jest jedną z podstawowych właściwości fizycznych stali i metali, ważną przy projektowaniu urządzeń elektrycznych, ekranów magnetycznych, obudów aparatury pomiarowej, elementów indukcyjnych oraz części wykonywanych ze stali nierdzewnej. Przenikalność magnetyczna jest wielkością inną niż podatność magnetyczna, koercja, remanencja i temperatura Curie.
Dla materiałów słabo magnetycznych μr przyjmuje wartości bliskie 1. W przypadku materiałów ferromagnetycznych, takich jak żelazo, stal ferrytyczna lub martenzytyczna, jej wartość może być wielokrotnie wyższa, lecz zależy od natężenia pola, historii namagnesowania, temperatury, obróbki cieplnej i mikrostruktury. Z tego powodu przy podawaniu liczby μr należy opisać warunki oraz metodę pomiaru.
Najważniejsza zasada: sama nazwa gatunku stali nie wystarcza do określenia jednej uniwersalnej wartości przenikalności magnetycznej. Dla stali austenitycznej można oceniać niewielkie odchylenia μr od 1; dla stali ferromagnetycznych trzeba zazwyczaj posługiwać się charakterystyką magnesowania B–H oraz zdefiniowanym rodzajem przenikalności.
Co to jest względna przenikalność magnetyczna μr?
W ujęciu materiałowym przenikalność magnetyczna bezwzględna μ opisuje zależność pomiędzy indukcją magnetyczną B a natężeniem pola magnetycznego H. Przenikalność względna odnosi tę wielkość do przenikalności magnetycznej próżni μ0. Dla ośrodka liniowego, izotropowego i bez histerezy można zapisać:
μr = μ / μ0 oraz B = μ0 · μr · H
μ0 ≈ 1,25663706 × 10−6 H/m; μr jest wielkością bezwymiarową.
Dla dowolnego materiału z namagnesowaniem M w układzie SI zachodzi ogólna zależność B = μ0(H + M). W ferromagnetykach zależność B(H) jest zwykle nieliniowa i histerezowa, dlatego prosty wzór B = μ0μrH nie opisuje całego zachowania materiału za pomocą jednej stałej.
| Wielkość | Symbol | Jednostka | Znaczenie |
|---|---|---|---|
| Względna przenikalność magnetyczna | μr | bez jednostki | Stosunek odpowiednio zdefiniowanej przenikalności materiału do μ0. |
| Przenikalność bezwzględna | μ | H/m | Odpowiedź magnetyczna ośrodka; w przypadku nieliniowym nie jest jedną stałą. |
| Przenikalność próżni | μ0 | H/m | Stała magnetyczna używana w równaniach elektromagnetycznych. |
| Indukcja magnetyczna | B | T (tesla) | Strumień magnetyczny na jednostkę powierzchni prostopadłej do pola. |
| Natężenie pola magnetycznego | H | A/m | Wielkość opisująca pole magnetyzujące. |
| Namagnesowanie | M | A/m | Wypadkowa odpowiedź magnetyczna materiału. |
| Podatność magnetyczna | χ | bez jednostki | W modelu liniowym i izotropowym: M = χH, a μr = 1 + χ. |
Rodzaje przenikalności magnetycznej – początkowa, sieczna, różniczkowa i maksymalna
W dokumentacji technicznej oznaczenie μr wymaga doprecyzowania. Dwie próbki wykonane z identycznego gatunku stali mogą dać różne wartości, jeśli badano je przy innych natężeniach pola albo po odmiennej historii magnesowania.
| Rodzaj | Opis | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|
| Przenikalność początkowa μi | Wartość wynikająca z początkowego nachylenia krzywej magnesowania materiału uprzednio rozmagnesowanego. | Przydatna dla bardzo słabych sygnałów i materiałów magnetycznie miękkich. |
| Przenikalność sieczna | W danym punkcie wyznaczana jako B/(μ0H), dla zdefiniowanej gałęzi charakterystyki i H ≠ 0. | Opisuje określony stan, a nie stałą dla wszystkich pól. |
| Przenikalność różniczkowa | μr,d = (1/μ0) · dB/dH, na wybranej gałęzi B–H. | Ważna przy obliczeniach zmian pola wokół punktu pracy. |
| Przenikalność maksymalna | Największa wartość wybranego rodzaju przenikalności na określonej charakterystyce. | Stosowana w ocenie materiałów magnetycznie miękkich. |
| Przenikalność amplitudowa / przyrostowa | Opis odpowiedzi przy zadanym przebiegu pola przemiennego albo małej zmianie pola wokół stanu ustalonego. | Ważna w rdzeniach, czujnikach i urządzeniach z prądem przemiennym. |
| Przenikalność zespolona | W uproszczonym modelu AC: μ* = μ′ − jμ″; część rzeczywista opisuje odpowiedź zachowawczą, urojona straty. | Umożliwia analizę wpływu częstotliwości i strat magnetycznych. |
Dla materiałów diamagnetycznych i słabo paramagnetycznych odpowiedź jest zwykle w przybliżeniu liniowa w szerokim zakresie małych pól. Dla stali ferromagnetycznych konieczne jest uwzględnienie nasycenia i pętli histerezy. Nie wolno porównywać μi z μmax tak, jakby były tym samym parametrem.
Tabela względnej przenikalności magnetycznej różnych materiałów
Względna przenikalność magnetyczna μr jest wielkością bezwymiarową. Materiały diamagnetyczne mają μr nieco mniejszą od 1, słabo paramagnetyczne – nieco większą od 1, natomiast ferromagnetyki mogą osiągać wartości od kilkudziesięciu do setek tysięcy lub więcej. Przenikalność początkowa μi i maksymalna μmax to różne parametry; dla materiałów silnie magnetycznych nie należy podawać jednej wartości bez określenia warunków i rodzaju pomiaru.
Materiały diamagnetyczne i paramagnetyczne – wartości μr bliskie 1
W poniższym zestawieniu podano orientacyjne wartości μr w temperaturze zbliżonej do pokojowej (gazy: około 1 atm, o ile nie zaznaczono inaczej). W przybliżeniu liniowym μr = 1 + χv, gdzie χv jest objętościową podatnością magnetyczną w układzie SI. Wartości nie są parametrami przenikalności maksymalnej.
| Materiał | Względna przenikalność μr | Charakter magnetyczny |
|---|---|---|
| Bizmut (Bi) | 0,999834 | diamagnetyk |
| Złoto (Au) | 0,999964 | diamagnetyk |
| Rtęć (Hg), ciekła | 0,999972 | diamagnetyk |
| Srebro (Ag) | 0,9999736 | diamagnetyk |
| Diament (C) | 0,999978 | diamagnetyk |
| Ołów (Pb) | 0,9999831 | diamagnetyk |
| Miedź (Cu) | 0,9999906 | diamagnetyk |
| Woda | 0,999992 | diamagnetyk |
| Krzem (Si) | 0,9999958 | diamagnetyk |
| Wodór gazowy, 1 atm | ≈ 0,9999999978 | diamagnetyk |
| Azot gazowy, 1 atm | ≈ 0,9999999933 | diamagnetyk |
| Próżnia | 1 | punkt odniesienia |
| Powietrze, 1 atm | 1,00000036 | bardzo słabo paramagnetyczne |
| Tlen gazowy, 1 atm | 1,0000018 | paramagnetyk |
| Magnez (Mg) | 1,000012 | paramagnetyk |
| Wapń (Ca) | 1,000019 | paramagnetyk |
| Aluminium (Al) | 1,000021 | paramagnetyk |
| Wolfram (W) | 1,000068 | paramagnetyk |
| Platyna (Pt) | 1,0003 | paramagnetyk |
| Pallad (Pd) | 1,0008 | paramagnetyk |
| Mangan (Mn), ok. 20°C | ≈ 1,001 | bardzo słaby magnetyzm |
| Stale austenityczne: 304 / 1.4301 i 316L / 1.4404 | zwykle 1,003–1,05 | stan wyżarzony; zależne od mikrostruktury |
Uwaga: dla bizmutu, gazów i metali słabo magnetycznych liczby są przybliżone; podatność zależy od temperatury, czystości, a w niektórych kryształach również od kierunku pomiaru. W przypadku stali austenitycznych zakres 1,003–1,05 dotyczy typowo stanu wyżarzonego, a nie każdej dostawy gatunków 304 i 316L.
Żelazo, stale magnetyczne i superstopy – przenikalność początkowa i maksymalna
Wartości podano dla określonych materiałów i stanów opisanych w publikacjach technicznych. μi oznacza przenikalność początkową, a μmax maksymalną, wyznaczaną w odpowiednich warunkach magnesowania. Kreska oznacza brak porównywalnej wartości w wykorzystanym źródle – nie wartość zerową.
| Materiał / stan | μi – początkowa | μmax – maksymalna |
|---|---|---|
| Kobalt (Co), 99%, wyżarzony | 70 | 250 |
| Nikiel (Ni), 99%, wyżarzony | 110 | 600 |
| Żelazo techniczne, 99,8% Fe, wyżarzone | 150 | 5 000 |
| Żelazo wysokiej czystości, 99,95% Fe, wyżarzane w H₂ | 10 000 | 200 000 |
| Stal niskowęglowa, ok. 99,5% Fe | 200 | 4 000 |
| Stal węglowa, ok. 0,9% C, zahartowana | 50 | 100 |
| Blacha elektrotechniczna Fe–3%Si, nieorientowana | 270 | 8 000 |
| Blacha elektrotechniczna Fe–3%Si, zorientowana | 1 400 | 50 000 |
| Stop Fe–Ni typu 4750 (ok. 48% Ni) | 11 000 | 80 000 |
| Permalloy 78 (ok. 78% Ni), odpowiednio wyżarzony | 8 000 | 100 000 |
| Permalloy 4–79 (ok. 79% Ni, 4% Mo) | 40 000 | 200 000 |
| MuMETAL (ok. 80% Ni, Fe–Mo), po obróbce końcowej | — | powyżej 400 000 |
| Supermalloy / Superpermalloy (Ni–Fe–Mo), wyżarzony | 100 000 | 1 000 000 |
| Permendur 2V (ok. 49% Co, 49% Fe, 2% V) | 800 | 8 000 |
| Supermendur (Fe–Co–V) | — | 100 000 |
| Stop amorficzny Metglas 2605SC (Fe–B–Si–C) | — | 210 000 |
| Stop amorficzny Metglas 2605S-3 (Fe–B–Si) | — | 30 000 |
| Ferryt MnZn TDK N87, 25°C | 2 200 ±25% | — |
Różnice pomiędzy źródłami: przykładowo dla Supermalloy spotyka się μmax około 450 000, a dla specjalnie wyżarzonych próbek około 1 000 000 lub więcej. Wynika to m.in. z odmiennego składu, sposobu wyżarzania, tekstury i metod pomiaru. Dla MuMETAL producent podaje przenikalność maksymalną powyżej 400 000; przenikalność 80 000 przy indukcji 40 gausów nie jest automatycznie jego przenikalnością początkową.
Stale nierdzewne: ferrytyczna 1.4016 / AISI 430, stale martenzytyczne oraz duplex 1.4462 / 2205 są magnetyczne, ale nie mają jednej prawidłowej wartości μi ani μmax wynikającej wyłącznie z oznaczenia gatunku. Potrzebna jest charakterystyka B–H i informacja o stanie materiału. Dla stali austenitycznych po zgniocie lub spawaniu μr może wzrosnąć wskutek obecności faz ferromagnetycznych.
Nie mylić z przenikalnością efektywną rdzenia: dla rdzeni proszkowych parametry μe (np. 14–550 dla wybranych rdzeni MPP) obejmują wpływ mikrostruktury i szczelin rozproszonych. Nie są to wartości μi litego stopu Ni–Fe–Mo. Z kolei ferryt MnZn TDK N87 ma katalogową μi = 2 200 ±25% w 25°C.
Podstawa danych: OpenStax – Magnetism in Matter; Materials – zestawienie μr wybranych substancji; HyperPhysics – Magnetic Properties of Solids; Reference Data for Engineers – Soft Magnetic Metals; MuMETAL – dane producenta; TDK – ferryt N87; BSSA – magnetyzm stali austenitycznych. Wartości zestawiono porównawczo; do obliczeń projektowych należy przyjąć dane z karty konkretnego materiału i stanu dostawy.
Jak interpretować wartości μr?
| Wartość / zachowanie | Interpretacja | Przykłady |
|---|---|---|
| μr nieco poniżej 1 | Odpowiedź diamagnetyczna w przybliżeniu liniowym. | Miedź, bizmut; odchylenie od 1 jest zwykle niewielkie, lecz zależne od materiału. |
| μr ≈ 1 | Bardzo słaba odpowiedź na pole magnetyczne; wartości mogą być nieco powyżej 1. | Stabilny austenit stali nierdzewnych w odpowiednim stanie, niektóre stopy niklu. |
| μr od 1,01 do kilku | Niska, lecz mierzalna przenikalność względna, wymagająca ustalenia metody pomiaru. | Wybrane półwyroby i elementy z ograniczeniem magnetyczności. |
| μr zdecydowanie powyżej 1 | Wyraźnie magnetyczny materiał; dla ferromagnetyków wartość zależy silnie od H. | Stale ferrytyczne, martenzytyczne, duplex i wiele stopów magnetycznych. |
| Spadek przenikalności przy dużym H | Może występować wskutek zbliżania się do nasycenia magnetycznego. | Rdzenie ferromagnetyczne i materiały magnetycznie miękkie. |
Potoczne określenie „stal niemagnetyczna” oznacza zazwyczaj bardzo słabą reakcję na magnes w danych warunkach, a nie matematycznie dokładne μr = 1. W zastosowaniach wrażliwych na pole magnetyczne wymaga się określonego limitu, np. μr ≤ 1,02 lub μr ≤ 1,05, ale taki limit jest wymaganiem projektowym do sprawdzenia dla rzeczywistej partii, a nie uniwersalną gwarancją dla nazwy gatunku.
Względna przenikalność magnetyczna stali nierdzewnych – porównanie grup
Stale nierdzewne mogą być bardzo słabo magnetyczne albo wyraźnie ferromagnetyczne. O zachowaniu decydują przede wszystkim fazy obecne w mikrostrukturze: austenit, ferryt i martenzyt, a także ich proporcje i stan po obróbce. Zależności te opisuje m.in. opracowanie British Stainless Steel Association dotyczące właściwości magnetycznych stali nierdzewnych.
| Grupa / materiał | Charakter magnetyczny | Ocena przenikalności względnej i ograniczenia |
|---|---|---|
| Austenityczne – 1.4301 / 304 | Zwykle bardzo słabo magnetyczne w stanie przesyconym; po zgniocie mogą być wyraźniej magnetyczne. | μr często bliskie 1, lecz bez gwarancji konkretnego progu; możliwy martenzyt odkształceniowy. |
| Austenityczne – 1.4404 / 316L | Zwykle słabo magnetyczne w stanie przesyconym; podatność na zmianę po zgniocie zależy od składu. | Do zastosowań niskomagnetycznych wymagany jest pomiar; sama nazwa 316L nie gwarantuje μr ≤ 1,02. |
| Ferrytyczne – 1.4016 / 430 | Ferromagnetyczne dzięki strukturze ferrytycznej. | μr znacząco powyżej 1, lecz silnie zależne od pola i historii technologicznej. |
| Martenzytyczne – np. 1.4021, 1.4057 | Ferromagnetyczne, zwykle reagujące wyraźnie na magnes. | Stan hartowany, odpuszczony i ilość austenitu szczątkowego wpływają na B–H. |
| Duplex – 1.4462 / 2205 | Występują ferryt ferromagnetyczny i austenit słabo magnetyczny. | Odpowiedź zwykle wyraźna, zależy od proporcji faz, tekstury i warunków pomiaru. |
| Superduplex – 1.4410 / S32750, 1.4501 / S32760 | Dwufazowa struktura ferryt + austenit. | Nie należy utożsamiać udziału ferrytu z jedną wartością μr. |
| Umocniane wydzieleniowo – np. 17-4PH / 1.4542 | Wiele gatunków jest ferromagnetycznych; zależnie od struktury i stanu starzenia. | Właściwości zależą od obróbki cieplnej oraz proporcji faz. |
W stalach austenitycznych składniki stopowe stabilizujące austenit, zwłaszcza nikiel i azot, mogą pomagać utrzymać niską przenikalność. Nie oznacza to jednak, że każdy stop bogatszy w nikiel będzie słabo magnetyczny: czysty nikiel jest ferromagnetyczny poniżej swojej temperatury Curie. Znaczenie ma całe uporządkowanie fazowe stopu, nie jeden pierwiastek.
Stale 304 i 316L – dlaczego przenikalność zmienia się po obróbce na zimno?
W stanie odpowiednio wyżarzonym i przesyconym austenit stali 1.4301 / AISI 304 wykazuje na ogół niewielką odpowiedź magnetyczną. Podczas silnego odkształcania na zimno część austenitu może przekształcić się w martenzyt odkształceniowy α′, który jest ferromagnetyczny. Skutkiem może być wzrost magnetyczności po walcowaniu, głębokim tłoczeniu, gięciu lub formowaniu.
W przypadku 1.4404 / AISI 316L austenit jest zwykle stabilniejszy wobec przemiany odkształceniowej niż w typowej stali 304, jednak rzeczywista reakcja zależy od wytopu, temperatury i wielkości zgniotu. Właściwości może zmieniać także spawanie: w niektórych spoinach i strefach przetopionych obecny jest ferryt δ, który zwiększa odpowiedź magnetyczną.
Przykład praktyczny: dwa arkusze opisane jako 1.4301 mogą wykazywać różną reakcję na magnes, jeżeli jeden znajduje się w stanie przesyconym, a drugi był intensywnie walcowany lub tłoczony na zimno. Nie musi to oznaczać pomylenia gatunku; różnica może wynikać z mikrostruktury.
Stale ferrytyczne, martenzytyczne i duplex – dlaczego nie mają jednej wartości μr?
W materiałach ferromagnetycznych ruch ścian domen magnetycznych, ich zakotwiczenie na defektach oraz późniejszy obrót namagnesowania powodują nieliniową odpowiedź na pole. Przenikalność może początkowo rosnąć, osiągać maksimum, a przy zbliżaniu się do nasycenia zmniejszać się. Jeżeli materiał zachowuje namagnesowanie szczątkowe, wynik zależy również od wcześniejszej gałęzi pętli histerezy.
Na właściwości wpływają m.in. wielkość ziarna, wydzielenia, dyslokacje, naprężenia własne i austenit szczątkowy. Dla stali duplex dodatkowo ważny jest stosunek ferrytu do austenitu. Sam pomiar przyciągania magnesu nie wyznacza μr i nie pozwala wiarygodnie ocenić proporcji faz.
| Czynnik technologiczny | Możliwy wpływ | Znaczenie dla pomiaru |
|---|---|---|
| Obróbka na zimno | Umocnienie i naprężenia; w metastabilnym austenicie możliwa przemiana do martenzytu α′. | Wzrost odpowiedzi magnetycznej nie musi oznaczać zmiany oznaczenia gatunku. |
| Przesycanie austenitycznych stali nierdzewnych | Może usuwać skutki poprzednich przemian strukturalnych przy właściwym cyklu obróbki. | Niska μr wymaga potwierdzenia na gotowym wyrobie. |
| Hartowanie i odpuszczanie | Zmiana udziału faz oraz stanu defektów mikrostruktury. | Możliwa zmiana koercji i przebiegu krzywej B–H. |
| Spawanie | Możliwa obecność ferrytu δ w spoinie, niejednorodny cykl cieplny. | Miejscowa magnetyczność może różnić się od materiału rodzimego. |
| Wielkość i kierunek ziaren | Zmiana ruchliwości ścian domen i anizotropii. | Warto badać próbki w ustalonym kierunku. |
| Naprężenia i stan powierzchni | Mogą zmieniać namagnesowanie i przenikalność przez magnetoelastyczność. | Ważna identyczna procedura przygotowania próbek. |
| Temperatura | Wpływ na uporządkowanie magnetyczne i ruch ścian domen. | Należy podawać temperaturę badania. |
Nikiel, Invar, Permalloy i superstopy niklu
Nickel 200 i Nickel 201 są materiałami na bazie niklu. Nikiel jest ferromagnetyczny poniżej temperatury Curie wynoszącej około 355–358°C, jednak przenikalność rzeczywistego wyrobu zależy od stanu metalu i parametrów pomiaru. Stopów niklu nie można traktować jako jednej magnetycznie jednorodnej grupy.
Invar, Kovar i Permalloy pokazują trzy różne zastosowania stopów żelazowo-niklowych. Invar jest znany przede wszystkim z małej rozszerzalności cieplnej w określonym zakresie temperatur, Kovar ze zbliżonej do szkła charakterystyki rozszerzalności, a wybrane stopy typu Permalloy z wysokiej przenikalności i małej koercji po właściwej obróbce. Stopy te wymagają oceny konkretnego składu i stanu dostawy.
Z kolei w przypadku takich gatunków jak Alloy 625 lub Alloy 718 magnetyczność zależy od składu i mikrostruktury. Nie należy stosować danych czystego niklu do stopów Alloy 625 czy Alloy 718 ani przyjmować bez badań, że wszystkie stopy niklu są ferromagnetyczne.
| Materiał / rodzina | Charakterystyka magnetyczna | Najważniejsze zastrzeżenie |
|---|---|---|
| Czyste żelazo / Armco | Materiał ferromagnetyczny, możliwa wysoka przenikalność zależnie od stanu. | Nawet czystość chemiczna nie zastępuje kontroli obróbki i naprężeń. |
| Nickel 200 / 201 | Ferromagnetyczny poniżej TC niklu. | Parametry B–H zależą od stanu i temperatury. |
| Invar 36 | Stop ferromagnetyczny w odpowiednim zakresie temperatur. | Nie mylić niskiej rozszerzalności cieplnej z niską przenikalnością. |
| Permalloy / wybrane stopy Ni–Fe | Materiały projektowane m.in. do dużej przenikalności i małej koercji. | Właściwości silnie zależą od obróbki cieplnej i naprężeń. |
| Kovar | Stop Fe–Ni–Co o specjalnej rozszerzalności. | Zastosowanie w uszczelnieniach nie określa samoistnie μr. |
| Alloy 625 / Alloy 718 | Odpowiedź magnetyczna zależna od składu i stanu strukturalnego. | Nie podawać jednej wartości μr bez danych dla konkretnego wyrobu. |
Przenikalność magnetyczna a temperatura Curie
Podgrzewanie ferromagnetyka zmienia jego właściwości magnetyczne. W okolicy temperatury Curie zanika długozasięgowe uporządkowanie ferromagnetyczne i materiał przechodzi do stanu paramagnetycznego. Dla czystego żelaza TC wynosi około 770°C, natomiast dla czystego niklu około 355–358°C.
Zależność μr(T) nie jest zwykle monotoniczna: przenikalność może zmieniać się wraz z temperaturą i siłą pola w złożony sposób, także na długo przed osiągnięciem punktu Curie. W stalach stopowych dodatkowo mogą zachodzić przemiany fazowe i wydzieleniowe. Dlatego do projektów wysokotemperaturowych potrzebne są dane dotyczące odpowiedniego stopu oraz całego zakresu temperatur pracy.
Rozróżnienie: temperatura Curie jest granicą uporządkowania magnetycznego, natomiast temperatury Ac1, Ac3, Ar1 i Ar3 odnoszą się do przemian strukturalnych stali. Nie są to te same parametry.
Przenikalność magnetyczna i częstotliwość pola – wpływ na indukcję
W prądzie stałym opisuje się przede wszystkim krzywą magnesowania i pętlę histerezy. W polu przemiennym znaczenie zyskują częstotliwość, amplituda, prądy wirowe i straty magnetyczne. Rzeczywista odpowiedź rdzenia przy 50 Hz może różnić się od odpowiedzi przy częstotliwości kilkudziesięciu kHz, nawet przy tym samym gatunku materiału.
Przenikalność razem z rezystywnością elektryczną wpływa na głębokość wnikania pola elektromagnetycznego (efekt naskórkowy). W przybliżeniu dla jednorodnego ośrodka liniowego głębokość wnikania jest proporcjonalna do pierwiastka z rezystywności i odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka z częstotliwości oraz przenikalności. W materiałach ferromagnetycznych ze zmienną μr dokładne obliczenia wymagają odpowiedniego modelu nieliniowego.
W praktyce procesowej ma to znaczenie np. w hartowaniu indukcyjnym stali, gdzie zmieniające się wraz z temperaturą właściwości elektryczne i magnetyczne oddziałują na rozkład mocy nagrzewania.
Jak mierzy się względną przenikalność magnetyczną?
Dobór metody zależy od oczekiwanego zakresu μr, postaci próbki, pola pomiarowego oraz tego, czy badany materiał jest słabo czy silnie magnetyczny. Przy niewielkich odchyleniach od μr = 1 ważne są czułość i kalibracja przyrządu. Przy ferromagnetykach zwykle wyznacza się charakterystyki B–H.
| Metoda | Zastosowanie | Ważne ograniczenia |
|---|---|---|
| Wskaźnik Low-Mu / porównanie z wzorcami | Szybka kontrola słabo magnetycznych stopów oraz odbiór pod kątem progu μr. | Wynik może być progowy, zależny od geometrii próbki i kalibracji. |
| Metoda strumieniowa (fluxmetryczna) | Pomiar przenikalności w zdefiniowanym polu dla materiałów o małej μr. | Konieczny jest odpowiedni zakres i kształt próbki. |
| Metoda pierścieniowa | Wyznaczanie krzywych B–H i histerezy w zamkniętym obwodzie magnetycznym. | Próbka pierścieniowa musi reprezentować badaną partię. |
| Permeametr | Pomiary właściwości magnetycznych materiałów magnetycznie miękkich. | Wymaga kontroli geometrii i sposobu zamknięcia obwodu. |
| Histerezograf | Pomiary pełnej lub częściowej pętli histerezy oraz charakterystyki magnesowania. | Wysoka μi lub specyficzne materiały mogą wymagać innej procedury. |
| Magnetometr VSM / pomiary M–H | Charakterystyki namagnesowania i odpowiedź magnetyczna małych próbek. | Do przeliczenia na materiałową μ należy uwzględnić pole wewnętrzne i demagnetyzację. |
Szczególne znaczenie ma współczynnik odmagnesowania. W wydłużonych prętach, cienkich płytkach i krótkich elementach pole wewnątrz materiału nie musi być takie samo jak pole zewnętrzne. Dla idealizowanej elipsoidy można zapisać Hwew = Hzew − N·M, gdzie N jest współczynnikiem zależnym od geometrii i kierunku magnesowania. Odczyt z przyrządu bez korekty geometrii nie zawsze daje przenikalność materiału.
Normy dotyczące pomiaru przenikalności magnetycznej i właściwości B–H
| Norma / dokument | Zakres | Znaczenie przy określaniu μr |
|---|---|---|
| ASTM A342/A342M-26 | Metody badania przenikalności słabo magnetycznych materiałów, z μr nieprzekraczającą 6, w określonych zakresach poszczególnych metod. | Szczególnie przydatna przy kontroli niskiej magnetyczności stali austenitycznych. |
| ASTM A596/A596M-21 | Pomiar właściwości magnetycznych w prądzie stałym metodą punktową, m.in. na próbkach pierścieniowych. | Charakterystyki B–H oraz pętla histerezy materiałów magnetycznych. |
| ASTM A773/A773M-21 | Badanie właściwości magnetycznych przy prądzie stałym przy użyciu histerezografów dla materiałów o małej koercji. | Pomiar krzywych magnesowania, pętli histerezy i odpowiednich parametrów. |
| IEC 60404-4:1995+A1:2000+A2:2008 | Metody pomiaru właściwości magnetycznych DC materiałów magnetycznie miękkich; metody pierścieniowe i permeametryczne. | Wybór i realizacja badania materiałów magnetycznie miękkich. |
| IEC 60404-6:2018+A1:2021 | Pomiary właściwości magnetycznych materiałów magnetycznie miękkich metodą pierścieniową przy częstotliwościach do 100 kHz. | Charakterystyki w polach przemiennych oraz związane z nimi straty. |
Norma metody badawczej opisuje sposób pomiaru, natomiast dopuszczalny limit μr należy ustalić osobno na podstawie dokumentacji urządzenia, wymagań zamówienia lub właściwej specyfikacji wyrobu. W normach dotyczących składu i dostawy stali nierdzewnych nie należy domniemywać automatycznego wymagania μr ≤ 1,02.
Przykład obliczeniowy – materiał o μr = 1,02
Rozważmy jednorodny materiał, którego odpowiedź w analizowanym zakresie pola jest w przybliżeniu liniowa. Przyjmujemy H = 1000 A/m i μr = 1,02. Korzystając z B = μ0μrH, otrzymujemy:
B = 1,25663706 × 10−6 × 1,02 × 1000 ≈ 0,00128177 T = 1,282 mT
Dla próżni przy takim samym H indukcja wynosi około 1,257 mT. Różnica około 0,025 mT oznacza niewielką, ale możliwą do zmierzenia odpowiedź magnetyczną materiału. W rzeczywistym układzie należy dodatkowo uwzględnić geometrię oraz warunki pomiaru. W ten sposób można objaśniać niską μr; nie należy natomiast stosować jednego stałego μr do obliczenia dowolnego stanu ferromagnetyka.
Do czego potrzebna jest mała lub duża przenikalność magnetyczna?
| Zastosowanie | Jakiej odpowiedzi zwykle się oczekuje? | Co trzeba zweryfikować |
|---|---|---|
| Obudowy przyrządów magnetycznych i aparatury pomiarowej | Często bardzo niskiej μr, bliskiej 1. | Rzeczywistą μr gotowych elementów, szczególnie po spawaniu i gięciu. |
| Elementy przy urządzeniach MRI | Niskiej reakcji magnetycznej oraz spełnienia odrębnych wymagań kompatybilności MR. | Nie tylko μr, ale też siły, artefakty, nagrzewanie RF i wymagania bezpieczeństwa. |
| Ekrany magnetyczne | W odpowiednich warunkach dużej przenikalności materiału magnetycznie miękkiego. | Punkt pracy, nasycenie, geometria, szczeliny i częstotliwość. |
| Rdzenie transformatorów i cewek | Korzystnych charakterystyk B–H oraz małych strat dla określonej częstotliwości. | Przenikalność amplitudowa, straty, indukcja nasycenia i nagrzewanie. |
| Czujniki pola i przekaźniki | Przewidywalnej czułości oraz zachowania magnetycznego w danym zakresie H. | Koercja, histereza, powtarzalność i charakterystyka temperaturowa. |
| Urządzenia do nagrzewania indukcyjnego | Przenikalności odpowiedniej dla rozkładu pola i mocy. | Zmiany μ i rezystywności w czasie nagrzewania. |
| Dobór śrub, kołnierzy, prętów i blach | Zależnie od konstrukcji: niskomagnetyczności lub kontrolowanej odpowiedzi ferromagnetycznej. | Gatunek, stan dostawy, wykonanie, weryfikacja partii i odpowiednie badanie. |
Najczęstsze błędy przy interpretacji przenikalności magnetycznej
- „Stal nierdzewna jest niemagnetyczna”. Nieprawda jako reguła ogólna: stale ferrytyczne, martenzytyczne i duplex mogą być wyraźnie magnetyczne.
- „μr to jedna niezmienna liczba dla stali”. Dla ferromagnetyków zależy ona od H i historii magnesowania.
- „Magnes nie przyciąga, więc μr = 1”. Odpowiedź słabo magnetyczna może być zbyt mała, aby odczuć ją ręcznie.
- „Stal 316L zawsze ma μr ≤ 1,02”. Bez stosownego wymagania i pomiaru nie można takiej wartości gwarantować.
- „Wysoka przenikalność oznacza wysoką koercję”. Materiały magnetycznie miękkie mogą łączyć wysoką μ z niską Hc.
- „Ilość ferrytu i μr są tym samym”. Udział faz i liczba ferrytowa FN nie są zamiennikami przenikalności.
- „Wystarczy pomiar przed obróbką”. Tłoczenie, spawanie, hartowanie czy prostowanie mogą zmienić odpowiedź gotowego elementu.
- „Stal Hadfielda jest zawsze niemagnetyczna”. Stal Hadfielda (X120Mn12, 1.3401, 110G12) o prawidłowo uzyskanej strukturze austenitycznej wykazuje zazwyczaj bardzo słabą odpowiedź magnetyczną i przenikalność względną μr zbliżoną do 1. Jednak skład chemiczny, obróbka cieplna oraz obecność innych faz strukturalnych mogą wpływać na jej właściwości magnetyczne. Charakterystyczne dla tej stali silne umocnienie zgniotowe nie oznacza automatycznie utraty austenitycznej struktury ani pojawienia się ferromagnetyzmu.
Jak zapisać wymagania magnetyczne w zamówieniu materiałowym?
Przy wyrobach przeznaczonych do pracy w otoczeniu wrażliwym magnetycznie należy podać maksymalną dopuszczalną przenikalność względną lub wymagane charakterystyki B–H. W dokumentacji powinny znaleźć się: gatunek i norma wyrobu, stan dostawy, miejsce pomiaru, typ i wielkość próbki, rodzaj badania, temperatura, warunki magnetyzowania oraz kryterium odbioru. Dla elementów po obróbce plastycznej i spawaniu warto określić, czy odbierany jest półwyrób, czy wyrób gotowy.
W sytuacjach, w których wymagany jest konkretny próg μr, sam atest składu chemicznego nie zastępuje raportu z badania magnetycznego. Należy również rozróżnić żądanie materiału o niskiej magnetyczności od żądania materiału do skutecznego ekranowania pola — są to dwa odmienne cele projektowe.
Najczęściej zadawane pytania (FAQ)
Co oznacza μr = 1?
Oznacza odpowiedź taką jak w próżni w przyjętym modelu pola. W praktyce materiały określane jako słabo magnetyczne mają przenikalność bardzo bliską 1, a nie zawsze dokładnie równą 1.
Czy względna przenikalność magnetyczna ma jednostkę?
Nie. μr jest stosunkiem dwóch przenikalności, więc jest bezwymiarowa. Przenikalność bezwzględną μ wyraża się m.in. w H/m.
Czy μr może być mniejsze niż 1?
Tak. W materiałach diamagnetycznych w liniowym przybliżeniu statycznym μr jest nieco mniejsze od 1.
Jaką przenikalność magnetyczną ma stal 304?
W stanie odpowiednio przesyconym zwykle bliską 1, ale zależną od składu i stanu. Zgniot na zimno może wytwarzać martenzyt odkształceniowy i podnosić magnetyczność.
Czy stal 316L jest niemagnetyczna?
Zwykle słabo magnetyczna w stanie przesyconym. Przy ścisłych wymaganiach np. μr ≤ 1,02 konieczna jest kontrola odpowiedniej partii i wyrobu.
Czy stal ferrytyczna 1.4016 jest magnetyczna?
Tak. Jej ferryt ma właściwości ferromagnetyczne, a przenikalność zależy od pola, mikrostruktury oraz obróbki.
Czy stal duplex 2205 przyciąga magnes?
Tak, zazwyczaj wyraźnie, ponieważ zawiera ferromagnetyczną fazę ferrytyczną. Wartość μr nie jest jednak stała dla całego gatunku.
Dlaczego przenikalność zmienia się po spawaniu?
Spawanie może zmieniać lokalny udział faz, naprężenia i mikrostrukturę. Szczególnie w stalach austenitycznych spoiny z ferrytem δ mogą odpowiadać magnetycznie inaczej niż materiał rodzimy.
Czy μr jest tym samym co podatność magnetyczna?
Nie. W liniowym i izotropowym modelu układu SI zachodzi μr = 1 + χ, lecz obie wielkości mają inne definicje. W ferromagnetykach trzeba dodatkowo określić rodzaj przenikalności.
Czy przenikalność oznacza siłę magnesu?
Nie. Siła przyciągania zależy także od geometrii, szczeliny powietrznej, nasycenia, rozkładu pola i pozostałych własności materiału.
Dlaczego wysoka μr nie oznacza wysokiej indukcji nasycenia?
Przenikalność dotyczy odpowiedzi na zmiany pola; indukcja nasycenia to odrębna cecha. Nie należy tych parametrów utożsamiać.
Co się dzieje z μr powyżej temperatury Curie?
Znika uporządkowanie ferromagnetyczne, a materiał przechodzi do stanu paramagnetycznego. Odpowiedź magnetyczna jest wtedy inna niż poniżej TC.
Jak zbadać bardzo niską μr, np. poniżej 1,05?
Należy zastosować odpowiednią skalibrowaną metodę dla materiałów słabo magnetycznych, na przykład jedną z metod opisanych w ASTM A342/A342M, z uwzględnieniem jej ograniczeń i geometrii próbki.
Czy magnes neodymowy wystarczy do odbioru stali?
Nie, jeśli specyfikacja podaje liczbowy limit μr. Ręczna próba magnesem jest jakościowa i zależy od wielu niekontrolowanych parametrów.
Jaką metodę wybrać dla stali silnie ferromagnetycznej?
Zwykle pomiar krzywej B–H i pętli histerezy, np. na odpowiedniej próbce pierścieniowej lub w permeametrze, według właściwej metody badawczej.
Podsumowanie – znaczenie μr przy doborze stali i stopów
Względna przenikalność magnetyczna μr jest parametrem opisującym odpowiedź materiału na pole magnetyczne. Dla materiałów słabo magnetycznych jest często bliska 1, natomiast w stalach ferrytycznych, martenzytycznych i duplex może być znacznie wyższa i zależy od natężenia pola. Istotne są również temperatura, stan dostawy, odkształcenie na zimno, spawanie i obróbka cieplna. W doborze materiału warto rozpatrywać μr łącznie z temperaturą Curie, przewodnością elektryczną i właściwościami mechanicznymi, ale bez utożsamiania tych wielkości.
Dla części, w których ważna jest niewielka magnetyczność, właściwe jest określenie limitu μr i metody odbioru. Dla rdzeni, ekranów oraz elementów elektromagnetycznych bardziej użyteczne są pełne charakterystyki B–H, przenikalność w ustalonym punkcie pracy, koercja, indukcja nasycenia i straty magnetyczne.