Proč je některý nerez magnetický a jiný ne
co se děje uvnitř materiálu

Tenhle drobný experiment ve většině kuchyní funguje a obvykle vyvolá stejnou otázku. Když jsou všechny ty věci z nerezi, proč se chovají tak odlišně?

Odpověď je hlubší, doslova. Souvisí s tím, jak jsou atomy železa uspořádané uvnitř materiálu.

Jak jsou atomy uvnitř kovu uspořádané

Železo a jeho slitiny mají krystalickou strukturu. To znamená, že atomy nesedí náhodně, ale tvoří pravidelnou prostorovou mřížku, která se opakuje napříč celým materiálem. Můžeme si to představit jako 3D mřížku uzlů, ve kterých sedí jednotlivé atomy.

Pro nerezové oceli jsou důležité dvě hlavní struktury. Obě se zakládají na krychli, ale liší se tím, kde přesně atomy v té krychli sedí.

První je krychlová prostorově středěná struktura, zkráceně BCC z anglického body-centered cubic. Představte si krychli, ve které sedí atom v každém z osmi rohů a jeden další atom v geometrickém středu krychle. V metalurgii se téhle struktuře v železe říká ferit.

Druhá je krychlová plošně středěná struktura, zkráceně FCC z anglického face-centered cubic. Tady atomy sedí v rozích krychle a navíc ve středu každé z šesti jejích stěn. Tahle struktura se nazývá austenit. Atomy v ní leží blíž u sebe než ve struktuře BCC, takže FCC je hustěji uspořádaná.

Rozdíl mezi BCC a FCC má víc důsledků, než by se z jednoduchého obrázku zdálo. Ovlivňuje, jak se materiál chová mechanicky, jakou má korozní odolnost, jak se svařuje a jak reaguje na magnetické pole.

V čistém železe se obě struktury střídají podle teploty. Při pokojové teplotě je železo v BCC struktuře, tedy ve feritu. Při zahřátí na 912 °C se atomy přeskupí do FCC struktury, do austenitu. Při 1394 °C se vrací zpět do BCC. Při 1538 °C železo taje. Tahle teplotní hra je důvod, proč se ocel dá kalit, popouštět a tepelně zpracovávat. Pohybem mezi BCC a FCC se mění její vlastnosti.

Co s tím dělají chrom a nikl

V čistém železe austenit existuje jen za vysokých teplot. Když ocel chladne, vrací se do feritu. V nerezových ocelích je ale situace složitější, protože do slitiny přidáváme další prvky. Chrom a nikl jsou nejdůležitější, a každý z nich ovlivňuje stabilitu jednotlivých struktur jinak.

Chrom stabilizuje BCC strukturu. Když je ho v oceli dostatek, ferit zůstává stabilní napříč celým rozsahem provozních teplot. Materiál si zachová BCC strukturu i při pokojové teplotě a nemusí procházet žádnou fázovou transformací při ochlazování. Tomuto typu říkáme feritická nerezová ocel.

Nikl má opačný efekt. Stabilizuje FCC strukturu. Stačí ho do oceli přidat dost, obvykle 8 % a víc, a austenit se stabilizuje natolik, že zůstává FCC strukturou i při pokojové teplotě. Materiál se nedokáže vrátit zpět do feritu, protože mu to nikl znemožní. Tomuto typu říkáme austenitická nerezová ocel.

Z téhle relativně malé chemické změny vyrůstá obrovský rozdíl v chování. A magnetismus je jen jeden z jeho projevů.

Proč BCC zachytí magnet a FCC ne

Tady přichází odpověď na úvodní otázku.

Atomy železa jsou samy o sobě magnetické. Každý atom železa má vlastní magnetický moment, který si můžeme představit jako miniaturní šipku ukazující určitým směrem. Když jsou tyhle šipky uspořádané paralelně, jejich magnetické pole se sčítá a materiál se navenek chová jako magnet. Když ukazují do různých směrů, jejich pole se navzájem vyruší.

V BCC struktuře sedí atomy v pozicích, které umožňují magnetickým momentům snadno se uspořádat paralelně. Pod určitou teplotou, které se říká Curieův bod, se momenty samovolně srovnají do paralelní orientace a materiál se stává feromagnetickým. Magnet ho přitahuje.

V FCC struktuře je situace odlišná. Atomy sedí blíž u sebe a v jiných pozicích. Interakce mezi jejich magnetickými momenty způsobuje, že se nedokáží uspořádat paralelně. Místo toho zůstávají náhodně orientované nebo se vzájemně ruší. Materiál je paramagnetický nebo téměř nemagnetický.

Magnet přiložený na austenitický nerez tedy nenajde makroskopické magnetické pole, na které by mohl reagovat. Sklouzne, protože není čeho se chytit.

Když nemagnetický nerez najednou magnet zachytí

Tady je ale zajímavý zvrat, který stojí za vysvětlení. Austenitické nerezy, které mají být nemagnetické, mohou občas magnet zachytit. Zvláště v místech, kde byl materiál silně mechanicky zpracován.

Důvodem je jev, kterému se odborně říká deformačně indukovaný martensit.

Když austenitickou nerez silně tváříte, ohýbáte, lisujete nebo táhnete za studena, FCC struktura není úplně stabilní vůči mechanickému napětí. Pod velkou deformací se v některých místech FCC struktura zhroutí a přemění do struktury, která se jmenuje martensit. Atomy v martensitu sedí ve struktuře, která je velmi podobná BCC, a je magnetická.

V praxi se tohle projeví u věcí jako lisované nerezové dřezy, hluboce tažené nádoby nebo ohýbané profily. Hlavní plocha takového dřezu zůstává austenitická a magnet ji ignoruje. Ale v rozích, kde byl materiál silně tvarovaný do ostrého ohybu, magnet někdy zachytí. V té oblasti se z austenitu stal martensit pod tlakem deformace.

Stejný jev může nastat při řezání, broušení nebo opracování za studena. Lokální deformace povrchu může drobnou vrstvu austenitu přeměnit na martensit. Není to vada materiálu. Je to fyzikálně-chemická reakce krystalové struktury na mechanické napětí.

Čtyři rodiny nerezů

Když pochopíme, co dělají chrom a nikl, dává smysl podívat se na hlavní rodiny nerezových ocelí. Každá má svou typickou krystalickou strukturu a podle ní i své typické vlastnosti.

Feritické nerezy mají BCC strukturu. Obsahují málo niklu nebo žádný, protože nikl by jim narušil stabilitu feritu. Magnet je drží. Jsou levnější, protože nikl je drahá surovina. Mají vyšší mez kluzu v dodávaném stavu, ale jsou méně tažné, takže se hůř ohýbají a hůř svařují. Korozně jsou dobré v běžných prostředích, ale méně odolné v agresivních. Typickým zástupcem je nerez 430, se kterou se setkáte ve spotřebičích, výfukových systémech a méně náročných aplikacích.

Austenitické nerezy mají FCC strukturu. Obsahují dostatek niklu, obvykle 8 % a víc, aby si zachovaly austenit při pokojové teplotě. Magnet je obvykle ignoruje, s výjimkou míst se silnou deformací. Jsou tažné, dobře se svařují a tvarují do složitých geometrií. Korozně jsou v běžných prostředích lepší než feritické. Jsou ale dražší. Nejznámější zástupci jsou typy 304 a 316, kterým se budeme věnovat ve čtvrtém článku téhle série.

Martenzitické nerezy mají BCC strukturu, ale s podstatně vyšším obsahem uhlíku. Tenhle vyšší uhlík umožňuje materiál kalit. Po rychlém ochlazení se z austenitu vytvoří martensit, zkreslená a velmi tvrdá struktura. Magnetické jsou. Používají se tam, kde je potřeba tvrdost a otěruvzdornost: nože, ložiska, lopatky turbín, chirurgické nástroje.

Duplexní nerezy kombinují obě struktury. Mají feriticko-austenitickou strukturu zhruba půl na půl. Jsou částečně magnetické. Kombinací BCC a FCC dosahují vyšší pevnosti než feritické i austenitické samostatně a mají vynikající korozní odolnost, zejména v chloridových prostředích. Používají se v bazénech, wellness centrech, chemickém průmyslu a přímořských stavbách. Jejich role bude ústřední v dalším článku.

Globální produkce nerezových ocelí je rozdělená přibližně takto: zhruba tři čtvrtiny výroby tvoří austenitické typy, asi pětinu feritické a martenzitické dohromady a duplexní nerezy jen malý zlomek. Austenitické dominují, protože jsou univerzální, dobře zpracovatelné a v běžných prostředích spolehlivé.

Závěr

Vlastnosti nerezových ocelí se nerodí v laboratorní recepturě, ale ve způsobu, jakým atomy sedí v krystalické mřížce. Pár procent niklu rozhodne o tom, jestli si materiál zachová FCC strukturu při pokojové teplotě. To rozhodne o tom, jestli si ho všimne magnet. A když pochopíme proč, dokážeme předpovědět nejen magnetismus, ale i pevnost, tažnost a do velké míry i korozní odolnost.

Jenže korozní odolnost je víc než jen krystalická struktura. V určitých prostředích selhávají i ty nejodolnější typy nerezových ocelí. V příštím článku téhle série se podíváme na konkrétní případ. Švýcarské městečko Uster, čtvrtek večer v květnu 1985, plavecký bazén plný lidí. Stropní podhled držely tyče z nerezi 304, vybrané právě pro vynikající korozní odolnost. Bohužel ne dost dobré pro prostředí, ve kterém pracovaly.

Magnet na ledničce není jen magnet. Je to nejjednodušší dostupný nástroj, kterým můžete strčit prst do krystalové mřížky uvnitř materiálu.