فولادهای ضد زنگ الیاژهای مبتنی بر اهن هستند که عمدتا برای مقاومت در برابر خوردگی بسیار عالی شناخته شده اند که عمدتا به دلیل غلظت کروم فولاد است. انواع مختلفی از فولاد ضد زنگ وجود دارد. دو نوع اصلی استنیتی و فریتی هستند که هر کدام ارایش اتمی متفاوتی را نشان می دهند.

با توجه به این تفاوت، فولادهای ضد زنگ فریتی به طور کلی مغناطیسی هستند در حالی که فولادهای ضد زنگ استنیتی معمولا نیستند. فولاد ضد زنگ فریتی مغناطیس خود را مدیون دو عامل هستند: غلظت بالای اهن و ساختار مولکولی آن.

اتم های فلزی در یک فولاد ضد زنگ استنیتی بر روی یک شبکه مکعبی صورت محور (fcc) مرتب شده اند. سلول واحد کریستال FCC شامل یک مکعب با یک اتم در هر یک از هشت گوشه مکعب و یک اتم در مرکز هر یک از شش چهره است. با این حال، الیاژ فولاد ضد زنگ با عناصری مانند نیکل، منگنز، کربن و نیتروژن احتمال اینکه الیاژ دارای ساختار کریستال FCC در دمای اتاق باشد را افزایش می دهد. کروم، مولیبدن و سیلیکون احتمال بیشتری دارد که الیاژ ساختار کریستالی BCC را در دمای اتاق تشکیل دهد

محبوب ترین فولاد ضد زنگ نوع 304 است که حاوی حدود 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل است. در دمای اتاق، ساختار کریستالی پایدار فولاد ضد زنگ 304  از نظر ترمودینامیکیBCC  است؛ با این وجود، غلظت نیکل الیاژ، و همچنین مقادیر کمی از منگنز (حدود 1 درصد)، کربن (کمتر از 0.08 درصد) و نیتروژن (حدود 0.06 درصد)، ساختار FCC  را به وجود آورده و در نتیجه الیاژ غیر مغناطیسی است.

اگر الیاژ به صورت مکانیکی تغییر شکل داده شود، یعنی خم شدن در دمای اتاق، تا حدی به فاز فریتی تبدیل می شود و تا حدی مغناطیسی یا فرومغناطیسی خواهد بود.

فولادهای ضد زنگ فریتی محبوب الیاژهای دوتایی اهن کروم با 13 تا 18 درصد کروم هستند. این الیاژها در دمای اتاق فرومغناطیس هستند. مانند تمام الیاژهای فرومغناطیسی، هنگامی که تا دمای کافی بالا گرم می شوند - دمای کوری انها - فولادهای ضد زنگ فریتی، فرومغناطیس خود را از دست می دهند و پارامغناطیسی می شوند - به این معنی که انها میدان مغناطیسی خود را حفظ نمی کنند اما همچنان به میدان های خارجی جذب می شوند.

یک تکه فولاد ضد زنگ فریتی معمولا بدون مغناطیس است. با این حال، هنگامی که در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، مغناطیسی می شود و هنگامی که این میدان مغناطیسی اعمال می شود، فولاد تا حدودی مغناطیسی باقی می ماند. این رفتار نتیجه ریزساختار فولاد است. به طور خاص، فولاد فریتی در حالت طبیعی خود شامل مناطق کوچکی به نام حوزه های مغناطیسی است که به طور کامل مغناطیسی هستند، اما به طور کلی جهت مغناطیس در هر دامنه متفاوت است. در نتیجه، مجموع کل تمام دامنه ها به قطعه یک گشتاور مغناطیسی صفر می دهد. یک میدان مغناطیسی خارجی این حوزه های مغناطیسی را هدایت می کند. بسته به فولاد و میدان اعمال شده، جهت گیری با ترکیبی از رشد انتخابی یا کوچک شدن دامنه های خاص و چرخش مغناطیس در حوزه ها به دست می اید.

 اگر میدان اعمال شده به اندازه کافی قوی باشد، فولاد بخش قابل توجهی از مغناطیس خود را حفظ خواهد کرد. تا زمانی که فولاد دارای تعداد کافی از نقص های ساختاری باشد، باعث جلوگیری دامنه ها از چرخش، رشد یا کوچک شدن شده و خاصیت مغناطیسی پایدار باقی می ماند.

اساسا، دلایلی که فولادهای ضد زنگ فریتی فرومغناطیسی هستند در حالی که فولادهای ضد زنگ استنیتی نیستند، طبیعت مکانیک کوانتومی آنها است. کافی است بگوییم که یک فلز فرومغناطیسی از اتم هایی تشکیل شده است که هسته داخلی الکترونی آنها ناقص بوده و یک ساختار کریستالی دارند که منجر به چگالی بالایی از ترازهای الکترونی در باندهای انرژی تشکیل شده از هسته داخلی اتمی ناقص می شود. این ساختارهای ناقص دارای فاصله اتمی می باشند که اجازه می دهد تا اثرات مبادله بین الکترون ها در باندهای انرژی مرتبط با سطح ناقص هسته داخلی انجام شود. حال اگر فاصله اتمی در ساختار خیلی زیاد باشد انرژی ایجاد شده از تغییر تراز الکترونی کوچک بوده و عملا امکان تاثیر روی دامنه های مغناطیسی را نداشته و در نتیجه فلز فرو مگنت نمی شود.

منبع :

https://www.scientificamerican.com/article/why-dont-magnets-work-on/