磁性的本质，不锈钢螺丝的磁性

为什么(304 316)不锈钢中大部分的元素是铁，却表现出非磁性？而制作成螺丝却又有弱磁？」

那问题来了。铁能被磁铁吸得死死的，304 里大部分也是铁，为什么磁铁吸不住？吸不住的是不是买到了假货？做成螺丝怎么又吸得住了？

先说结论：能不能被磁铁吸，不看含不含铁，看两件事 —— 一是原子里有没有「落单」的电子，二是这些磁矩能不能自发排成一队。两件都成立，才会显出铁磁性、被磁铁吸住。缺一件都不行。

第一件事：磁从哪来

磁性的本质是电子自旋。电子自旋产生磁矩，你可以把磁矩想成一根根极小的小磁针。

但是，一堆小磁针凑在一起，宏观上不一定是累加，也可能是互相抵消。关键在于原子结构里是否存在未成对的电子。

有些元素的电子层是填满的，电子成对出现，一个自旋方向向上、一个向下，两根小磁针正好顶掉，只剩极弱的抗磁性，磁铁当然吸不住；过渡金属、镧系那一大片 d、f 层填不满，才有落单的电子。

铁就不是这样。铁原子有 26 个电子，3d 那一层没填满，留下几个自旋没配对的电子 —— 不锈钢螺丝「磁性」章节给的比方很妙，一个班上本来大家都是男生女生一对对的，边上却多了几个光棍。至于到底几个，孤立铁原子按洪特规则算、金属里按有效磁矩算，得数不一样，别死记数。要紧的是后半句：铁里这些磁矩不用外磁场帮，靠相邻原子间的交换作用就自发排成一队（先在一个个磁畴里排齐），这叫铁磁性，磁铁才吸得住；外磁场来的时候，只是把原本方向杂乱的磁畴拨到同一方向。只有加了外磁场才勉强排队、磁场一撤就散的，那叫顺磁性，弱得多。

单质里能自发排队的没几个，就是铁、钴、镍，还有得冷到 20℃ 以下才显磁性的钆 —— 下面那张周期表里绿色那几格。

绿色那几格就是铁、钴、镍、钆，格子底下的数字是各自的居里温度（开尔文），铁的 1043 K 换算过来是 770℃；黄色那几格是自旋反着排的元素，底下数字是各自的磁有序温度。点开看大图，不用背。

所以第一个必要条件写下来就是：原子具有未成对的电子。有落单的，才有得谈 —— 但这只是入场券，能不能被磁铁吸住还得看第二件事。

第二件事：有了落单电子，还得看怎么排队

光有未成对电子，还不够。第二个必要条件是：相邻原子的磁矩能不能靠交换作用自发排齐，形成铁磁性。晶体结构会通过原子间距、电子结构影响这件事，但「哪种结构就一定有磁／无磁」这种一刀切是不成立的。

常见的金属晶体结构分三种。别被名字吓到，你可以把它们当成三种座位表：原子坐在哪些位置上。先看个热闹，别急着用它判磁性。

1，面心立方结构（FCC）。金属原子位于立方晶胞的每个顶点和每个面的中心，金、银、铜是这一类，每个原子周围最近邻有 12 个原子（不是六个）。它们不显铁磁性，是因为这些元素里没有能自发排齐的磁矩，不是因为「FCC 对称、磁矩内耗」。反例摆在那儿：镍也是 FCC，照样能被磁铁吸；304、316 的奥氏体也是 FCC，却只是顺磁性；钴是 HCP 反而铁磁，钆是 HCP 但得冷到 20℃ 以下才显；钠、钼是 BCC，一点不吸。所以结构只是搭台子，唱戏的是有没有未成对电子、自旋能不能自发排齐。这句是伏笔，后面讲弱磁还要用。

FCC 大概长这样。三张动画并排转着，看一眼原子坐在哪儿就行；不想看可以跳过，不影响往下读。

2，体心立方结构（BCC）。立方晶胞的每个顶点之外，正中心还有一个原子，常温纯铁、钠是这一类，最近邻是 8 个。顶点和体心在晶体学上是等价的，这个结构并不「不对称」；铁吸得住，是因为它的 3d 电子能自发排齐，钠就吸不住。

BCC 是晶胞正中间多一个原子，常温纯铁是这一类，三张也是并排转着。

3，密排六方结构（HCP）。金属原子按六边形一层层密排，钛、镁是这一类，最近邻同样是 12 个。它和 FCC 都是密排，但立方晶系的 FCC 对称性还更高些。这一节只用来认结构，别拿三个字母判磁性。

HCP 是六边形一层层密排，只用来认个结构，看一眼就行。

把三条放一起：晶体结构会影响磁性，但给不出「FCC、HCP 无磁，BCC 有磁」这种通行结论 —— 上面那串反例就是证据。

三种记不住也没关系，你只要记住：磁铁吸不吸，看的是磁矩能不能自发排齐，不是座位表整不整齐。我也是醉了，早先我也以为一张座位表就能定生死，结果反例一抓一把。

加个温度：纯铁和 304 从这里分道扬镳

还是以纯铁为例。常温下纯铁是 BCC，而且是铁磁性的。先升到 770℃（居里点），自旋排的队散了，铁失去铁磁性、只剩顺磁性，可这时候晶体结构一点没动，还是 BCC。再升到 912℃ 才轮到相变：BCC 转成 FCC，FCC 的铁习惯上叫奥氏体（γ-Fe）；912~1394℃ 这一段也只是顺磁。再往上到 1394℃ 又转回 BCC（δ-Fe），1538℃ 熔化（早先那个熔点是记错了）。顺带说清定义：严格讲奥氏体是碳溶于 γ-Fe 的间隙固溶体，纯 γ-Fe 只是习惯上这么叫。

反过来降温：过 912℃ 变回 BCC，再过 770℃ 才重新有铁磁性。「失磁」和「换结构」是两码事，别搅在一起。

但是，注意我要说但是了。如果在铁中加入一定比例的镍和铬（就好比 304 或 316 那样的成分比例），主要是镍把高温那一相稳住了，再降到 912℃ 以下，神奇的一幕出现了：它的结构仍然保持 FCC，并没有变回 BCC；继续降到常温，结构仍然没有变化。

它在常温下被称作奥氏体，就是这么来的。至于磁铁基本吸不住，是因为这个奥氏体相本身只是顺磁性、磁化率极低；不是因为「FCC」那三个字母 —— 前面说过，镍也是 FCC，照样吸得住。

（PS，一个有趣的现象：这室温奥氏体是亚稳态，低温或冷加工都能让一部分转成 α′-马氏体 —— 体心四方，不是「回到 BCC」，它是铁磁性的，一转就明显带磁。别以为非得 -200℃：304 在室温冷加工就够容易转，316 镍多、稳得多。日常说「304 没有磁性」，虽不严谨但也合情。）

如上内容基于 不锈钢螺丝「磁性」章节，顺便说一句，想查牌号和化学成分的，站里有 不锈钢的牌号与化学成分标准 和 不锈钢、耐热钢牌号的物理性能参数 两篇，一个是成分，一个是性能，别翻错。

那螺丝为什么又有弱磁

回到最开始那个问题。以上说的是 304、316 等奥氏体不锈钢在常温下磁铁基本吸不住的原因，那用磁铁去吸附不锈钢螺丝，为什么又有弱磁性？

答案在那段伏笔里：形变诱发出 α′-马氏体，马氏体是铁磁性的。注意不是「对称性被破坏就带磁」，是相变了。

冷镦把线材硬挤成一颗螺丝，搓丝、切削也算，这么一挤，一部分奥氏体被挤成 α′-马氏体（体心四方，铁磁性），这叫形变诱发马氏体，于是产生一定磁性 —— 尽管在宏观上很弱。不必等到 -200℃，室温冷镦这一下就够了；304 尤其容易，316 镍更多、奥氏体更稳，弱得多。焊缝、铸件里残留的少量铁素体也会带磁，同一回事。

关键是后面这句：变的只是组织（相），化学成分并没有发生变化，它仍然属于 304 或 316。所以，不能凭磁性判定某种材料是不是不锈钢。

我知道你会想，拿磁铁验货多省事。省事是省事，但是这个判据两头都不成立：吸不住，不能证明它就是 304 或 316（别的牌号、别的材料也能做到不吸）；吸得住，也不能证明它不是 304 或 316（冷镦刚给它挤出了弱磁）。一句话，磁铁只能告诉你这块东西此刻显不显磁性，告诉不了你它是什么材质。

材质的事，建议还是回到化学成分和材质证明上，具体以你实际验证为准。

几点说明

1，「304 没有磁性」到底能不能这么说？能，但要带条件：常温、完全固溶（退火）状态、没被冷镦之类的工艺改过组织。不锈钢螺丝「磁性」章节自己就说了，平常说说可以、写进检验规范不行。你要是拿这句话去写检验规范，我劝你别，规范里得把条件写清楚 —— 真要卡磁性，得规定磁导率上限，不是拿块磁铁晃一下。

2，加热能把螺丝的磁性去掉吗？这个我不敢顺着猜。站里热处理那节提过固溶处理能消磁 —— 让形变马氏体转回奥氏体，但那是工艺，会连带提高塑性和韧性、明显降低抗拉强度与表面硬度，不是拿家伙烤一烤的事。真要做，请自行找热处理厂商确认，具体以你实际验证为准。

3，为什么这篇不讲磁铁是怎么造出来的、不讲电磁？因为不锈钢螺丝「磁性」章节没讲，我也不打算硬凑。再往下的部分，我不懂，不能解答你。汗~

4，看完还是分不清奥氏体、马氏体怎么办？我的建议是先别背名词，先看两件事：有没有未成对的电子，以及这些磁矩能不能自发排齐。名词是给这两件事起的名字，顺序反了就容易记串。

例外与边界

1，早先那句「FCC、HCP 无磁，BCC 有磁」已经作废：镍、钴、钠这几个反例摆着，晶体结构不是判据。真正让冷镦件带磁的，是形变诱发的 α′-马氏体。

2，「没有磁性」说的是宏观上不显铁磁性，或者弱到不容易察觉，不是绝对意义上的零 —— 奥氏体本身是顺磁性，焊缝铁素体、形变马氏体还会添一点。不锈钢螺丝「磁性」章节后面自己用的就是「弱磁」两个字。

3，纯 γ-Fe 在 912~1394℃ 叫奥氏体，是便于理解的说法；严格按定义，奥氏体是碳溶于 γ-Fe 的间隙固溶体。

4，HCP 那一节只用来认结构，别拿它判不锈钢有没有磁。

5，这篇没有引任何标准号，属于原理分享，不是验收依据。这里连建议值都只有一条：别拿磁铁判材质。

~~