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【新刊速览】​张静：​​第一性原理计算方法在钢中夹杂物研究中的应用

时间：2023-08-29 来源： 浏览：

【新刊速览】​张静：​​第一性原理计算方法在钢中夹杂物研究中的应用

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第一性原理计算方法在钢中夹杂物研究中的应用
张静 1 ,刘瀚泽 1 ,张世锟 1 ,任强 2 ,张立峰 3
(1. 燕山大学车辆与能源学院， 河北 秦皇岛 066004；2. 燕山大学机械工程学院， 河北 秦皇岛 066004； 3. 北方工业大学机械与材料工程学院， 北京 100144)  

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摘 要  

钢中夹杂物控制对提高钢的性能十分重要，第一性原理计算方法可以从微观角度解释并预测钢中夹杂物生成机理，并解释其结构与性能的关系，现已开始在钢中夹杂物性质研究中应用。综述了第一性原理计算方法在钢中夹杂物控制研究中的应用，包括钢中夹杂物诱导腐蚀、异质形核和力学性能等性质，总结了表面能、电子功函数、界面能、黏附功以及体积模量等性质参数的意义及计算公式，对比了其与钢基体之间的性质差异。采用第一性原理计算方法研究钢中夹杂物性质，可为钢中夹杂物控制提供一定的理论基础。

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关 键 词  

第一性原理计算； 钢中夹杂物； 电子功函数； 异质形核； 力学性能

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引 言 

钢中夹杂物是影响钢材性能、产品质量、疲劳性能的一个重要因素。钢材使用过程中，一些夹杂物能引起钢材的局部腐蚀和力学性能变化。钢中夹杂物可根据化学成分、变形性能等分成不同类型:按照化学成分可分为简单氧化物，如SiO2、Al2O3、LaAlO3等；复杂氧化物，如尖晶石(Al2O3·MgO)、钙的铝酸盐(xCaO·yAl2O3)等；硫化物,如CaS、MnS及其复合硫化物。按照形变性能可分为：塑性夹杂物，如MnS及SiO2等热加工过程中容易变形的夹杂物；脆性夹杂物，如Al2O3等加工过程不变形而发生破碎的夹杂物。这些不同类型的夹杂物影响钢性能的原因与其成分、力学性质、热力学性质等息息相关。不同类型夹杂物对钢的性能影响不同，而夹杂物之间、金属与夹杂物之间的界面形成也会影响钢的性质。界面性质的研究为探讨氧化物冶金中的异质形核过程提供了依据，异质形核大量存在于异种金属焊接、双金属铸造、热喷涂和涂层的工程结构中，可以有效地提高钢的服役效率和稳定性。
研究者在夹杂物控制方面做了很多工作，如添加稀土元素改性夹杂物，改变夹杂物尺寸、数密度、成分；改变脱氧方式，减少氧化夹杂物的形成；在炼钢工艺中进行优化等。目前对夹杂物控制的研究大多集中在试验层面，而对微观层面的理论研究相对较少，将试验研究与微观性质结合起来将有助于了解钢中夹杂物形成机理及其对铸坯质量的影响。近年来，随着超级计算机技术的发展，基于量子力学的第一性原理计算广泛应用于材料领域，其在钢中夹杂物控制领域中的分析应用也开始进行，成为钢中夹杂物界面性质研究的方法之一。采用第一性原理计算方法对界面性质的计算主要集中在表面能、原子结合能、吸附能、界面能、黏附功等相关参数。具体思路包括：选定合适赝势，对夹杂物进行结构优化；选定夹杂物表面结构，确定表面厚度与吸附材料；筛选最稳定生长方式，计算不同生长厚度下的界面性质，包括黏附功、界面能、电子结构，从而研究相关夹杂物的生长机理。
本文总结了采用第一性原理研究钢中常见夹杂物性质的计算方法，汇总了文献中表面能、功函数、界面能等数据，从腐蚀、异质形核及力学性能的应用角度，分析了钢中夹杂物晶体结构与宏观性能之间的内在规律，可为试验提供一定的理论依据与指导。

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精 选 图 表  

    

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结论与展望

使用第一性原理计算钢中夹杂物性质，可以有效从微观角度解释钢中夹杂物生成的机理。本文总结了采用第一性原理研究钢中夹杂物的性质参数以及计算方法，得出以下结论：
1)在钢中夹杂物诱导腐蚀应用中，发生诱导腐蚀的原因是夹杂物势差不同。应用势差理论，通过第一性原理计算功函数可筛选出更易诱导腐蚀的夹杂物，从而研究夹杂物诱导腐蚀的机理，进而对易引起腐蚀的夹杂物进行控制。
2)在夹杂物间的异质形核研究中，晶面错配度是评判异质形核能力的基本参数，界面能与黏附功是评判夹杂物形核阻力大小的重要指标。通过第一性原理计算可比较不同夹杂物类型及不同生长方式下的界面能与成键强弱，进而研究夹杂物形核机理。
3)在钢中夹杂物力学性能方面，通过第一性原理计算夹杂物体积模量、剪切模量和弹性模量等力学性能参数可反映钢中夹杂物的力学稳定性，与钢基体比较可研究夹杂物对钢力学性能影响，进而控制夹杂物的生成，提高钢的强度、延展性和硬度。
钢中夹杂物作为钢铁冶金中重要研究对象，微观性质可通过第一性原理计算功函数、表面能、力学性能等参数进行分析，对于解释钢中夹杂物形成机理、合金元素改性夹杂物的成分设计及夹杂物析出和稳定性控制等具有广泛应用前景。计算结果可为试验分析提供一定的理论指导。

来源：《中国冶金》2023年第8期

END

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