第一性原理计算揭示钢中非金属夹杂物性质及其对力学性能的影响

钢中非金属夹杂物性能的第一性原理计算

鞠丽英1,2、顾少鹏1、谭敏1、李涛1、孟茜1、杨志楠3

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210；2.华北理工大学机械工程学院，河北唐山063210；3.国家冷轧带钢装备与技术研究院燕山大学过程工程技术研究中心, 河北秦皇岛 066004)

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概括

利用第一性原理研究钢中非金属夹杂物的晶体结构性能、电子性能和力学性能，从微观角度评价非金属夹杂物的结构稳定性，以及非金属夹杂物对力学性能的影响钢铁的面貌被揭晓。法律。结果表明，分析的夹杂物中，TiN的结合能绝对值最大，结构最稳定，其次是SiO2和Al2O3； MnS、Cu2O、CuO和FeO的结合能绝对值较低，原子间化学键较弱，结构相对稳定。不稳定。能带结构分析表明，Al2O3、CaO、MgO、SiO2、AlN、MgAl2O4、Ca2SiO4、CaAl4O7为绝缘材料，Cu2O、CaS、MnS为半导体材料，FeO、CuO、FeS、TiN为导体材料。弹性性能计算结果表明，TiN的弹性模量和硬度值最大，分别为517.70 GPa和31.77 GPa，表明TiN夹杂物刚性高，抵抗变形或损伤的能力强，属于脆性夹杂物； Cu2O的弹性模量和硬度值最小，分别为25.06 GPa和0.24 GPa，为塑性夹杂物；复合非金属夹杂物CaAl4O7的弹性模量和硬度值分别为124.58 GPa和5.52 GPa。其塑性变形能力较差，属半塑性夹杂物。 G/B（体积模量与剪切模量之比）和泊松比结果表明，SiO2的G/B值偏离0.57最大，泊松比最小为0.02，表明夹杂物脆性严重。 Cu2O的最大泊松比为0.46。结合其弹性模量和硬度值可以看出其弹性性能良好。研究成果为钢中非金属夹杂物的合理控制提供理论依据和数据支撑。

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关键词

非金属夹杂物；晶体结构特性；电子特性；机械性能；第一原则

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介绍

钢铁材料以其高强度、耐磨、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于建筑、交通运输、机械制造、能源开采等各个领域。近年来，随着工业技术和人民生活水平的提高，对钢材性能的要求逐渐提高。合理控制钢中夹杂物可以有效提高钢材的性能。一般来说，夹杂物的产生会导致钢材的强度、塑性、疲劳性能和焊接性等问题降低，影响钢材的工程应用性能。但有些夹杂物在一定条件下可以对钢基体的力学性能起到积极的作用。因此，合理控制钢中夹杂物的含量和性能对于提高钢材的性能具有非常重要的作用。

目前，研究人员的工作主要集中在分析夹杂物类型、尺寸、数密度、成分等参数对钢性能的影响。弹性性能可以描述固体材料抵抗变形的能力，包括弹性模量、剪切模量、体积模量、泊松比等参数。刘铁牛等.分析了帘线钢热轧过程中夹杂物的变形能力及其影响因素，发现夹杂物的变形能力与其弹性模量和硬度成反比；为了改善夹杂物引起的帘线钢断丝率高的问题，应将帘线钢中夹杂物的生成控制在低弹性模量区域，即SiO2含量高、Al2O3含量极低的区域。李蓉等.通过第一性原理计算了高锰钢中主要夹杂物的形成焓，得到了夹杂物形成和稳定存在的顺序。然后他们预测了反应结果并优化了钢铁生产设计方案；他们通过计算弹性常数来分析夹杂物。根据塑性变形能力等物理参数发现，Al2O3和YAlO3夹杂物不易变形且硬度较高，是铁路辙叉钢失效的主要原因之一。孟谦通过第一性原理计算了解到，高锰钢经过稀土Y变质后，形成了YS、Y2O2S、Y2O3、MnS、Y2S3等夹杂物，具有较好的塑性变形能力、塑性和弹性，有效提高了钢的韧性。钢中夹杂物周围的应力集中降低了夹杂物导致钢中裂纹的风险。张继通过功函数计算从原子角度研究了钢中主要Ce夹杂物的耐腐蚀性能，分析了Ce对低镍不锈钢耐腐蚀性能的影响。结果表明，Ce的氧硫化物是最易腐蚀、硫化物次之的材料，Ce的氧化物的耐腐蚀性最强。赵曦等人在生物医学领域设计了新型医用钛合金和可降解镁合金。他们通过第一原理计算了合金元素的形成能、弹性模量、硬度、泊松比、各向异性和电子性能。发现高强度、低弹性模量的β相稳定元素，进而开发出具有良好生物相容性和生物力学适应性的临床植入材料。莫尔塔扎维 B 等人。通过第一性原理密度泛函理论计算了新材料的力学性能，揭示了石墨烯/硼苯酚材料共面异质结构的力学/失效响应的影响因素是其不同的晶格特性及其相应的力学性能，与材料的力学性能无关。界面处位错核的形式不会显着影响材料的极限拉伸强度。赵爽采用第一性原理计算方法，结合焊接工艺试验结果，计算了镁/钢焊接界面7种常见Al-Ni化合物模型的形成能、电子性能、力学性能和热力学性能，并指出了影响镁合金和钢焊接接头力学性能的主要原因是界面化合物的成分不同；当Al和Ni原子比为1:1时，Al-Ni化合物的形成能最小且最稳定。该化合物具有良好的塑性和韧性，易于成型，性能良好。焊接接头。

有学者通过实验方法测量了材料的弹性性能。刘金来等.采用冲击共振法测试了第一代单晶高温合金试样从室温到1100℃的弹性模量和剪切模量，并根据测试结果计算了高温合金的弹性常数。 。段阳等。从实验测量的角度比较分析了静态拉伸、动态共振、梁弯曲、超声波测量四种弹性模量测量方法的优缺点。他们指出，实验测量时标尺读数容易出现偏差，且测试过程中调整仪器耗时较长，测试结果容易受外界因素影响而产生相对误差。徐嘉丽等.改进了拉伸法测量弹性模量的装置，测量了钢丝的弹性模量。为了保证测量精度，有学者在所提出的测量弹性模量等物理量的测试方法的改进措施的基础上，通过第一性原理计算方法获得了材料的弹性模量值。蒋进新等人将理论计算与实验相结合，利用广义胡克定律计算了InP的弹性模量、泊松比和剪切模量，并通过维氏压痕试验计算了InP的硬度和断裂韧性。曲淼等人。通过第一性原理计算，研究了铝合金基体和常见夹杂物 Al2O3、MgO、AlN、TiB2、AlB2 和 Al4C3 的形成热、结合能、剪切模量、体积模量、弹性模量和硬度。和各向异性，探讨它们对铝合金强度、刚度和加工性能的影响。为了进一步研究钢中夹杂物的力学性能和电子性能，研究人员开展了基于第一性原理分析钢中夹杂物性能的工作。

刘X等。运用热力学计算、金相检验和第一性原理计算研究了纯净钢中添加Ce后Ce-OS-Al夹杂物的演化过程，分析了Ce2O3、Ce2O2S和CeAlO 3 夹杂物的硬度、韧性、脆性、热性能等。将TiN-Al2TiO5-Ce2O3和TiN-Al2TiO5-Ce2O2S复合夹杂物的膨胀等性能与铁的性能进行了比较 矩阵。马焕南基于密度泛函理论的VASP软件，对WBC三元系、YB2C和硬质稀土氧硫化物的结构、电子和力学性能进行了系统研究，进而寻找高强度、高强度的材料。硬度;通过电子局域密度布局和能带结构图，评价了材料的金属性能，并将硬质稀土氧硫化物的主要力学性能与钢中原始夹杂物进行了比较。结果表明，稀土元素可以有效地减少甚至避免钢中热应力的影响。裂纹缺陷，改善钢材的性能。刘浩等人。基于第一性原理讨论了钢中一些非金属夹杂物 Al2O3、MgO、CaO、TiN、MnS 和 CaS 的结构性能（如形成能和结合能）和电子性能（如能带、密度和功能） 。函数）、力学性能（如弹性模量、泊松比和维氏硬度）对钢的力学性能和腐蚀性能的影响，但钢中夹杂物对尖晶石、硅酸盐、聚铝酸盐非金属影响的研究缺乏。

张静等.总结了钢中TiN、TiC、Al2O3等夹杂物引起的腐蚀、异质形核、力学性能、表面能、电子逸出功、界面能、粘附功等性能参数的意义和计算。该公式为后续钢中夹杂物控制研究提供了一定的理论依据。综上所述，夹杂物的结构、电子、力学等特征性能对钢的工程性能极为重要。第一性原理计算方法可以较好地获得钢中夹杂物的各种性能参数，为合理控制提供依据。为研究钢中夹杂物、提高钢的使用寿命提供了重要的理论依据。但目前的研究中，缺乏钢中非金属夹杂物晶体结构完整体系的结构性能、电子性能、力学性能等参数的数据，仍需进行系统研究。

作者首先对钢中夹杂物进行了系统分类，然后选取各类别常见非金属夹杂物的晶体结构模型作为代表，应用第一性原理数值模拟计算系统探索夹杂物的晶体结构稳定性和电子性质在钢中。性能和力学性能（弹性模量、泊松比、各向异性因子、硬度），进而评价夹杂物的基本性能，揭示钢中和钢基体中不同夹杂物的性能差异及其对钢性能的影响，为优化钢材力学性能、提高钢材质量提供了重要的实践指导。

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精选图表

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综上所述

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算，从微观角度优化钢中非金属夹杂物的晶体结构，研究夹杂物的结合能、能带结构、电荷密度和弹性性能，得到主要结论如下：

1）结合能计算结果表明，TiN夹杂物的结合能绝对值最大，为7.71 eV，结构最稳定； MnS夹杂物的结合能绝对值最小，为3.38eV，最不稳定，容易被其他元素改变或溶解。夹杂物结构的稳定性依次为：TiN>SiO2>Al2O3>CaAl4O7>Ca2SiO4>MgAl2O4>AlN>CaO>MgO>FeS>CaS>FeO>CuO>Cu2O>MnS。

2）能带结构计算结果表明，Al2O3、CaO、MgO、SiO2、AlN、MgAl2O4、Ca2SiO4、CaAl4O7夹杂物属于绝缘体材料，其中，除Ca2SiO4夹杂物为间接带隙外，其他夹杂物具有直接带隙； CaS、Cu2O 和 MnS 夹杂物是半导体材料。其中MnS夹杂物具有磁性，能带间无明显带隙； FeO、CuO、FeS 和 TiN 夹杂物 用于导电材料。

3）力学性能计算结果表明，TiN夹杂物的体积模量、剪切模量、弹性模量和维氏硬度最高，分别为276.38、217.92、517.70和31.77 GPa； TiN、MgO和Al2O3夹杂物的含量最高。模量、剪切模量、弹性模量和维氏硬度较大，分别为31.77、21.27、19.05。 GPa，对钢材的强度、硬度、加工性能有很大影响； Cu2O夹杂物的维氏硬度最小，为0.24 GPa。 G/B值和泊松比结果表明，SiO2夹杂物不利于钢的韧性性能，其弹性性能小于钢基体的弹性性能。 FeS夹杂物的各向异性因子偏离1最多，各向异性程度最大。

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引用这篇文章

鞠丽英、顾少鹏、谭敏、李涛、孟茜、杨志楠。钢中非金属夹杂物性能的第一性原理计算[J]．中国冶金工业, 2024, 34(2): 69-82.鞠丽英，顾绍鹏，谭敏，李涛，孟谦，杨志楠。钢中非金属夹杂物性能的第一性原理计算[J].中国冶金工业, 2024, 34(2): 69-82.

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