基于分子动力学模拟的Fe-Si熔体高温粘度及结构研究

《Journal of Materials Research and Technology》：High-temperature viscosity and structure studies of Fe-Si melts based on molecular dynamics simulation

Fe-xSi合金熔体粘度与原子结构关联性研究：采用分子动力学模拟分析1873K下Fe-xSi（x=0,1.5,3.0,4.5,6.5wt.%）合金的粘度变化规律，发现硅含量升高导致熔体粘度单调降低（5.71→5.09mPa·s），并揭示原子配位数（CN）、Voronoi多面体结构、集群行为及自由体积变化是粘度降低的关键机制。

　　硅钢作为一种重要的软磁材料，在电气、电力和电信行业广泛用于制造发电机、电动机、变压器、互感器、继电器等电气设备。近年来，硅钢因其高磁导率、低矫顽力、高电阻率和出色的常温延展性而受到广泛关注，并迅速发展。这种材料的改进推动了机器人、航空航天和新能源汽车等行业中电机制造技术的进步。然而，硅钢熔体的高粘度和较差的流动性，以及其对铜辊的润湿性不佳，导致熔体在喷出后难以粘附于辊上进行冷却，从而影响硅钢带的成形性和表面质量。因此，深入理解硅钢熔体的微观结构对于揭示其粘度变化规律至关重要。

硅钢熔体的粘度与其微观结构密切相关，而微观结构的变化是决定其宏观性能的根本原因。在实际生产中，硅钢通常含有不超过7%的硅元素。虽然增加硅含量可以提升磁导率、改善磁性能并减少能量损耗，但过高的硅含量会促进形成有序相如B2（FeSi）和D03（Fe3Si）。这些有序相会导致材料在传统轧制过程中发生严重的脆化，使其在轻微变形下就可能出现裂纹或断裂，从而限制了硅钢超薄带的大规模生产。为了解决这一问题，平面流铸造技术应运而生，该技术跳过了传统的多次轧制工艺，可以直接生产出超薄硅钢带，这符合绿色钢铁制造行业的发展趋势。

然而，硅钢熔体的高粘度和较差的流动性仍然是其应用过程中面临的主要挑战之一。粘度的变化不仅与成分有关，还受到温度、结构变化等因素的影响。为了更深入地研究硅钢熔体的结构与粘度之间的关系，本文采用分子动力学（MD）方法，对Fe-xSi（x=0, 1.5, 3.0, 4.5, 6.5 wt.%）合金在1873K下的粘度、微观结构和自扩散系数进行了系统研究。MD方法作为一种有效的计算工具，能够模拟高温材料的微观结构和性能，为预测金属熔体的结构和热物理性质提供了可能性。

在MD模拟中，本文采用了第二近邻修正嵌入原子法（2NN-MEAM）作为Fe-Si原子间的相互作用势。该势函数能够准确再现硅和铁的势能、平衡晶格常数以及单晶结构，并考虑了原子间的角度依赖性。通过MD模拟，研究人员能够获得熔体的微观结构信息，如径向分布函数（RDF）、配位数（CN）、化学短程有序（CSRO）参数、Voronoi多面体、簇行为和均方位移（MSD）等。这些参数能够帮助揭示熔体的结构特征及其对粘度的影响机制。

模拟结果显示，随着硅含量的增加，硅钢熔体的粘度呈现出单调下降的趋势，从5.71 mPa·s降至5.09 mPa·s。进一步分析表明，硅与铁原子之间的强相互作用导致了中等尺寸的簇结构分解，并形成了更小的原子簇。这一变化使得配位数降低，簇的总数和尺寸减少，同时自由体积比例增加。因此，熔体内部的原子扩散能力增强，整体结构的有序程度下降，从而导致粘度的降低。这些发现不仅加深了对液态合金结构与传输性能之间关系的理解，还为改进硅钢带的平面流铸造工艺提供了理论指导。

在结构参数方面，RDF曲线显示，随着硅含量的增加，第一峰的高度逐渐降低，表明原子间的结合概率减少。Fe-Fe原子对的配位数（CN）基本保持稳定，而Fe-Si和Si-Si原子对的CN则呈现出一定的变化趋势。Fe-Si原子对的CN随着硅含量的增加而略微上升，表明硅原子逐渐参与Fe原子的配位，同时Si-Si原子对的CN下降，显示硅原子之间相互排斥，难以形成直接的结合。此外，CSRO参数分析表明，Fe-Si原子对表现出较强的相互吸引，而Si-Si原子对则显示出相互排斥的趋势，进一步验证了液态Fe-Si合金的非理想溶液特性。

Voronoi多面体分析揭示了Fe-Si合金熔体中局部原子结构的显著差异。随着硅含量的增加，以Fe为中心的多面体结构数量减少，而以Si为中心的多面体结构则有所变化。这些结构的变化反映了熔体中局部环境的改变，进而影响了粘度。此外，簇行为分析表明，硅的加入导致中等尺寸的Fe-Fe簇分解为更小的原子簇，从而增加了自由体积，提高了原子的扩散能力。这些结构变化不仅改变了熔体的微观特征，还对宏观粘度产生了重要影响。

在动态性质方面，MSD曲线和自扩散系数的计算表明，随着硅含量的增加，Fe和Si原子的扩散能力发生变化。在低硅含量下，Si原子被Fe原子包围，其扩散能力受到限制，导致粘度的下降速度较慢。当硅含量超过3.0%后，Fe-Si小原子簇和分离的Fe-Fe微小簇逐渐形成，增加了Fe和Si原子的移动空间，从而显著提高了扩散能力，导致粘度的快速下降。这些结果表明，粘度的变化可以分为两个阶段：在3.0%硅含量以下，粘度的下降主要依赖于簇密度的降低；而在3.0%硅含量以上，粘度的下降则主要归因于自由体积的增加。

综上所述，本文通过分子动力学方法，系统研究了Fe-Si合金熔体的微观结构与粘度之间的关系。研究结果表明，硅含量的增加会显著改变熔体的局部结构，导致中等尺寸的簇分解为更小的原子簇，从而增加自由体积并促进原子扩散。这些结构变化是粘度降低的主要原因。此外，研究还揭示了Fe-Si合金熔体中不同原子对之间的相互作用差异，以及这些差异如何影响粘度的变化趋势。这些发现不仅有助于理解硅钢熔体的微观结构特征，还为优化其铸造工艺和提升材料性能提供了理论依据。