脆性难加工高硅钢中有序结构转变机制及韧化方法

High silicon steel, especially Fe-6.5wt.% Si alloy exhibits very excellent soft magnetic properties. However its severe room temperature brittleness hinders its industrial fabrication and application. The various and complex ordering structures are responsible for its brittleness, and the types and configurations of ordered structures are dominant to the mechanical and magnetic behaviors of this material. In this project, all kinds of ordered structures and their transformation criteria are investigated by experimental methods and first-principles calculations. Stability and transformation of ordered structures, including B2, D03 and other potential ordered structures are investigated systematically in terms of thermodynamics. The essence of ductility and magnetic properties governed by ordering transformation are revealed by bonding analysis, elastic constants, magnetic moment, etc. Mechanism of ordering controlling is interpreted from the perspective of microalloying, cooling method, plastic deformation, etc. Finally the method and principle for controlling the ordering transformation is provided to improve the ductility and magnetic properties of high silicon steel. Due to the innovation in experimental method, e.g. synchrotron radiation, and introduction of theoretical calculations, e.g. first-principles calculations, innovative results are expected in this project.

高硅钢，特别是含硅6.5wt.%的高硅钢具有十分优异的软磁性能，然而严重的室温脆性影响其生产应用。复杂多变的有序结构是其脆性的主要来源，有序结构的存在类型及形态是影响该合金力学性能以及磁性能的关键。本项目拟以该合金中存在的各种有序结构为研究对象，通过研究有序结构的存在类型及转变机制，阐述有序结构对高硅钢塑性及磁性能的影响规律及物理本质。项目拟以实验研究和第一原理理论计算相结合的办法，系统研究B2、D03以及可能存在的其它有序结构的热力学稳定性及其结构转变关系，从原子键合、弹性常数、磁矩大小等方面揭示有序转变对塑性及磁性能影响的物理本质；从微合金化、冷却方式、塑性变形等实验手段，揭示有序度降低与恢复的控制方法及其对塑性及磁性能的影响规律，得出高硅钢的韧化方法，为高硅钢塑性改善及磁性能改进提供理论依据。项目通过实验手段的创新（同步辐射）以及第一原理计算的引入，预期做出创新性成果。

项目以Fe-6.5wt.%Si高硅钢中存在的各种有序结构为研究对象，通过实验和第一原理理论计算相结合的办法，系统研究B2、D03以及可能存在的其它有序结构的热力学稳定性及其结构转变关系，阐明了有序结构对力学和磁性能的影响规律。. 通过第一原理计算结合声子谱和德拜模型计算方法，从热力学角度验证了该合金中Fe14Si2和Fe15Si结构存在的可能性，同时揭示了Fe14Si2以三种结构存在。在0K下，Fe15Si能量比基态能量更低，Fe15Si在0K下可以稳定存在。Fe14Si2与基态能量大致相等，因此在0K下也可以稳定存在，并且随着温度的升高，其与基态能量差值变化不大。. 通过研究有序结构的存在类型及转变机制，发现有序结构D03的存在会严重恶化高硅钢的室温塑性。将无序化后的Fe-6.5wt%Si合金分别在不同相区（B2和D03相区）保温不同时间，可分别获得不同的有序相含量。在B2相区保温，流变应力没有明显的规律性，合金的显微硬度值基本保持稳定，均表现出良好的塑性。而在D03相区保温，显微硬度与流变应力在1h以内，随时间的延长呈上升趋势，超过1h之后，基本保持稳定，而且合金的塑性随着有序化时间的延长逐渐变差，且均为脆性解理断裂。. 快速冷却的方法可抑制B2和D03结构的生成，大幅提高高硅钢室温塑性。快速凝固原始态薄带的晶粒主要呈现出沿带厚度方向的柱状晶，且在贴辊面的部分区域存在细晶区。沿板面方向的晶粒尺寸在2~5μm范围内，且晶粒基本贯穿整个厚度。快速凝固原始态由于晶粒细小，以及极快冷速对有序相的抑制作用，其在室温下表现出良好的力学性能，室温屈服强度为610MPa、延伸率达到1.5%。高温退火后还具备一定的韧塑性，可为该合金薄带的二次加工提供保障。