基于第一性原理的洞察以及实验验证：FeSi合金的机械强度与磁矩增强效应

《Journal of Alloys and Compounds》：First-Principles Insights and Experimental Validation of Both Mechanical Strength and Magnetic Moment Enhancement in FeSi Alloys

通过第一性原理计算和实验验证，揭示了Al、Mn、Ni、Cu等元素对非晶硅钢机械和磁性性能的协同影响机制，建立了成分-性能关系模型。研究显示Mn掺杂显著提升强度（达750MPa以上），Ni通过增强自旋极化改善磁性（B50>1.6T），而Cu、Al等元素会降低磁性。最终形成兼顾高机械强度与高磁性的元素配比方案。

　　

作者：张亚峰、杨航、季成森、张晓静、王波、方贤实、车尚峰、郑强、杜娟

上海大学材料科学与工程学院，中国上海200444

摘要

在无取向硅钢中，磁性能和机械性能之间存在矛盾。为了同时实现高磁性能和机械性能，通过第一性原理计算阐明了元素的内在机制对这些性能的影响。结合实验验证，建立了高精度的成分-机械/磁性能关系。在体心立方结构的Fe-6.25%Si合金中，由于具有较高的模量和硬度，Mn掺杂合金表现出最高的强度；而Cu和Ni掺杂合金则通过泊松比和柯西压力赋予更好的延展性。晶体轨道哈密顿量结果表明，Mn掺杂合金具有相对较高的Fe-Mn键强度，Mn本身也具有较高的内在模量，这些因素使得Mn能够发挥最大的强化作用。就磁性能而言，只有Ni能够显著增强Fe-Si基体的磁矩，因为它提供了自旋极化的电子，从而增强了Fe的自旋极化，这体现在态密度的明显不对称性上。相比之下，Cu、Al或Mn的掺杂会导致磁矩的降低。本研究提出了增强机械性能和磁性能的最佳元素组合，所得到的成分-性能关系为高性能FeSi合金的设计提供了理论基础。

引言

随着高速电机的快速发展，转子材料不仅需要具备高磁性能，还需要具备优异的机械性能[1]。磁感应和铁损决定了电机的扭矩和能量转换效率，而机械性能则决定了转子在最高转速下的承载能力[2]。取向硅钢虽然具有优异的磁性能，但其机械性能的各向异性使其不适合用于高速电机。相比之下，无取向硅钢具有机械各向同性，因此被广泛用作高速电机的转子材料[3],[4],[5]。磁性能和机械性能之间存在权衡。高磁感应的合金往往机械性能较差[6],[7]。此外，目前的机械性能无法满足高功率密度电机（尤其是航空航天领域）的要求。开发同时具有高机械性能和高磁性能的高性能无取向硅钢已成为该领域的关键研究方向。

正如Hou等人所展示的，通过Si和P的固溶强化，屈服强度提高到了581 MPa[8]。Zhong等人通过结合固溶强化（使用Si、Al和Mn）和沉淀强化（使用Cu）的方法，进一步将屈服强度提高到了668 MPa[9]。这些方法虽然提高了强度，但B₅₀从1.7 T降低到了1.6 T。尽管这些方法提高了强度，但仍无法满足高速电机的要求。随着航空航天和新能源汽车电机性能要求的不断提高，高速度和高扭矩已成为高功率密度电机的核心需求。这就需要开发出具有更高强度和更好磁性能的软磁材料。同时保持超过750 MPa的强度并确保磁感应强度超过1.6 T仍然是一个挑战。

为了满足高强度要求，固溶强化是最基本且最重要的强化策略。众所周知，固溶强化必然会影响磁性能。虽然与金属或类金属元素合金化可以有效提高机械强度，但这种增强往往以磁性能下降为代价。基于Fe的合金受益于铁本身的高磁感应强度。然而，大多数用于固溶强化的溶质元素的添加都会降低这一性能，主要是因为磁矩的稀释。目前，关于如何同时平衡机械性能和磁性能的研究还不够充分。因此，迄今为止，在高磁性能和优异机械性能之间实现平衡仍然是一个重大挑战。其他研究者指出，Al（一种溶解度较低的金属元素）以及常用的过渡金属Mn、Ni和Cu在实验中用于改善硅钢的机械和磁性能，但这些研究仅停留在对外部现象的探索阶段，尚未在电子或原子层面探讨内在机制。因此，影响机制尚不明确，也没有建立关于元素类型和数量对性能增强或降低的定量关系。这种理解的缺乏阻碍了成分设计指南的制定。特别是，关于磁性能和机械性能之间内在关联的系统性和深入研究仍然不足。在这项工作中，我们采用第一性原理计算系统研究了合金元素（Al、Mn、Ni和Cu）对Fe-Si基材料磁性能和机械性能的影响，旨在阐明这些元素如何改变Fe-Si基体，并分析其背后的物理机制。此外，还建立了将元素类型和含量与性能指标联系起来的定量成分-性能关系，并通过实验进行了验证，为合理的成分设计提供了理论基础。

计算模型

$\backslash alpha$-Fe采用体心立方（bcc）结构，属于立方晶系，空间群为Im-3m，晶格常数a = b = c = 2.866 ?。在这项研究中，我们构建了一个2×2×2的超胞，其中包含16个Fe原子。在超胞内，Si原子位于单元格的角位点，X（X = Al、Mn、Cu和Ni）原子也位于角位点，形成了稳定的FeSi-X晶体结构。

弹性常数

弹性常数是材料弹性性能的定量指标，不同晶体结构具有不同的独立弹性常数。α-Fe属于立方晶系，由于其对称性约束，具有三个独立的弹性常数（C₁₁、C₁₂、C₄₄）。立方晶体的机械稳定性由Born-Huang稳定性条件决定，表达式为[16]：