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        鋼液環(huán)境對Ti-O團(tuán)簇形貌影響的分子動力學(xué)模擬

        2022-06-01 08:47:32李慧改梁明浩雷書偉翟啟杰
        上海金屬 2022年3期
        關(guān)鍵詞:原子數(shù)鋼液空位

        何 亮 李慧改 梁明浩 雷書偉 翟啟杰

        (1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444;2.上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心,上海 200444;3.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444)

        鈦氧夾雜物對鋼的性能影響巨大[1-6]。從原子尺度上弄清鋼液中鈦氧化物的形貌結(jié)構(gòu)及長大過程對控制夾雜物朝著有利于鋼性能方向的形成十分重要。鋼液中鈦氧化物主要通過團(tuán)簇碰撞長大,溶質(zhì)團(tuán)簇之間碰撞長大往往需要溶劑作為運(yùn)動介質(zhì),因此溶質(zhì)團(tuán)簇不僅受其他溶質(zhì)團(tuán)簇的相互作用,還受溶劑環(huán)境的影響[7]。關(guān)于溶劑對溶質(zhì)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和長大過程的影響已有很多報(bào)道。劉小吉[8]研究發(fā)現(xiàn),將真空中穩(wěn)定的TiAu4團(tuán)簇放入水溶液后,原先穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,表明水溶液對TiAu4團(tuán)簇的形貌結(jié)構(gòu)有重要影響。Yang等[9]利用分子動力學(xué)模擬TiOx夾雜物的形成過程,發(fā)現(xiàn)將鋼液中蠕蟲狀穩(wěn)定存在的Ti-O團(tuán)簇放入真空后蜷縮成球狀,揭示了鋼液環(huán)境對Ti-O團(tuán)簇的形貌也有一定影響。然而,鋼液環(huán)境對Ti-O團(tuán)簇形貌的影響機(jī)制還不清楚。Kioseoglou等[10]利用分子動力學(xué)模擬了SiO2基體中GaN團(tuán)簇的形核過程,發(fā)現(xiàn)Ga+粒子與N-粒子的聚集主要是由于體系內(nèi)出現(xiàn)了空位群,導(dǎo)致此處能量較低,從而吸引了Ga+與N-,誘導(dǎo)了GaN的形核。

        上述研究均表明溶液中溶劑原子和空位對溶質(zhì)團(tuán)簇的形貌結(jié)構(gòu)及長大過程有顯著影響。本文采用分子動力學(xué)模擬探究鋼液中液態(tài)Fe原子、空位對Ti-O團(tuán)簇的形貌及長大過程的影響。

        1 模擬過程和參數(shù)設(shè)置

        利用Lammps軟件進(jìn)行分子動力學(xué)模擬計(jì)算,選用楊立昆等開發(fā)的Fe-Ti-O三元體系勢函數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,根據(jù)該勢函數(shù)計(jì)算得出Fe的熔點(diǎn)為2 051.99 K,模擬冶煉溫度為2 122 K,因此將鋼液的模擬冶煉溫度也設(shè)定為2 122 K,該溫度也是TiOx夾雜物的形成溫度[9];通過Packmol軟件將200個Ti原子、200個O原子和15 800個Fe原子隨機(jī)放入尺寸為5.936 nm×5.936 nm×5.936 nm的盒子中,x、y、z軸方向都采用周期性邊界條件,時(shí)間步長設(shè)置為1 fs,每2 ps對體系內(nèi)原子坐標(biāo)進(jìn)行輸出,通過OVITO對原子軌跡進(jìn)行可視化。

        Ti-O團(tuán)簇的長大過程模擬分兩個階段,第一階段為創(chuàng)建鋼液環(huán)境,利用Lammps中fix spring命令先將體系中Ti、O原子固定,保證模擬盒子中只有Fe原子之間發(fā)生相互作用,在2 122 K溫度下對體系遲豫20 ns,使體系中的Fe原子呈液態(tài)結(jié)構(gòu);第二階段為TiOx夾雜物的形成,利用Lammps中unfix命令將Ti、O原子的束縛解除,此時(shí)體系中存在Fe、Ti、O原子的相互作用,在2 122 K遲豫50 ns,模擬TiOx夾雜物的形成過程。

        探究鋼液環(huán)境對Ti-O團(tuán)簇的影響時(shí),為了只考慮鋼液環(huán)境的影響,需排除周圍Ti-O團(tuán)簇的影響,為此將生長過程中的Ti-O團(tuán)簇分別放入鋼液和真空中遲豫5 ns,比較兩種環(huán)境中Ti-O團(tuán)簇形貌結(jié)構(gòu)的差異。

        探究空位對Ti-O團(tuán)簇的影響時(shí),在模擬Ti-O團(tuán)簇長大的初始模型基礎(chǔ)上,分別通過在體系內(nèi)隨機(jī)刪除0、100、500、1 000個Fe原子的方法引入相應(yīng)數(shù)量的空位,并在NVT系綜下遲豫10 ns對不同濃度空位下Ti-O團(tuán)簇的長大過程進(jìn)行模擬。

        2 試驗(yàn)方法

        2.1 Ti-O團(tuán)簇形貌表征

        本文采用分析粉末結(jié)構(gòu)時(shí)常用的形貌表征方法——球形度[11],對Ti-O團(tuán)簇形貌進(jìn)行表征。球形度表示的是物體形貌與球體的相似度,計(jì)算公式為:

        式中:ψ為球形度;S1為與團(tuán)簇體積相同的球體表面積;S2為團(tuán)簇表面積。

        2.2 空位識別

        晶體中空位的產(chǎn)生是由于一個原子離開平衡位置造成該位置空出,而鋼液中Fe原子運(yùn)動并不像晶體一樣在固定的陣點(diǎn)上振動,它們可以出現(xiàn)在體系內(nèi)任何一個位置,因此鋼液中空位的位置、大小不固定。本文采取相對統(tǒng)計(jì)法來識別這類空位,再進(jìn)行定量分析。

        如圖1所示,根據(jù)Ovito中construct surface mesh功能選取Ti-O團(tuán)簇表面0.60 nm范圍內(nèi)的空位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。首先計(jì)算體系未引入空位時(shí)Ti-O團(tuán)簇周圍Fe原子數(shù),然后計(jì)算引入空位后Ti-O團(tuán)簇周圍Fe原子數(shù),兩者相減即為Ti-O團(tuán)簇周圍的空位數(shù)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,對體系穩(wěn)定后的20個時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì),取平均值為最終結(jié)果。

        圖1 原子數(shù)為175的Ti-O團(tuán)簇表面0.60 nm范圍內(nèi)Fe原子(棕色為Fe原子,藍(lán)色為O原子,綠色為Ti原子)分布Fig.1 Distribution of Fe atoms within 0.60 nm distance from the surface of Ti-O cluster with 175 atoms(Fe atom in brown,O atom in blue,Ti atom in green)

        3 結(jié)果與討論

        3.1 鋼液環(huán)境對Ti-O團(tuán)簇形貌的影響

        如圖2(a)所示,在真空中含不同原子數(shù)Ti-O團(tuán)簇的球形度ψ為0.8~1.0,幾乎呈類球形。球形是表面能最低的結(jié)構(gòu)[12],所以Ti-O團(tuán)簇在不受外力作用時(shí)呈球形。而在鋼液環(huán)境中,Ti-O團(tuán)簇的球形度隨其原子數(shù)的增加而降低,原子數(shù)小于50的Ti-O團(tuán)簇球形度ψ為0.85~1.00,呈立方體狀;原子數(shù)大于50的Ti-O團(tuán)簇球形度為0.4~6.0,形貌開始呈現(xiàn)多樣化,含346個原子的Ti-O團(tuán)簇球形度ψ已低至0.38,呈樹枝狀。為了更直觀地比較Ti-O團(tuán)簇在真空和鋼液環(huán)境中的形貌差異,對Ti-O團(tuán)簇在兩種環(huán)境中球形度的差值Δψ進(jìn)行計(jì)算:

        Δψ的大小反映鋼液環(huán)境對Ti-O團(tuán)簇形貌的影響程度。如圖2(b)所示,整體來看,鋼液環(huán)境對小尺度的Ti-O團(tuán)簇形貌影響不大,但隨著Ti-O團(tuán)簇的長大,當(dāng)Ti-O團(tuán)簇原子數(shù)達(dá)到50以上時(shí),團(tuán)簇形貌受鋼液環(huán)境的影響越來越大,與球形相差越大??傊?,在鋼液環(huán)境中,Ti-O團(tuán)簇形貌會逐漸與周圍鋼液環(huán)境相適應(yīng),呈現(xiàn)蠕蟲狀或樹枝狀。分子動力學(xué)中分子的結(jié)構(gòu)是由原子間相互作用引起的,因此鋼液環(huán)境中的Fe原子與Ti-O團(tuán)簇之間存在相互作用[13]。下文將對Ti-O團(tuán)簇與鋼液中Fe原子之間的相互作用進(jìn)行討論。

        圖2 在真空和鋼液環(huán)境中含不同原子數(shù)Ti-O團(tuán)簇的球形度Fig.2 Sphericity of Ti-O clusters with different atom numbers in vacuum and molten steel environment

        3.2 鋼液中Fe原子與Ti-O團(tuán)簇的相互作用

        選取原子數(shù)為68的Ti-O團(tuán)簇,對其周圍Fe原子及鋼液中Fe原子的勢能分布進(jìn)行研究。為了減少無效數(shù)據(jù),選取距離Ti-O團(tuán)簇表面0.60 nm范圍內(nèi)的Fe原子進(jìn)行分析,并根據(jù)每個原子勢能的大小對Fe原子進(jìn)行著色(圖3(a))。對Ti-O團(tuán)簇周圍Fe原子及鋼液中Fe原子的勢能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3(b))。結(jié)果表明:Ti-O團(tuán)簇表面Fe原子的平均勢能略低于鋼液中Fe原子的平均勢能,也即Ti-O團(tuán)簇會降低鋼液中Fe原子的勢能。分子動力學(xué)中粒子的勢能與其位置相關(guān),即相同粒子的勢能不同表示粒子所處的環(huán)境不同,受周圍粒子相互作用力也不同[14]。因此可以推斷:Ti-O團(tuán)簇表面Fe原子的勢能比鋼液中Fe原子的勢能低,其主要原因是Ti-O團(tuán)簇表面Fe原子不僅與其周圍Fe原子有相互作用,還與Ti-O團(tuán)簇有相互作用。下文將進(jìn)一步探究勢能較低的Fe原子與Ti-O團(tuán)簇之間的關(guān)系。

        圖3 Ti-O團(tuán)簇表面0.60 nm范圍內(nèi)和鋼液中Fe原子(a)及其勢能分布(b)Fig.3 Distributions of Fe atoms(a)within 0.60 nm distance from the surface of Ti-O cluster and in molten steel and their potential energy(b)

        與鋼液中低能Fe原子的隨機(jī)分布不同,Ti-O團(tuán)簇周圍低能Fe原子主要分布在距團(tuán)簇表面0.23~0.28 nm范圍內(nèi),說明此處Fe原子與Ti-O團(tuán)簇之間存在很強(qiáng)的相互作用(圖4(a))。根據(jù)原子類型不同,鋼液中Fe原子與Ti-O團(tuán)簇的相互作用可分為Fe與Ti-O團(tuán)簇中O原子的相互作用和Fe與Ti-O團(tuán)簇中Ti原子的相互作用。為了弄清這些低能Fe原子是由Ti-O團(tuán)簇中的O原子還是Ti原子造成的,分別計(jì)算了O原子和Ti原子周圍低能Fe原子的分布。

        為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,統(tǒng)計(jì)了50個樣本中Ti原子和O原子周圍勢能小于-3.9 eV的Fe原子數(shù)并相加,得出Ti或O原子周圍不同位置處低能Fe原子的分布(圖4(b))。可以看出:O原子周圍0.25~0.30 nm范圍內(nèi)低能Fe原子出現(xiàn)聚集,之后呈均勻分布,說明距離O原子0.25~0.30 nm處的Fe原子由于受O原子的影響勢能降低,其與O原子之間存在相互作用;而Ti原子周圍低能Fe原子的分布沒有出現(xiàn)明顯的聚集,不同位置處低能Fe原子數(shù)為1~3,與鋼液中低能Fe原子的分布類似,說明Ti原子對鋼液中低能Fe原子的分布沒有影響,可推斷Ti原子與Fe原子之間的相互作用較小。

        圖4 Ti-O團(tuán)簇中(a)和團(tuán)簇中Ti、O原子(b)周圍低能Fe原子的分布Fig.4 Distributions of Fe atoms with low energy in Ti-O cluster(a)and around Ti and O atoms in the cluster(b)

        綜上分析可推斷出,鋼液對Ti-O團(tuán)簇的影響主要是鋼液中Fe原子與Ti-O團(tuán)簇中的O原子相互作用所致。因此,Ti-O團(tuán)簇中O原子不僅受鋼液中Fe原子的作用,還受到Ti-O團(tuán)簇內(nèi)部Ti原子的作用,這可能是Ti-O團(tuán)簇呈現(xiàn)不同形貌的原因。然而鋼液中不僅存在液態(tài)結(jié)構(gòu)的Fe原子,還存在空位。下文將探究鋼液中空位對Ti-O團(tuán)簇的影響。

        3.3 Ti-O團(tuán)簇周圍空位分布

        計(jì)算了原子數(shù)為175的Ti-O團(tuán)簇周圍空位數(shù)。圖5(a)為未引入空位Ti-O團(tuán)簇周圍Fe原子數(shù),圖5(b)為鋼液中引入1 000個空位時(shí)Ti-O團(tuán)簇周圍Fe原子數(shù)??梢姡琓i-O團(tuán)簇表面0.30 nm范圍內(nèi)的平均空位數(shù)為24個,空位濃度為8.19%;0.30~0.45 nm范圍內(nèi)的平均空位數(shù)為32個,空位濃度為12.03%;0.45~0.60 nm的平均空位數(shù)為26個,空位濃度為6.32%。鋼液中整體空位濃度為6.25%。因此,空位并不是均勻地分布于體系內(nèi),Ti-O團(tuán)簇周圍空位濃度高于鋼液中空位濃度,且主要集中在Ti-O團(tuán)簇表面0.45 nm范圍內(nèi),該距離以外基本與鋼液中空位濃度持平。

        圖5 鋼液中未引入(a)和引入1 000個空位(b)時(shí)原子數(shù)為175的Ti-O團(tuán)簇表面0.30、0.45、0.60 nm范圍內(nèi)的Fe原子數(shù)Fig.5 Number of Fe atoms within distances of 0.30,0.45,0.60 nm from the surface of the Ti-O clusters with 175 atoms without vacancy (a)and with 1 000 vacancies(b)in the molten steel

        表1為原子數(shù)為175的Ti-O團(tuán)簇表面0.45 nm范圍內(nèi)的空位數(shù)。通過對含不同空位數(shù)體系中Ti-O團(tuán)簇的球形度的比較,發(fā)現(xiàn)空位對Ti-O團(tuán)簇的形貌幾乎沒有影響。體系引入空位后,空位向Ti-O團(tuán)簇附近聚集,使得Ti-O團(tuán)簇周圍的空位濃度略高于鋼液中空位濃度;并且隨著體系內(nèi)空位濃度的增加,Ti-O團(tuán)簇周圍的空位濃度也增加。在空位機(jī)制中,空位可以加速原子的擴(kuò)散,所以空位可能對Ti-O團(tuán)簇的運(yùn)動有影響。

        表1 含不同空位數(shù)的體系中Ti-O團(tuán)簇表面0.45 nm范圍內(nèi)的空位數(shù)Table 1 Number of vacancy within distance of 0.45 nm from the surface of Ti-O clusters in the system with different vacancy numbers

        3.4 空位對Ti-O團(tuán)簇運(yùn)動的影響

        圖6為鋼液中未引入和引入1 000個空位后Ti-O團(tuán)簇長大曲線??梢钥闯觯w系引入1 000個空位后,在模擬時(shí)間為5 ns時(shí),Ti-O團(tuán)簇?cái)?shù)量就達(dá)到了動態(tài)平衡,即Ti-O團(tuán)簇已停止長大。而未引入空位的體系,在接近25 ns時(shí)Ti-O團(tuán)簇?cái)?shù)量才達(dá)到平衡。因此,空位的引入促進(jìn)了Ti-O團(tuán)簇的運(yùn)動,使團(tuán)簇之間的碰撞概率顯著增大,加速了其長大過程。

        圖6 鋼液中未引入和引入1 000個空位后Ti-O團(tuán)簇長大曲線Fig.6 Growth curves of Ti-O clusters without vacancies and with 1 000 vacancies were introduced in the molten steel

        為了探究空位的引入是如何加速Ti-O團(tuán)簇運(yùn)動的,統(tǒng)計(jì)了Ti-O團(tuán)簇長大過程中其周圍空位分布的變化。圖7(a)展示了團(tuán)簇A與B的碰撞過程。團(tuán)簇A向其上方的團(tuán)簇B運(yùn)動,由于空位與Ti-O團(tuán)簇的運(yùn)動速度有關(guān),在運(yùn)動方向上將團(tuán)簇A分為上(靠近團(tuán)簇B)、下(遠(yuǎn)離團(tuán)簇B)兩部分,并計(jì)算了其周圍0.45 nm范圍內(nèi)Fe原子數(shù)分布,如圖7(b)所示。

        圖7 Ti-O團(tuán)簇長大過程(a)及其周圍Fe原子數(shù)分布(b)Fig.7 Growth of Ti-O clusters(a)and distributions of Fe actoms around Ti-O clusters(b)

        從圖7可以看出,團(tuán)簇A在運(yùn)動過程中其周圍Fe原子數(shù)總體保持在一定值,這表明團(tuán)簇周圍的空位數(shù)也沒有發(fā)生變化,這與3.3節(jié)中Ti-O團(tuán)簇在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其周圍空位濃度不變是一致的,說明Ti-O團(tuán)簇周圍的空位數(shù)與團(tuán)簇運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。將團(tuán)簇A分為上、下兩部分時(shí),在團(tuán)簇A與B碰撞前后,F(xiàn)e原子數(shù)保持恒定,即空位數(shù)也保持恒定;但在碰撞過程中,即團(tuán)簇A向團(tuán)簇B移動時(shí),團(tuán)簇A下半部分周圍Fe原子數(shù)減少,空位數(shù)增加;上半部分周圍Fe原子數(shù)增多,空位數(shù)減少。即在團(tuán)簇A整體周圍空位數(shù)不變的情況下,團(tuán)簇A上半部分的空位移至下半部分,導(dǎo)致團(tuán)簇A在運(yùn)動過程中其上、下兩部分周圍的空位數(shù)發(fā)生變化。因此,團(tuán)簇A周圍空位從上向下移動(遠(yuǎn)離團(tuán)簇B),與團(tuán)簇A整體的運(yùn)動方向相反。這與擴(kuò)散運(yùn)動中的空位擴(kuò)散機(jī)制相同[15],表明鋼液中空位的引入是通過類似空位擴(kuò)散機(jī)制的方式加速了Ti-O團(tuán)簇的運(yùn)動。

        4 結(jié)論

        (1)將鋼液中穩(wěn)定存在的Ti-O團(tuán)簇放入真空,團(tuán)簇的球形度明顯增大,鋼液環(huán)境對Ti-O團(tuán)簇形貌有較大影響。Ti-O團(tuán)簇在鋼液中呈蠕蟲狀或樹枝狀而非球狀的原因可能是,鋼液中的Fe原子和Ti-O團(tuán)簇內(nèi)的Ti原子均與團(tuán)簇內(nèi)的O原子存在相互作用。

        (2)Ti-O團(tuán)簇表面0.45 nm范圍內(nèi)的空位濃度總是高于鋼液中的空位濃度,即空位聚集在Ti-O團(tuán)簇周圍,但空位的引入并不影響Ti-O團(tuán)簇的形貌。

        (3)空位的引入通過類似空位擴(kuò)散機(jī)制的方式加速Ti-O團(tuán)簇在鋼液中的運(yùn)動,從而增大了Ti-O團(tuán)簇之間的碰撞概率,加速了其長大過程。

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