表面張力是鋼液的重要物理性質(zhì)之一，對于鋼材潔凈度控制及凝固成型過程均具有重要影響。鋼液表面層和內(nèi)部粒子所處的環(huán)境不同，兩者所受的力并不相同，使鋼液表面產(chǎn)生自發(fā)縮小傾向的力稱為鋼液的表面張力。鋼液的表面張力不僅對新相的生成有影響，而且對相間反應(yīng)、渣鋼分離、鋼液對耐火材料的侵蝕等也產(chǎn)生影響，準(zhǔn)確獲取鋼液的表面張力對于優(yōu)化冶煉過程、改善鋼材質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率具有重要意義。

目前，表面張力主要通過實(shí)驗(yàn)測定方法獲得，對于液態(tài)金屬，常用的是氣泡最大壓力法和靜滴法。影響鋼液表面張力的因素眾多，主要包括鋼液成分、溫度及鋼液的接觸環(huán)境，對于鋼液來說，溫度通常在1700K以上，一方面，高溫條件的穩(wěn)定獲得難度較高，即溫度精確控制難度較高，對表面張力的測定精度存在影響，另一方面，高溫鋼液極易與接觸介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，即鋼液成分難以穩(wěn)定控制，測得的表面張力易于偏離真實(shí)值；再者，真實(shí)鋼液組元復(fù)雜，各組元對表面張力的交互影響難以充分分離；另外，鋼液表面張力高溫測定還存在流程復(fù)雜、成本高等不足。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)快速發(fā)展，其中分子動力學(xué)(MD)是一種利用牛頓運(yùn)動定律模擬原子或分子系統(tǒng)的強(qiáng)大方法，可從微觀尺度解析物理化學(xué)過程，目前已成為研究材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的有效方法，在高溫冶金熔體領(lǐng)域應(yīng)用也逐漸擴(kuò)展。

鑒于現(xiàn)有表面張力獲取技術(shù)存在的不足，東北大學(xué)閔義團(tuán)隊(duì)供一種采用模擬計(jì)算獲取鋼液面張力的方法，即采用分子動力學(xué)模擬的方法計(jì)算鋼液原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)信息，并以此為基礎(chǔ)獲取不同成分、溫度條件下鋼液的表面張力，該方法可有效避免傳統(tǒng)高溫實(shí)驗(yàn)測定方法的數(shù)據(jù)波動大、影響因素難以分離及成本高等問題；另外，本方法基于鋼液的微觀結(jié)構(gòu)信息獲得表面張力，可深化對表面張力產(chǎn)生本質(zhì)的理解及影響因素的解析，對于鋼液表面張力控制可提供明確指導(dǎo)。

Fe-C二元體系-真空基于微觀結(jié)構(gòu)解析的鋼液表面張力計(jì)算方法：

(1)根據(jù)冶金鋼液的主要化學(xué)成分，鋼液由Fe-C二元體系組成，具體成分為Fe：99.85％，C：0.15％。

(2)Fe-C二元體系的原子數(shù)設(shè)定為12000個，根據(jù)Fe-C二元體系中各組分的摩爾比，可確定不同原子的個數(shù)，之后再根據(jù)Fe-C二元體系在高溫液態(tài)條件下的密度，可計(jì)算出模擬盒子的邊長，具體如表1所示。

表1Fe-C二元體系的原子數(shù)、密度和盒子邊長

基于表2中的原子種類、個數(shù)及Fe-C二元體系的密度，采用Materials Studio軟件建立Fe-C二元體系的初始結(jié)構(gòu)模型，得到一個包含原子數(shù)目、原子類型數(shù)目、各類型原子質(zhì)量、原子ID及該原子ID所對應(yīng)的原子類型和x、y、z三個方向的坐標(biāo)值的初始結(jié)構(gòu)data文件。

(3)選取改進(jìn)嵌入原子法(MEAM)作為描述Fe-C二元體系中所有原子間相互作用力的勢函數(shù)。

(4)設(shè)置模擬計(jì)算的參數(shù)，編寫執(zhí)行LAMMPS軟件分子動力學(xué)模擬計(jì)算所需的in文件，將建立的Fe-C二元體系初始結(jié)構(gòu)模型信息導(dǎo)入LAMMPS軟件進(jìn)行分子動力學(xué)模擬計(jì)算。原子類型設(shè)置為atomic，采用周期性邊界條件，整個模擬過程使用正則系綜(NVT)，模擬過程中原子數(shù)、體積和溫度不變，采用Parrinello-Rahman法和Nose-Hoover熱浴法進(jìn)行壓力和溫度的控制。根據(jù)高斯速度分布給出了鐵原子的初始速度分布。體系的牛頓運(yùn)動方程的數(shù)值解法采用Verlet算法進(jìn)行求解，步長設(shè)置為1fs，每1000步保存一次數(shù)據(jù)，一共運(yùn)行510000步。首先在初始溫度為4273K下運(yùn)行60000步，采用共軛梯度法使初始結(jié)構(gòu)的能量最小化，使體系充分混合及能量穩(wěn)定。接下來，通過100000個時間步長使體系降溫到1950K，并在1950K下繼續(xù)弛豫50000步。沿z軸方向在盒子的兩側(cè)加入兩個真空區(qū)，形成平行于z軸方向的真空-液體-真空夾層結(jié)構(gòu)，對擴(kuò)大后的系統(tǒng)在1950K下弛豫300000步，為了防止液膜的游走，在每個MD步驟中都要調(diào)整系統(tǒng)的質(zhì)心位于系統(tǒng)的中心，并在此階段收集計(jì)算微觀結(jié)構(gòu)信息和表面張力所需的數(shù)據(jù)，最后得到模擬體系的原子坐標(biāo)文件、壓力張量等模擬結(jié)果數(shù)據(jù)。

(5)將得到的原子坐標(biāo)文件導(dǎo)入OVITO、VESTA和VMD軟件中進(jìn)行可視化分析并計(jì)算模擬體系的微觀結(jié)構(gòu)信息，得到模擬體系的微觀結(jié)構(gòu)圖；計(jì)算表面張力所需數(shù)據(jù)收集前后模擬體系的微觀結(jié)構(gòu)，將各個類型的原子進(jìn)行區(qū)分，計(jì)算出不同原子對之間的徑向分布函數(shù)；根據(jù)計(jì)算得到的徑向分布函數(shù)第一峰橫坐標(biāo)值得出不同原子對之間的鍵長(最近鄰距離)，將徑向函數(shù)的第一峰進(jìn)行積分可得出不同原子對之間的配位數(shù)?？蓪?dǎo)出模擬盒子不同區(qū)域的原子坐標(biāo)文件用于微觀結(jié)構(gòu)信息計(jì)算。

Fe-C二元體系經(jīng)計(jì)算得到的徑向分布函數(shù)，F(xiàn)e-Fe、Fe-C、C-C原子對的平均鍵長分別為若原子間距離小于相應(yīng)的鍵長值則表示兩個原子之間互相連接，根據(jù)碳原子連接的鐵原子個數(shù)，可將鐵原子區(qū)分為自由態(tài)鐵原子(與碳原子沒有配位關(guān)系)、A型鐵(只與1個碳原子形成配位關(guān)系)、B型鐵(與2個或更多的碳原子形成配位關(guān)系)三種類別，根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可對鐵原子的配位方式進(jìn)行分析。

(6)根據(jù)收集的計(jì)算表面張力所需的數(shù)據(jù)，采用此鋼液表面張力計(jì)算方法計(jì)算Fe-C二元體系的表面張力。計(jì)算得到的法向壓力張量和和切向壓力張量之差PN-PT、表面張力σ和密度ρ沿z軸的分布，F(xiàn)e-C二元體系的表面張力σ經(jīng)計(jì)算為1.531N/m。

小結(jié)

根據(jù)壓力張量與表面張力的關(guān)系，提供了一種從原子尺度預(yù)測計(jì)算鋼液表面張力的方法，可獲取不同成分和溫度條件下鋼液的表面張力，可有效避免傳統(tǒng)高溫實(shí)驗(yàn)測定影響因素難以分離、流程復(fù)雜及成本高等問題，可用于填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空白；結(jié)合鋼液的微觀結(jié)構(gòu)信息，可對鋼液表面張力進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)解析，從而為鋼液表面張力的控制提供理論指導(dǎo)。