鋼鐵內部磁性的秘密終於被揭曉

發表於 體檢信這項工作為碳如何影響鋼的內部晶粒結構提供了新的線索，而鋼的內部晶粒結構是鋼的強度和性能的關鍵因素。

為什麼鋼鐵加工要消耗如此多的能源

鋼由鐵和碳製成，是世界上使用最廣泛的建築材料之一。成型其內部結構需要非常高的溫度，這就是鋼鐵生產消耗如此多能源的原因。幾十年前，科學家發現某些鋼在磁場存在下熱處理時性能更好，但當時的解釋主要是理論上的。如果沒有清晰的物理理解，工程師就沒有可靠的方法來預測或控制效果。

“以前對這種行為的解釋充其量只是現象學的，”材料科學與工程伊万·拉切夫教授、該論文的主要作者達拉斯·特林克爾說。 “當你設計一種材料時，你必須說，‘如果我添加這個元素，（材料）就會發生這樣的變化。’我們不明白這是怎麼發生的；沒有任何不祥的預感。”

為了回答這個長期存在的問題，特林克爾作為美國能源部能源效率和可再生能源辦公室支持的研究小組的一部分，應用了他在擴散建模方面的專業知識。在鋼等鐵碳合金中，碳原子佔據由周圍鐵原子形成的小八面體“籠子”。通過模擬碳原子如何從一個籠子移動到另一個籠子，研究小組能夠確定磁場是否會導致這種移動減慢。

模擬磁性和原子運動

Trinkle 使用一種稱為自旋空間平均的計算方法進行了包括溫度和磁場在內的模擬。這些模擬跟踪了鐵原子的磁自旋在不同條件下如何排列。當鐵原子的北極和南極對齊時，原子就會變得鐵磁性並被強烈磁化。當它們不對齊時，原子是順磁性的並且磁化較弱。

結果表明，對齊的自旋提高了碳原子在籠子之間移動必須克服的能壘。隨著磁序增加，碳擴散減慢，為長期觀察到的效應提供了清晰的物理解釋。

“改變磁矩需要非常強的磁場，”特林克爾說。 “如果接近居里溫度，磁場會產生很大的影響……當自旋更加隨機時，八面體（籠）實際上更加各向同性：整個物體打開並且有更多的移動空間。”

對更清潔、更智能的煉鋼的影響

Trinkle 相信這些發現有助於減少加工鋼鐵所需的能源、降低生產成本並減少二氧化碳排放₂ 除了鋼鐵之外，同樣的原理也可以應用於其他材料，使科學家能夠定量預測磁場如何更廣泛地影響原子擴散。

“我們希望能夠進行真正的計算；不僅定性而且定量地顯示有效面積和溫度。現在我們有了這些信息，我們可以開始更多地考慮工程合金。我們可以選擇已經存在的合金，或者考慮我們尚未使用的合金化學成分，這可能非常有益。”

達拉斯·特林克 (Dallas Trinkle) 是伊利諾伊州格蘭傑工程學院材料科學與工程系的教授，隸屬於材料研究實驗室。伊万·拉切夫 (Ivan Rachef) 被任命為教授。