钢铁内部的磁性奥秘终于揭开

这项发表在《物理评论快报》上的研究，为碳如何影响钢的内部晶粒结构（钢强度和性能的关键因素）提供了新见解。

为何钢铁加工能耗巨大
钢由铁和碳结合而成，是全球应用最广泛的建筑材料之一。塑造其内部结构需要极高温度，因此钢铁生产能耗巨大。数十年前，科学家观察到某些钢在磁场中热处理时性能更优，但当时的解释多为理论层面。由于缺乏清晰的物理机制理解，工程师无法可靠预测或控制这种效应。

“此前对这种现象的解释顶多算是现象描述，”该论文资深作者、材料科学与工程学伊万·拉切夫教授达拉斯·特林克尔表示，“设计材料时，你需要能明确：‘如果添加这种元素，材料会如何变化。’但我们当时完全不了解这一过程，更无法进行预测。”

为解决这一长期存在的问题，特林克尔运用其在扩散建模方面的专业知识，参与了由美国能源部能源效率与可再生能源办公室支持的研究团队。在钢等铁碳合金中，碳原子占据由周围铁原子形成的小型八面体“笼状”结构。通过模拟碳原子在不同“笼”之间的移动，团队找出了磁场减缓这种运动的原因。

模拟磁性与原子运动
特林克尔采用一种名为“自旋空间平均法”的计算方法，进行了同时考虑温度和磁场的模拟。这些模拟追踪了铁原子的磁自旋在不同条件下的排列方式。当铁原子的南北极排列一致时，原子呈铁磁性，具有强磁性；当排列不一致时，原子呈顺磁性，磁性较弱。

结果显示，自旋排列一致会提高碳原子在“笼”间移动必须克服的能垒。随着磁有序性增强，碳扩散速度减慢，这为长期观察到的现象提供了清晰的物理解释。

“改变磁矩需要极强的磁场，”特林克尔说，“如果接近居里温度，磁场的影响会很强……当自旋更无序时，八面体（笼状结构）实际上变得更各向同性：整体像是‘打开’了，有更多移动空间。”

对更清洁、更智能炼钢的意义
特林克尔认为，这些发现有助于降低钢铁加工所需能源，从而降低生产成本并减少二氧化碳排放。除钢之外，同样的原理可应用于其他材料，使科学家能更广泛地定量预测磁场如何影响原子扩散。

“我们希望能进行实际计算，不仅定性，还要定量地展示有效磁场和温度的影响。现在有了这些信息，我们可以开始更多地思考合金工程设计。这可能包括选择已有的合金，甚至考虑那些我们尚未使用但可能极具优势的合金化学成分。”

达拉斯·特林克尔是伊利诺伊大学格拉inger工程学院材料科学与工程系教授，隶属于材料研究实验室，并担任伊万·拉切夫教授职位。