高硅钢（硅含量6.5wt%以上）因优异的软磁性能（高磁导率、低铁损），在变压器、电机等电力设备制造领域应用广泛。然而，硅含量越高，材料脆性越大，室温条件下几乎无法加工成型。其内部D0₃有序结构中的反相畴界（APB）是导致材料脆性的重要因素之一。因此降低反相畴界能量成为提升塑性的关键。近期，超常环境非线性力学全国重点实验室彭庆研究员和东北大学唐帅教授研究团队通过第一性原理计算，揭示了过渡金属掺杂对高硅钢中D0₃有序结构反相畴界能量及磁性能的影响机制，为高硅钢的塑性优化和磁性能调控提供了理论依据。该研究成果以“Effects of doping on anti-phase boundaries and the magnetic properties of the D0₃ structure in high silicon steel: first-principles insights”为题发表于Physical Chemistry Chemical Physics。

研究团队选取钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锆（Zr）、铌（Nb）、钼（Mo）六种过渡金属元素，系统分析了其替代铁（Fe）原子对D0₃结构中两种反相畴界（APB_I和APB_II）能量的影响。计算结果表明，铬、铌和钼三种元素能显著降低两种反相畴界的能量，其中铬和钼效果尤为突出，并且随着掺杂浓度升高，反相畴界能降低越明显。反相边界能量的降低有助于促进位错滑移，从而提升材料的塑性变形能力。此外，掺杂元素的引入还通过改变铁原子局域环境及电荷转移特性，调控了材料的磁矩。电荷密度分析显示，铬和钼能够增强跨反相边界原子间的电荷转移，强化原子间相互作用，从而降低位错滑移阻力，为实验中发现的铬改善高硅钢塑性提供了新的理论解释。

在机械性能方面，掺杂铬、铌和钼的D0₃结构表现出更优的塑性指标，如更高的体模量/剪切模量比值（B/G）和柯西压力参数，表明材料抗体积变形能力和延展性得到增强。研究还发现，掺杂浓度与反相畴界能量呈负相关，增加铬和钼的掺杂浓度可进一步提升塑性。该成果不仅深化了对高硅钢有序结构调控机制的理解，还为开发兼具高塑性和优异磁性能的新型硅钢材料提供了理论指导，在电力设备、变压器等领域的应用中具有重要潜力。

东北大学孙萌为论文第一作者，唐帅教授和彭庆研究员为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金（52175293、12272378）和轧制技术及连轧自动化国家重点实验室开放课题（2022RALKFKT006）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4CP04178J

图1 图片摘要

图2 元素掺杂后的反相畴界能（γ_APB）

图3 Cr和Mo在不同掺杂浓度下的反相畴界能（γ_APB），（a）γ_APBI；（b）γ_APBII

图4 元素掺杂后反相畴界附近的差分电荷密度图，（a1）-(a7) APB_I；（b1）-（b7）APB_II

图5 元素掺杂后D0₃结构的B/G值和Cauchy值，（a）B/G值；（b）Cauchy值