【论文推荐】武汉科技大学刘静教授、程朝阳教授团队:取向硅钢Goss晶粒异常长大机制的研究进展

武汉科技大学材料科学与工程学院刘静教授、程朝阳教授团队

在“双碳”目标与全球能源转型的共同驱动下，各国对能源利用效率与环境友好性提出了更高要求。取向硅钢是特高压变压器等电力装备的关键软磁材料，其性能直接影响了电力系统的能耗水平。该材料生产工艺复杂，核心在于通过精密轧制和热处理获得Goss取向（｛110｝〈001〉）晶粒，以实现高磁感与低铁损。尽管研究者通过优化抑制剂和工艺持续提升其磁性能，但二次再结晶中Goss晶粒异常长大的精确控制仍是技术瓶颈，其长大机理尚未完全揭示。

图1 取向硅钢的应用、全球产能分布及中国各年份取向硅钢产量

系统总结了取向硅钢（以Hi-B钢为主）从热轧、冷轧、脱碳退火到高温退火全流程中Goss晶粒的演化规律，揭示了各工序对Goss晶粒形成的协同作用机制。

图2 高磁感取向硅钢生产过程中Goss晶粒的形核与长大示意图

归纳了异常长大Goss晶粒的三大典型特征——晶粒尺寸、取向偏差角、内部岛晶，深入分析了其对磁感应强度与铁损的影响机理，明确了最佳晶粒尺寸范围、偏差角控制、岛晶抑制与初次再结晶组织及抑制剂分布的内在关联。

图3 取向硅钢晶粒尺寸与磁性能的关系

全面梳理了CSL理论、高能晶界理论、固态润湿理论三大经典理论的原理、适用条件与局限性，同时介绍了位错辅助抑制剂溶解理论和热流导向理论两种新机制，揭示了各理论的适用范围与不足。

图4 CSL理论示意图

图5 HE理论示意图

图6 位错辅助溶解理论示意图

提出未来研究应聚焦两大方向：一是完善现有理论，系统研究不同类型抑制剂对异常长大机制的影响，结合原位观测与机器学习建模；二是构建新理论，围绕“抑制剂优先在Goss晶界溶解”、“偏差角逐步锐化”、“局部环境影响选择性长大”三大科学问题，推动从现象描述向精准调控跨越。

系统梳理了Goss晶粒从热轧“播种”、冷轧“保留”、脱碳退火“再形核”到高温退火“选择性长大”的完整演化路径，明确了Hi-B钢相较于CGO钢在各阶段的优势来源，为实际生产中的热处理工艺选择提供了理论依据。

针对不同工艺取向硅钢磁性能差异显著的问题，归纳了异常长大Goss晶粒的三大典型特征，揭示了其对磁感与铁损的影响机理，明确了最佳晶粒尺寸范围、偏差角控制、岛晶抑制与抑制剂分布关联等调控要点。

对重位点阵（CSL）理论、高能晶界（HE）理论和固态润湿（SSW）理论进行了全面梳理，从原理、适用条件到局限性进行了分析，揭示了各理论的适用范围与不足。

介绍了近年来提出的位错辅助溶解和热流导向两种新理论，总结了现有理论的共同点，提出了未来研究的关键方向，推动机制研究从解释现象向预测与调控跨越。