CC BY
51
УДК 669.018.28
А.А. Протопопов, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-17-85, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.И. Вальтер, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-17-85, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
П.И. Маленко, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, malenko @tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.Г. Евдокимов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОГО СОСТОЯНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ «АЛЮМИНИЙ - МАГНИЙ»
Представлены результаты расчета электронного строения сплава на основе исследований разности электроотрицательности, потенциалов ионизации, изучения межатомных связей компонентов и расчета энергии электронных уровней атомов компонентов. На базе разработанной методики предлагается расчет и построение двухкомпонентной диаграммы состояния алюминиевого сплава системы «А1 - Mg».
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, электронное строение сплава, диаграммы состояния, межатомное расстояние.
Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к материалам. Стандартные литейные и деформируемые сплавы на основе алюминия часто не отвечают этим требованиям, что вынуждает использовать более дорогие материалы, в частности, полученные по специальным технологиям (сверхбыстрая кристаллизация, механическое легирование, замешивание в расплав ультрадисперсных частиц и т.д.). Высокая стоимость последних существенно ограничивает производство и потребление готовых изделий.
Основные требования к литейным алюминиевым сплавам - это высокий уровень эксплуатационных характеристик (то есть механических и коррозионных свойств) в сочетании с хорошей технологичностью при литье. Последнее для используемых сейчас в промышленности технологий означает низкую склонность к образованию горячих (кристаллизационных) трещин, хорошую жидкотекучесть, минимальную усадочную пористость, то есть хорошие литейные свойства. Однако они уступают по низкотемпературной прочности сплавам на базе систем «А1 - Си» и «А1 - -Mg - Си», по жаропрочности - сплавам «А1 - Си - Мп», по коррозионной стойкости - сплавам «А1 - Mg» и «А1 - 2п - Mg». Последние обладают хорошими эксплуатационными характеристиками, но имеют низкие литейные свойства.
По всей видимости, есть два направления решения этой многолетней проблемы [1]:
дальнейшее совершенствование технологии и создание новых технологических процессов, которые позволят получать качественные отлив-
Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 8
ки из сплавов с низкими литейными свойствами;
разработка новых сплавов, сочетающих высокие эксплуатационные свойства с хорошей технологичностью при литье по традиционным технологиям.
Данная работа направлена на изучение принципов разработки сплавов системы «Al — Mg» на базе исследования электронного строения сплава.
Сплавы «Al — Mg» выделяются наиболее высокой прочностью и пластичностью среди всех литейных алюминиевых сплавов, превосходя по этим показателям многие деформируемые сплавы. К недостаткам следует отнести низкий предел текучести, а также склонность к потере пластичности при естественном старении. Кроме того, все прочностные свойства быстро снижаются с повышением температуры, и по показателям жаропрочности сплавы «Al — Mg» занимают одно из последних мест.
Добавка кремния несколько повышает жаропрочность, но все же рабочие температуры алюминиево-магниевых сплавов не превышают 100120 0С.
В настоящее время проводятся исследования электронного строения алюминиевых сплавов данной группы на основе анализа межатомного взаимодействия элементов с целью определения более точных параметров фазовых и структурных превращений, что позволит минимизировать недостатки, свойственные алюминиево-магниевым сплавам, и более полно использовать их физико-механические свойства.
В таблице приведены результаты расчета взаимодействия атомов магния и алюминия на разных электронных уровнях, проведенных по методике [2].
Определена «точка равновесия», которой соответствует концентрация магния 50,51 %. Уровню ионизации Mgl+ соответствует концентрация
2+
36,40 %, а уровню Mg - концентрация 33,57 % (вес.) магния.
На основе проведенных расчетов на рис. 1 представлена уточненная диаграмма электронного состояния сплавов системы «Al — Mg».
Линия ABD на диаграмме представляет линию ликвидус. В точке А (660 °С) атомы алюминия имеют радиус 0,795 А, радиус атомов магния составляет 1,55 А . С повышением температуры до 686 °С (точка В) радиус атомов алюминия уменьшается до 0,75 А, атомы магния на линии АВ находятся в ионизированном состоянии (Mg1+, Mg2+, Mg3+, Mg4+ и т.д.).
При концентрации магния более 50,51 % (линия BD) температура на линии ликвидус снижается до уровня 650 °С (точка D), радиус атомов алюминия увеличивается до 0,796 А. Изменение межатомного расстояния между алюминием и магнием на линии ликвидус ABD и линии AND показано на рис. 2. Межатомное расстояние уменьшается на линии АВ от 2,345 А до 2,30 А, далее, на линии BD, происходит увеличение расстояния между атомами до 2,416 А (точка D), что связано с уменьшением температуры с 686
до 650 0С.
Рис. 1. Диаграмма электронного состояния сплавов «Al - Mg»
Рис. 2. Изменение межатомного расстояния между магнием и алюминием на линии ликвидус ABD и линии AND
Взаимодействие магния и алюминия на разных электронных уровнях в системе «А1 - Mg»
Электронная оболочка и радиус металлического иона алюминия, А
& ®
ТО
О §
^
то *
г; с то
0 >5
г; то
1
г; Ьо
Параметры
Ме
АТ
рт"
~аГ+
АГ
АТ
7+-
~аГ
АТ
А1
АТ
АТ
АГ.
АГ
ьо
4*.
5г 5/' 5/+ 5/+ 5/' 5/+
5/+
5/+
5/+ 5.ю+
5/11
5/24 5/34 5/41
50,51
34,7006
33,5762
29,3165
27,3189
26,2772
24,1015
21,7934
18,7888
15,0325
10,2903
4,6057
0,3680
0,0703
0,0026
66,6864
50,6395
49,3893
44,4664
42,0507
40,7622
38,0055
34,9796
30,8746
25,4596
18,1299
8,5261
0,7081
0,1357
0,0051
69,4165
53,7730
52,5278
47,5862
45,1387
43,8272
41,0067
37,8879
33,6181
27,9162
20,0697
9,5583
0,8021
0,1538
0,0058
71,6599
56,4439
55,2107
50,2840
47,8244
46,5010
43,6421
40,4603
36,0690
30,1401
21,8581
10,5335
0,8928
0,1713
0,0064
72,7449
57,7682
56,5436
51,6351
49,1748
47,8483
44,9761
41,7692
37,3249
31,2906
22,7956
11,0540
0,9419
0,1808
0,0068
74,2438
59,6337
58,4243
53,5537
51,0986
49,7710
46,8872
43,6521
39,1421
32,9686
24,1783
11,8336
1,0165
0,1953
0,0073
75,0167 60,6124 59,4123 54,5675 52,1180 50,7915 47,9049 44,6587 40,1187 33,8769 24,9345 12,2662 1,0584 0,2034 0,0076
76,6117 62,6694 61,4922 56,7148 54,2840 52,9633 50,0790 46,8178 42,2258 35,8525 26,5984 13,2338 1,1535 0,2218 0,0083
78,2760
64,8709
63,7229
59,0379
56,6379
55,3293
52,4598
49,1963
44,5666
38,0727
28,5002
14,3670
1,2674
0,2440
0,0091
82,7713 71,1165 70,0785 65,7735 63,5243 62,2851 59,5356 56,3538 51,7364 45,0468 34,7034 18,2806 1,6827 0,3250 0,0122
89,4494
81,2911
80,5185
77,2274
75,4500
74,4530
72,1946
69,4982
65,4181
59,1266
48,3976
28,3032
2,9318
0,5722
0,0215
90,8591
83,5909
82,8934
79,9033
78,2760
77,3593
75,2725
72,7620
68,9232
62,9079
52,3718
31,6391
3,4200
0,6701
0,0252
91,3197
84,3546
83,6832
80,7992
79,2256
78,3379
76,3137
73,8721
70,1256
64,2222
53,7852
32,8792
3,6125
0,7090
0,0267
96,2985
93,0232
92,6915
91,2330
90,4130
89,9426
88,8485
87,4871
85,3045
81,6142
74,2136
54,7791
8,4820
1,7352
0,0659
99,8220 99,6533 99,6356 99,5562 99,5105 99,4839 99,4211 99,3409 99,2072 98,9657 98,4137 96,3117 66,6432 27,5703 1,4017
99,9971 99,9943 99,9940 99,9927 99,9920 99,9915 99,9905 99,9892 99,9869 99,9829 99,9737 99,9375 99,1888 95,8844 46,5276
Оо
На линии AND идет процесс образования металлической связи между атомами магния и алюминия, и происходит формирование кристаллической решетки. По линии AN межатомное расстояние растет с 2,345 А до 2,466; 2,629; 2,741 А и в точке N составляет 2,90 А, что соответствует периоду кристаллической решетки - 4,101 А. Ниже линии AN, по линиям АС и АЕ, происходит переход атомов алюминия из металлического в ковалентное состояние - А/1' (1,48 А), А12' (1,533 А), при этом атомы алюминия присоединяют электроны на 3р-уровень, приобретая конфигурацию 3^3р и 3^3р (рис. 3). На линии ECF (450 0С) атомы алюминия находятся в ковалентном состоянии
2- т—г
А1', образуя ковалентные связи с атомами магния. При этом формируется кубическая решетка, отвечающая координационному числу К 8 (1,39 А ^ 1,48 А ^ 1,533 А), что видно по линии NC.
По линии ^ происходит формирование кубической решетки с координационным числом К 12 (1,43 А ^ 1,52 А ^ 1,573 А), при этом атомы алюминия приобретают ковалентную конфигурацию электронов АГ (1,52 А), АГ (1,573 А). Длина межатомных связей возрастает до 3,12 А и 3,173 А, и температура на линии FSK соответствует 437 0С. При концентрации магния более 50,51 %, на линиях SD и KD, атомы алюминия находятся в ковалентном состоянии А/2".
В этом случае между атомами магния и алюминия возникают более жесткие ковалентные связи. Линия солидус на диаграмме - AECFSKD, при концентрации 50,51 % магния она преломляется от температуры 450 0С к температуре 437 0С за счет изменения координационного числа (К 8 ^ К 12).
зд
Н
и 3,0
3'
гй'
В 2,8
№
О
н
| 2,6
<и
о
аа
£ 2.4
й 2,2
Рис. 3. Изменение межатомного расстояния между алюминием и магнием на линии АЕ (1) и линии АС (2)
Таким образом, ниже линии ликвидус ABD происходит процесс образования металлической связи между атомами магния и алюминия, и он за-
255
Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 8
вершается на линии AND. Ниже этой линии атомы магния и алюминия образуют уже ковалентные связи различной прочности, что характеризуют области AEC и SKD. В области твердого раствора магния в алюминии (ниже линии АЕ) формируется а - область, которая характеризуется металлическими связями между разнородными атомами. Затем, в области ZEPH, между атомами алюминия и магния возникают ионные связи, с переходом атомов алюминия в ионное состояние - A/H1- (1,834 А), AlH2- (2,311 А). Нижняя граница этой области соответствует температуре - 374 0С. При снижении
температуры ниже 374 0С происходит распад у - раствора на а -фазу и кова-
2- 2+
лентное соединение алюминия и магния - AlMg (Al Mg ) и химическое соединение AlMgi.
Данные исследования позволяют оценить изменения и процессы в сплавах алюминия, происходящие на атомно-электронном уровне, что дает возможность изучать электронную конфигурацию атомов в зависимости от температуры и концентрации компонентов, а также переходы в межатомном взаимодействии элементов. Это служит основой для разработки сплавов, имеющих специальные физико-механические свойства.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг. Государственный контракт № П1026 от 27 мая 2010 г.
Список литературы
1. Золотаревский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2005. 376 с.
2. Евдокимов Е.Г., Баранов А.А., Вальтер А.И. Генезис электронной конфигурации в железоуглеродистых сплавах. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 192 с.
3. Вальтер А.И., Протопопов Е.А. Формирование прочностных свойств литейных алюминиевых сплавов // Матер. 3-й Междунар. научн. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». М.: Интерконтакт Наука. 2009. Т.1 С. 312-313.
A.A. Protopopov, A.I. Walter, P.I. Malenko, E.G. Evdokimov
THE PARAMETERS OF THE ELECTRON STATE OF ALUMINIUM ALLOYS OF THE SYSTEM «ALUMINIUM - MAGNESIUM»
The results of calculation of the electronic structure of the alloy on the basis of the research the difference Ref, ionization potentials, the study of interatomic bonds of components and the calculation of the electronic energy levels of the atoms of the components. On the basis of the developed technique is proposed calculation and construction of the two-component diagram of aluminum alloy of the system «Al - Mg».
Key words: aluminum alloys, the electronic structure of the alloy, the diagrams of state, interatomic distance.
Получено 20.07.12
