Научная статья на тему 'Расчетная модель определения электронных параметров системы «Fe c (графит)»'

Расчетная модель определения электронных параметров системы «Fe c (графит)» Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
142
58
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА / ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ / АТОМНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ УРОВЕНЬ / АТОМНЫЕ ЯДРА

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Евдокимов Е. Г., Вальтер А. И., Маленко П. И.

Рассмотрены физико-химические свойства металлов и сплавов в различном состоянии с дисперсной электронной структурой. Установлено, что взаимодействие между металлом-растворителем и другими элементами происходит на всех электронных уровнях, включая ядра атомов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SETTLEMENT MODEL OF DEFINITION OF ELECTRONIC PARAMETERS OF SYSTEM "Fe-C (GRAPHITE)"1

The physicochemical properties of metals and alloys in a various condition with disperse by electronic structure are considered. Atis established, that the interaction between metal solvent and other elements occurs at all electronic levels, including nucleuses of atoms.

Текст научной работы на тему «Расчетная модель определения электронных параметров системы «Fe c (графит)»»

УДК 621.74:669.13

Е.Г. Евдокимов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, valter.alex@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.И. Вальтер, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-17-85, уакег. alex@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

П.И. Маленко, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, malenko @tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ <^е - С (ГРАФИТ)»

Рассмотрены физико-химические свойства металлов и сплавов в различном состоянии с дисперсной электронной структурой. Установлено, что взаимодействие между металлом-растворителем и другими элементами происходит на всех электронных уровнях, включая ядра атомов.

Ключевые слова: электронная структура, железоуглеродистые сплавы, атомно-электронный уровень, атомные ядра.

Атом углерода характеризуется электронной конфигурацией 1s22s22p2, существует несколько полиморфных модификаций углерода. Между атомами углерода в графите действуют сильные ковалентные связи, атомы располагаются в углах правильных шестиугольников, расстоя-

О

ние между центрами атомов равно 1,415 А [1]. В ковалентных связях заняты три валентные электрона каждого атома, четвертые валентные электроны коллективизированы и это придает графиту высокую электропроводность, непрозрачность [2]. Оценку энергетического взаимодействия элементов в системе «Fe - С (графит)» проводили на основе расчета энергии электронных уровней атомов железа и углерода по следующим соотношениям [3]:

1 2

En = —^ти , (1)

где т - масса электрона; и - скорость движения электрона.

Эту величину можно выразить также через радиус атома (иона) R,

2 ko ze

подставив соотношение и =------------в (1), что дает выражение

тЯп

К0 г 2 г 2

Еп =-----= — К о-----------------------------------, (2)

п 2 Яп 2 Я ^

где К о - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Я - радиус атома (иона).

Энергию электронных уровней атомов железа и углерода в металлической системе «Гг - С (графит)» выразим также через радиусы ионов Я

в виде суммы энергий электронных уровней атомов. Для двухкомпонентной системы уравнение (2) принимает следующий вид:

2 2 2 / Л л \

е е е 11

Е = Ещ + ЕП2 =-К0----К0---= -К0------+

Щ П2 0 2R1 0 2R2 0 2

(3)

где Я\, R2 - радиусы атомов (ионов) компонентов, составляющих сплав.

Уравнение (3) позволяет рассчитать энергию электронных уровней взаимодействующих атомов в металлической системе и на основе этого определить температуру сплава, так как энергия системы эквивалентна ее температуре. Концентрационную зависимость растворимости элементов рассчитывали по методике, изложенной в работе [3]. Исходя из условия

О

известных межатомных расстояний в графите (1,415 А), можно опреде-

О

лить ковалентный радиус атома углерода, который будет равен 0,7075 А. Исследование электронного строения сплавов системы <^е - С (графит)» позволило построить диаграмму, которая представлена на рис. 1.

Т,оС

1539

1300

1489

1400^

1390

1300-

1200-

1100-

1000-

8оЙ

,АС5+

-с4: с2+с1.

,С?'*~*'*^С /"0,5+

■ <с1-

В(1428р) Ре1-

Ж

.1+ Ро2+

10+

р3+ р5+ Рэ8+

С

С?-

А + А| \.с?- ж+ а

С (0,3-)"*'"*

и ^т^т-т^л^Е(С4-) 12070 С4'

С3-

С4-

А + ж+С(гр) С4- С4-

С4-

Си(0,2-)

А|

Си(1-)]1

Е'(1152р)

С

и/

Си(22-)

''¿,(3-) С,(!Ч/ |

Ре3- Ре

А1 - графит

2- Ре1

С]2!

С

Ж+графит

Т(7650) Си(2-)

Си(2-)

14630

D

12190 М

Р

775р

L

С, %(вес)

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов Fe - С (графит) с ионными связями атомов углерода в графите на линии ZQTL

к

Как видно из рис. 1, линия ликвидус АВD имеет минимум в точке В. Точке В соответствует температура 1428 °С и концентрация 2,012 % (вес.). На линии ликвидус АВ атомы углерода находятся в ионизированном состоянии; при концентрации углерода 1,2 ■ 10-4, 0,026, 0,134, 0,168 % (вес.)

атомы углерода находятся в состоянии ионизации Ся' (ядро), Ся'° (ядерное облако), Сб+, С5+. С повышением концентрации до 0,56, 0,69, 0,85 % ато-

/"»4+ /"»3+ ^»2+ тг

мы углерода переходят в состояние ионизации С , С , С . Далее, с увеличением концентрации до 1,07, 1,3, 1,5, 1,7, 1,9 % ионизация атомов угле-

/"»1+ /"»0,76+ /"»0,54+ /-»0,33+ /"»0,12+ т—г

рода уменьшается до уровня С , С , С , С , С . При

концентрации 2,012 % и температуре 1428 °С атомы углерода находятся в расплаве в состоянии ионизации С° (нулевая ионизация). Атомы железа в области сталей на линии ликвидус АВ не ионизированы и находятся в состоянии Ре0, т. е. имеют нулевой уровень ионизации. Межатомное взаимодействие осуществляется за счет перекрытия электронных оболочек атомов железа и углерода. С увеличением концентрации углерода более

2.012 % (вес.) на линии ликвидус ВD происходит ионизация атомов железа до уровня Ре1+, Fe2+, Ре3+, Fe4+ при содержании углерода 2,78, 3,28, 4,07,

4,27 %. При дальнейшем повышении концентрации до 4,75, 5,03, 5,24, 5,71, 6,60, 6,67 % (вес.) ионизация атомов железа растет до уровня Fe5+, Feб+,

7-т 7+ /г 8+ 7-т 9+ 7-т 10 +

ре ,Ье ,Ье ,ре .

Минимум температуры в точке В (1428 °С) при концентрации

2.012 % (вес.) углерода можно объяснить различным межатомным взаимодействием элементов в области сталей и в области чугунов. Изменение состояния атома углерода на линии ликвидус показано на рис. 2.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Линия солидус АЕСЬ характеризуется переходом атомов углерода из металлического состояния в точке А (1539 °С), где радиус атома состав-

О

ляет 0,55 А, в ковалентное состояние в точке Е (1207 °С, концентрация угО

лерода 1,98 %), где ковалентный радиус атома равен 0,7075 А. С понижением температуры от точки А (1539 °С) до точки Е (1207 0С) происходит

О

переход атомов углерода из металлического (0,55 А) в ковалентное со-

О О О О

стояние С1" (0,603 А), С2’ (0,64 А), С3" (0,67 А), С4' (0,71 А), что наблюда-

ется соответственно при температуре 1413, 1314, 1273 и 1207 °С.

Формирование графита в доэвтектических чугунах начинается на линии солидус ЕС (1207 °С) и заканчивается на линии образования графита ЕС, т. е. происходит в температурном интервале, что видно из рис. 1. В точке Е (1,98 %) начинается переход атомов железа из металлического в

О

ковалентное состояние Ье4' (1,419 А) с образованием ковалентных связей с атомами углерода, имеющими ковалентную конфигурацию электронов С4'

О

радиусом 0,7075 А. Графит образуется по линии ЕЕ в температурном интервале 1207...1152 °С. При концентрации углерода 2,36 % атомы железа

О

переходят в ковалентное состояние Ье3' (1,382 А) и температурный интервал образования графита составляет 1207.1162 °С.

Ся о = 0,007 А, С - 0,026 % (вес.), Т = 1537 °С

2 - С5+ (0,045 А), С - 0,168 % (вес),

Т = 1528 °С

5 - С2+ (0,23 А), С - 0,851 % (вес.), 6 - С1+ (0,29 А), С - 1,071 % (вес.),

Т= 1486 °С

Т= 1473 °С

8 - С°’52+ (0,42 А),

С - 1,52 % (вес.), Т = 1451 °С

10 - С (0,55 А), С - 2,012 % (вес.), Т = 1428 °С

Рис. 2. Состояние атома углерода на линии ликвидус диаграммы «Fe - С (графит)»

При концентрации углерода на линии солидус ЕС 2,78 % атомы же-

О

леза переходят из металлического в ковалентное состояние Ье2' (1,358 А) и графит образуется в интервале 1207.1169 °С. При концентрации углерода

3,28 % атомы железа имеют ковалентную конфигурацию электронов Ье1'

О

(1,329 А) и поэтому графит образуется в интервале 1207.1178 °С. В эвтектической точке С (4,27 %) атомы железа, находящиеся в расплаве в ио-

4+

низированном состоянии Ье , отдают четыре ионизированных электрона

^ ^4-

для создания ковалентной связи с атомами углерода С и переходят в ко-

о

о

о

о

о

о

О

валентное состояние Fe к0 с радиусом 1,239 А, т.е. радиус атомов железа не меняется. В результате графит образуется при температуре 1207 °С.

В заэвтектических чугунах с увеличением концентрации углерода более 4,27 % радиус атомов железа уменьшается и графит образуется из расплава по линии СМ, где температура повышается от уровня 1207 °С в точке С до уровня 1219 °С в точке М (6,67 %). Выше линии ликвидус АВD находится жидкая фаза Ж. В области АВСЕ из жидкой фазы выделяется твердая фаза - аустенит первичный, который характеризуется ковалентными связями между атомами железа и углерода в твердом растворе [3]. По линиям АЕ и ВС происходит рост ковалентного радиуса атомов углерода до состояния С1", С2’, С3", С4’, которые образуют ковалентные связи различной прочности с атомами железа. Таким образом, в области АВСЕ существуют две фазы - аустенит первичный и жидкая фаза (Ж + А1). Изменение межатомного расстояния между железом и углеродом на линии ликвидус представлено на рис. 3.

Т = 1539 °С; С - 0,00012 % (вес.) Т = 1428 °С, С - 2,012 % (вес.)

Рис. 3. Межатомное расстояние между железом и углеродом на линии ликвидус диаграммы «Fe - С (графит)»

В области ВОМС находятся три фазы - жидкая фаза, аустенит первичный и микрогруппировки ковалентных атомов углерода: А1 + Ж + С (гр.). На линии ЕСМ происходит образование графита, так как на этой лиО

нии размеры атомов углерода (0,7075 А ) соответствуют их межатомным

О

связям в графите (1,415 А).

В области диаграммы СМF будут находиться две фазы: оставшаяся жидкая фаза и графит, который образуется по линии СМ - (Ж + графит). В области диаграммы NEE/SG атомы углерода находятся в ионном состоянии

О О О О

[Си(1-) - 1,008 А, Си(2-) - 1,41 А, Си(3-) - 1,88 А, Си(4-) - 2,427 А] и об-

разуют ионные связи с атомами железа в твердом растворе, что характеризует аустенит вторичный Ад. На линии PSК (732 °С) в точке S (0,693 %) происходит эвтектоидное превращение аустенита вторичного А11 в a-Fe (феррит) и графит в результате процесса распада атомов углерода в ион-

ном состоянии на ковалентные атомы и атомы углерода в металлическом состоянии по следующей схеме:

о о о

Си (2,427 А) ^ Ск (0,7075 А) + Сме (0,55 А).

о

На основе ковалентных атомов углерода Ск (0,7075 А) образуется графит, а на основе атомов углерода в металлическом состоянии Сме

о

(0,55 А) образуется феррит (a-Fe).

Выводы

1. В сплавах системы «Fe — C (графит)» аустенит первичный (А1) характеризуется ковалентными связями атомов железа и углерода в твер-

/"»1- /"»2- /"»3- ^4-

дом растворе и ковалентном состоянии атомов углерода С , С , С , С с

о

радиусами атомов 0,603, 0,64, 0,67, 0,71 А и формированием кристаллической ГЦК-решетки железа.

2. Аустенит вторичный (Ап) является твердым раствором внедрения ионов углерода Си(1-), Си(2-), Си(3-), Си(4-) с радиусами ионов 1,01, 1,406,

о

1,883, 2,427 А в y-Fe с образованием ионных связей между атомами углерода и железа в кристаллической ГЦК-решетке железа.

Работа представлена на Международной Интернет-конференции по металлургии и металлообработке, проведенной ТулГУ 1 - 30 июня 2011 г.

Список литературы

1. Бунин К.П., Малиночка Я.Н., Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969. 416 с.

2. Григорович В.К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа. М.: Наука, 1970. 292 с.

3. Евдокимов Е.Г., Баранов А.А., Вальтер А.И. Генезис электронной конфигурации в железоуглеродистых сплавах. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 192 с.

E.G. Evdokimov, A.I. Walter, P.I. Malenko

SETTLEMENT MODEL OF DEFINITION OF ELECTRONIC PARAMETERS OF SYSTEM "Fe-C (GRAPHITE)"

The physicochemical properties of metals and alloys in a various condition with disperse by electronic structure are considered. Atis established, that the interaction between metal - solvent and other elements occurs at all electronic levels, including nucleuses of atoms.

Key words: electronic structure, iron-carbon of alloys, atomic-electronic level, nuclear nucleuses.

Получено 26.12.11

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.