Исследование электронного строения сплавов системы «Al - Si»

The physicochemical properties of metals and alloys in different condition with dispersed electron structure. It is established that the interaction between the metal-solvent and other elements occurs at all electronic levels, including the nuclei of atoms.

Key words: atomic bonding, ionization, atom radius, energy interaction, crystallization.

Evdokimov Evgeny Georgievich, candidate of technical sciences, docent, evdoki-mov@tula.net, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.74; 669.13

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ СПЛАВОВ

СИСТЕМЫ «А1 - 81»

Е.Г. Евдокимов

Проведена оценка энергетического взаимодействия элементов в системе «алюминий - кремний» на основании расчета энергии электронных уровней атомов алюминия и кремния. Построена диаграмма состояния сплавов, которая отражает изменения электронного состояния атомов алюминия и кремния, и показывает влияние на структурные превращения при охлаждении и кристаллизации.

Ключевые слова: система «алюминий - кремний», энергетическое взаимодействие, кристаллизация, радиус ионов, диаграмма состояния.

В промышленности применяют большое количество литейных алюминиевых сплавов. Обычно их классифицируют по принципу общности базовой системы, определяющей основной комплекс свойств: сплавы А1—81, А1—Си, А1—М^, А1—Си—81 и т.д. Возможность применения того или иного сплава определяется механическими, эксплуатационными и технологическими свойствами. Прочностные свойства литейных алюминиевых сплавов лежат в пределах ов = 175...450 МПа, от = 125...250 МПа, о = 2...20 %.

Оценку энергетического взаимодействия элементов в системе «алюминий - кремний» проводили на основании расчета энергии электронных уровней атомов алюминия и кремния по следующим соотношениям [1]:

Еп = - 2 шЪ2.

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

подставив соотношение j2 = ze в выражение E = - 1 mJ2, что дает

mRn \ 2 )

2 2

Еп = -= -*0 —

п 2Лп 0 2Л

Энергии электронных уровней атомов алюминия и кремния в металлической системе «алюминий - кремний» выразим также через Я - радиусы ионов в виде суммы энергий электронных уровней атомов. Для двухкомпонентной системы уравнение (2) принимает следующий вид:

2 2 2 / 1 1 Л

е е е 11

Е = Еп + Еп = -К о--Ко-= -К о —--1--

П1 П2 0 2Я1 0 2Я2 0 2 ^ Я1 Я2 у

где Яь Я2 - радиусы атомов (ионов) компонентов, составляющих сплав; Ко - постоянная Больцмана; е - заряд электрона.

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 [2].

Атомы алюминия имеют электронное строение 1в22822р63в23р1 радиусом 1,39 А. В металлическом растворе атомы алюминия проявляют ва-

3+ 2 2 6 2 1

лентность А1 и имеют электронную конфигурацию 1 б 22Б22р6-382р1. Атомы алюминия отдают три внешних валентных электрона атомам кремния. Таким образом, в металлическом растворе атомы алюминия будут иметь радиус 0,57 А. Также возможно, что атомы алюминия могут отдавать один электрон на уровне 2р6 и переходить к электронной конфигурации

9 9 ^ А-1- 9

2б 2р (А1 ) радиусом 0,45 А. Параметры электронного строения атомов алюминия и кремния представлены в табл.1 и 2.

Таблица 1

Параметры электронного строения атома алюминия

Состоя стояние атома алюминия Электронная оболочка Метал-личес кая валентность, Ут Потенциал ионизации, Ит, эВ Радиус металлического иона, Ят, А Атомный потенциал, Ут/Кт Электро отрицательность

1 2 3 4 5 6 7

А10 2р63Б2-3р1 0 0 1,39 0 0,81

А11+ 2р6-3Б2 1 5,984 0,72 1,39 1,241

А12+ 2р6-3Б1 2 18,823 0,635 3,15 1,787

А13+ 2р6 3 28,44 0,57 5,263 2,442

А14+ 1Б22Б2-3Р5 4 119,96 0,45 8,89 3,566

А15+ 182282-3р4 5 153,77 0,40 12,50 4,685

А16+ 1Б22Б2-3Р3 6 190,92 0,38 15,79 5,705

А17+ 1Б22Б2-3Р2 7 241,38 0,35 20,00 7,01

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6 7

А18+ Ь22в2-3р1 8 284,53 0,30 26,67 9,078

А19+ 1Б22Б2 9 330,1 0,25 36,00 11,97

А110+ 1Б22Б1 10 398,1 0,17 58,824 19,045

А111+ Ь2 11 441,9 0,145 75,862 24,017

А112+ Ы 12 2085 0,137 87,591 27,963

А113+ 1Б0 13 2298 0,0554 234,660 73,554

А1я.о. Ядерное облако - - 0,00257 5058,366 1568,903

А1я. Ядро - - 4,199-10-5 - -

Алюминий обладает основными свойствами, например, А1203 в обычных условиях проявляет основной характер.

Атомы кремния имеют электронную конфигурацию 22в22р63в23р2 радиус 1,34 А. Кремний может отдавать четыре внешних электрона и переходить в валентное состояние 814+ (1в22в22р6 -3Б2р2).

Таблица 2

Параметры электронного строения атома кремния

Состоя стояние атома кремния Электронная оболочка Метал-личес-кая ва-лент-ность, Уш Потенциал ионизации, Иш, эВ Радиус металлического иона, Яш, А Атомный потенциал, Уп/К-ш Электро-отрицательность

Б10 2р63Б2-3р2 0 0 1,34 0 0,81

Б11+ 2р63Б2-3р1 1 8,149 0,93 1,538 1,287

Б12+ 2р6-3Б2 2 16,346 0,52 3,846 2,002

Б13+ 2р63Б1 3 33,493 0,45 6,667 2,877

Б14+ 1Б22Б2-2р6 4 45,142 0,41 9,756 3,834

Б15+ 1Б22Б2-2Р5 5 166,77 0,38 13,158 4,889

Б16+ 1Б22Б2-2Р4 6 205,3 0,36 16,667 5,977

й'+ 1Б22Б2-2Р3 7 246,5 0,34 20,588 7,192

Б18+ 1Б22Б2-2Р2 8 303,5 0,28 28,571 9,667

Б19+ 1Б22Б22Р1 9 351,1 0,27 33,333 11,143

Б110+ 10 401,4 0,21 47,620 15,572

Б111+ 11 476,4 0,13 84,615 27,041

182 12 523,4 0,12 100,00 31,81

Б113+ 181 13 2437,7 0,05 260,00 81,10

Б114+ 180 14 2673,2 0,028 500,00 155,81

Б1яо. ядерное облако - - 0,00332 4216,867 1308,04

Б1я. ядро - - 4,253-10"5 - -

По результатам исследований электронного строения системы «алюминий - кремний» построена диаграмма состояния сплавов «А1 - 81», показанная на рис.1. Диаграмма отражает изменения электронного состояния атомов алюминия и кремния в металлической системе, и таким образом эти процессы влияют на структурные превращения сплавов при их охлаждении и кристаллизации. Сплавы «А1 - 81» и «А1- 81 - Ме» являются наиболее распространенными литейными алюминиевыми сплавами. Это связано с хорошим комплексом литейных технологических свойств, определяемых видом диаграммы состояния (рисунок). Эвтектическая точка (11,3 % 81) смещена к чистому алюминию, поэтому основой эвтектики (А1 + 81) является а-твердый раствор.

-»-Б!, %

Диаграмма состояния сплавов «алюминий - кремний»

Линия ликвидус АВБ отвечает жидкому состоянию сплавов, ниже этой линии начинается процесс кристаллизации сплавов. В точке А радиус атомов кремния и алюминия равен 1,29 и 1,289 А. С повышением температуры по линии АВ радиус атомов кремния увеличивается до уровня 1,34 А, а радиус атомов алюминия, наоборот, уменьшается до 0,57 А. Точка В (50,09 %) является «точкой равновесия», при переходе которой меняется состояние атомов алюминия и кремния. На линии ВБ радиус атомов кремния уменьшается с 1,34 до 0,896 А, а радиус атомов алюминия продолжает уменьшаться и в точке Б составляет 0,45 А.

По линиям АЕ и ВЕ происходит кристаллизация сплавов с образованием ковалентных связей между атомами кремния и алюминия. При кристаллизации расплава атомы кремния стремятся заполнить уровень 3р2

97

до конфигурации 3p6, присоединив четыре электрона. При этом атомы кремния переходят в ковалентное состояние Si1-, Si2-, Si3-, Si4- с ковалент-ными радиусами, равными 1,43, 1,483, 1,52 и 1,573 А. Таким образом, на линии солидус AECF атомы кремния имеют электронную конфигурацию Si4- и образуют с атомами алюминия ковалентные связи. На линии CD из

4-

жидкости выделяются ковалентные группировки атомов кремния Si , т.е. уже в расплаве при концентрации Si более 71,0 % образуются кристаллы кремния. Из рассмотрения данной диаграммы (см. рисунок) можно заключить, что линия ликвидус ABD и линия солидус AECF - это разные линии по электронной конфигурации атомов алюминия и кремния и они не могут иметь точки пересечения, как на традиционных диаграммах «Al - Si».

Список литературы

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

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

Евдокимов Евгений Георгиевич, канд. техн. наук, доц., evdokimov@tula.net, Россия, Тула, Тульский государственный университет

INVESTIGATION OF ELECTRONIC STRUCTURE OF ALLOYS «Al - Si»

E.G. Evdokimov

Assessment of energy of interaction of elements in the system «aluminum - silicon» on the basis of the calculation of the electronic energy levels of atoms of aluminum and silicon. Constructed the phase diagram of alloys, which reflects the changes of the electronic state of atoms of aluminum and silicon, and shows the influence on the structural transformations during cooling and crystallization.

Key words: system «aluminum - silicon», energy interaction, crystallization, ion radius, state diagram.

Evdokimov Evgeny Georgievich, candidate of technical sciences, docent, evdoki-mov@tula.net, Russia, Tula, Tula State University