Исследование электронного строения сплавов системы "Al – Si"
Проведение оценки энергетического взаимодействия элементов в системе "алюминий-кремний" на основании расчета энергии электронных уровней атомов алюминия и кремния. Построение диаграммы состояния сплавов, которая отражает изменения электронного состояния.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.11.2018 |
| Размер файла | 42,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Исследование электронного строения сплавов системы "Al - Si"
Е.Г. Евдокимов
Аннотация
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 А 1--Si, Al--Сu, Al--Mg, Al--Сu--Si и т.д. Возможность применения того или иного сплава определяется механическими, эксплуатационными и технологическими свойствами. Прочностные свойства литейных алюминиевых сплавов лежат в пределах уB = 175450 МПа, ут = 125250 МПа, у = 220 %. энергетический алюминий кремний
Оценку энергетического взаимодействия элементов в системе "алюминий - кремний" проводили на основании расчета энергии электронных уровней атомов алюминия и кремния по следующим соотношениям [1]:
; (1)
Эту величину можно выразить также через R- радиус атома (иона), подставив соотношение
в выражение
,
что дает:
; (2)
Энергии электронных уровней атомов алюминия и кремния в металлической системе "алюминий - кремний" выразим также через R - радиусы ионов в виде суммы энергий электронных уровней атомов. Для двухкомпонентной системы уравнение (2) принимает следующий вид:
, (3)
где R1, R2 - радиусы атомов (ионов) компонентов, составляющих сплав; Ко - постоянная Больцмана; - 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 -1s22s22p63s23p1, радиусом 1,39 Е. В металлическом растворе атомы алюминия проявляют валентность Al3+, которые имеют электронную конфигурацию 1s22s22p6-3s2p1. Атомы алюминия отдают три внешних валентных электрона атомам кремния. Таким образом, в металлическом растворе атомы алюминия будут иметь радиус 0,57 Е. Также возможно, что атомы алюминия могут отдавать один электрон на уровне 2p6 и переходить к электронной конфигурации 1s22s22p5 (Al4+) радиусом 0,45 Е. Параметры электронного строения атомов алюминия и кремния представлены в табл.1 и 2.
Таблица 1
Параметры электронного строения атома алюминия
|
Состояние атома алюминия |
Электронная оболочка |
Металлическая валентность, Vm |
Потенциал ионизации, Um, эВ |
Радиус металлического иона, Rm, Е |
Атомный потенциал, Vm/Rm |
Электроотрицательность |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
Al0 |
2p63s2-3p1 |
0 |
0 |
1,39 |
0 |
0,81 |
|
|
Al1+ |
2p6-3s2 |
1 |
5,984 |
0,72 |
1,39 |
1,241 |
|
|
Al2+ |
2p6-3s1 |
2 |
18,823 |
0,635 |
3,15 |
1,787 |
|
|
Al3+ |
2p6 |
3 |
28,44 |
0,57 |
5,263 |
2,442 |
|
|
Al4+ |
1s22s2-3p5 |
4 |
119,96 |
0,45 |
8,89 |
3,566 |
|
|
Al5+ |
1s22s2-3p4 |
5 |
153,77 |
0,40 |
12,50 |
4,685 |
|
|
Al6+ |
1s22s2-3p3 |
6 |
190,92 |
0,38 |
15,79 |
5,705 |
|
|
Al7+ |
1s22s2-3p2 |
7 |
241,38 |
0,35 |
20,00 |
7,01 |
|
|
Al8+ |
1s22s2-3p1 |
8 |
284,53 |
0,30 |
26,67 |
9,078 |
|
|
Al9+ |
1s22s2 |
9 |
330,1 |
0,25 |
36,00 |
11,97 |
|
|
Al10+ |
1s22s1 |
10 |
398,1 |
0,17 |
58,824 |
19,045 |
|
|
Al11+ |
1s2 |
11 |
441,9 |
0,145 |
75,862 |
24,017 |
|
|
Al12+ |
1s1 |
12 |
2085 |
0,137 |
87,591 |
27,963 |
|
|
Al13+ |
1s0 |
13 |
2298 |
0,0554 |
234,660 |
73,554 |
|
|
Alя.о. |
ядерное облако |
- |
- |
0,00257 |
5058,366 |
1568,903 |
|
|
Alя. |
ядро |
- |
- |
4,199•10-5 |
- |
- |
Алюминий обладает основными свойствами, например, Al2O3 в обычных условиях проявляет основной характер
Атомы кремния имеют электронную конфигурацию 1s22s22p63s23p2, радиус которых 1,34 Е. Кремний может отдавать четыре внешних электрона и переходить в валентное состояние - Si4+ (1s22s22p6 -3s2p2).
Таблица 2
Параметры электронного строения атома кремния
|
Состояние атома кремния |
Электронная оболочка |
Металличская валентность, Vm |
Потенциал ионизации, Um, эВ |
Радиус металлического иона, Rm, Е |
Атомный потенциал, Vm/Rm |
Электроотрицательность |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
Si0 |
2p63s2-3p2 |
0 |
0 |
1,34 |
0 |
0,81 |
|
|
Si1+ |
2p63s2-3p1 |
1 |
8,149 |
0,93 |
1,538 |
1,287 |
|
|
Si2+ |
2p6-3s2 |
2 |
16,346 |
0,52 |
3,846 |
2,002 |
|
|
Si3+ |
2p63s1 |
3 |
33,493 |
0,45 |
6,667 |
2,877 |
|
|
Si4+ |
1s22s2-2p6 |
4 |
45,142 |
0,41 |
9,756 |
3,834 |
|
|
Si5+ |
1s22s2-2p5 |
5 |
166,77 |
0,38 |
13,158 |
4,889 |
|
|
Si6+ |
1s22s2-2p4 |
6 |
205,3 |
0,36 |
16,667 |
5,977 |
|
|
Si7+ |
1s22s2-2p3 |
7 |
246,5 |
0,34 |
20,588 |
7,192 |
|
|
Si8+ |
1s22s2-2p2 |
8 |
303,5 |
0,28 |
28,571 |
9,667 |
|
|
Si9+ |
1s22s22p1 |
9 |
351,1 |
0,27 |
33,333 |
11,143 |
|
|
Si10+ |
1s22s2 |
10 |
401,4 |
0,21 |
47,620 |
15,572 |
|
|
Si11+ |
1s22s1 |
11 |
476,4 |
0,13 |
84,615 |
27,041 |
|
|
Si12+ |
1s2 |
12 |
523,4 |
0,12 |
100,00 |
31,81 |
|
|
Si13+ |
1s1 |
13 |
2437,7 |
0,05 |
260,00 |
81,10 |
|
|
Si14+ |
1s0 |
14 |
2673,2 |
0,028 |
500,00 |
155,81 |
|
|
Siя.о. |
ядерное облако |
- |
- |
0,00332 |
4216,867 |
1308,04 |
|
|
Siя. |
ядро |
- |
- |
4,253•10-5 |
- |
- |
По результатам исследований электронного строения системы "алюминий - кремний" построена диаграмма состояния сплавов "Al - Si", 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 "А 1 - Si" и "A1- Si - Me" являются наиболее распространенными литейными алюминиевыми сплавами. Это связано с хорошим комплексом литейных технологических свойств, определяемых видом диаграммы состояния (рис. 1). Эвтектическая точка (11,3 % Si) смещена к чистому алюминию, поэтому основой эвтектики (Al + Si) является б - твердый раствор.
Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов "алюминий - кремний"
Линия ликвидус ABD 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 Е. С повышением температуры по линии AB радиус атомов кремния увеличивается до уровня 1,34 Е, а радиус атомов алюминия, наоборот, уменьшается до 0,57 Е. Точка В (50,09 %) является "точкой равновесия" при переходе которой меняется состояние атомов алюминия и кремния. На линии BD радиус атомов кремния уменьшается с 1,34 до 0,896 Е, а радиус атомов алюминия продолжает уменьшаться и в точке D составляет 0,45 Е.
По линиям AE и BE происходит кристаллизация сплавов с образованием ковалентных связей между атомами кремния и алюминия. При кристаллизации расплава атомы кремния стремятся заполнить уровень 3p2 до конфигурации 3p6, присоединив четыре электрона. При этом атомы кремния переходят в ковалентное состояние Si1-, Si2-, Si3-, Si4- с ковалентными радиусами равными 1.43, 1.483, 1.52 и 1.573 Е. Таким образом, на линии солидус AECF атомы кремния имеют электронную конфигурацию Si4- и образуют с атомами алюминия ковалентные связи. На линии CD из жидкости выделяются ковалентные группировки атомов кремния Si4-, т.е. уже в расплаве, при концентрации Si более 71,0 %, образуются кристаллы кремния. Из рассмотрения данной диаграммы (рис.1) 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: ТулГУ, 2004. - 192 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Характеристика алюминия и его сплавов. Технологический процесс производства алюминия и использование "толлинга" в производстве. Состояние алюминиевой промышленности и мировой рынок алюминия в конце 2007 - начале 2008 гг. Применение алюминия и его сплавов.
контрольная работа [6,2 M], добавлен 14.08.2009Общие понятия анализа диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, исследование свойства фаз и структурных составляющих. Технология построения кривых охлаждения и нагрева сплавов, определение составов фаз и расчет их количественного соотношения.
лабораторная работа [242,2 K], добавлен 01.12.2011Свойства алюминиево-магниевых, алюминиево-марганцевых и алюминиево-медных сплавов, их применение в промышленности. Характеристики порошковых сплавов алюминия и методы их получения в металлургии. Технологическая схема изготовления гранулированных сплавов.
реферат [28,2 K], добавлен 04.12.2011Алюминий - химический элемент третьей группы периодической системы элементов Менделеева. Перспективы развития производства и потребления алюминия. Свойства сплавов алюминия и особенности их применения в сферах современной техники, строительстве и быту.
реферат [35,9 K], добавлен 20.03.2012Составление диаграммы состояния системы свинец - сурьма. Количественное соотношение фаз и их химический состав в середине температурного интервала в первичной кристаллизации сплава с 10% Sp. Марочный состав цветных сплавов, способ упрочнения АМг.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 02.03.2016Понятие о металлических сплавах. Виды двойных сплавов. Продукты, образующиеся при взаимодействии компонентов сплава в условиях термодинамического равновесия. Диаграммы состояния двойных сплавов, характер изменения свойств в зависимости от их состава.
контрольная работа [378,1 K], добавлен 08.12.2013Диаграммы состояния и кристаллизация металлических сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Методы построения диаграмм состояния. Правило фаз Гиббса. Кристаллизация сплавов и твердых растворов. Правило концентраций и отрезков.
контрольная работа [122,1 K], добавлен 12.08.2009Механические свойства, обработка и примеси алюминия. Классификация и цифровая маркировка деформируемых алюминиевых сплавов. Характеристика литейных алюминиевых сплавов системы Al–Si, Al–Cu, Al–Mg. Технологические свойства новых сверхлегких сплавов.
презентация [40,6 K], добавлен 29.09.2013Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.
учебное пособие [4,8 M], добавлен 13.11.2013Способы получения алюминиево-кремниевых сплавов. Процесс углетермического восстановления оксидов кремния и алюминия. Механизм и кинетика процесса восстановления алюмосиликатных шихт в диапазоне составов силикоалюминия с использованием восстановителя.
автореферат [439,3 K], добавлен 16.06.2009Алюминий как основа конструкционных материалов. Технология производства алюминия, методы его очищения. Свойства и достоинства сверхчистого алюминия. Применение сплавов в промышленности, польза их старения. Алюминотермия и разработка фаз-упрочнителей.
реферат [29,4 K], добавлен 23.01.2010Система алюминий-магний (Al-Mg) как одна из самых перспективных при разработке свариваемых сплавов, основные недостатки и преимущества данной группы. Сплавы алюминия с прочими элементами, их основные характеристики. Области применения алюминиевых сплавов.
контрольная работа [24,6 K], добавлен 21.01.2015Графическое изображение равновесного фазового состояния сплавов в зависимости от температур и состава. Характеристика нонвариантных трехфазных превращений. Разбор структурно-фазовых превращений сплавов при охлаждении. Применение правила отрезков.
курсовая работа [547,5 K], добавлен 19.01.2013Общая характеристика и ценные свойства алюминия. Применение алюминия и его сплавов в разных отраслях промышленности. Основные современные способы производства алюминия. Производство глинозема: метод Байера и способ спекания. Рафинирование алюминия.
реферат [35,0 K], добавлен 31.05.2010Характеристика алюминия (серебристо-белого металла), его химическая активность, природные соединения, содержание в земной коре. Модификации оксида алюминия, их получение и применение в технике. Механические свойства и назначение алюминиевых сплавов.
реферат [11,2 K], добавлен 23.11.2010Анализ режимов лазерной сварки некоторых систем алюминиевых сплавов. Защита сварочного шва от окисления. Пороговый характер проплавления как отличительная особенность лазерной сварки алюминиевых сплавов. Макроструктура сварных соединений сплава.
презентация [1,7 M], добавлен 12.04.2016Свойства и атомно-кристаллическое строение металлов. Энергетические условия процесса кристаллизации. Строение металлического слитка. Изучение связи между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов.
курсовая работа [871,7 K], добавлен 03.07.2015Свойства металлов и сплавов. Двойные сплавы. Металлы применяемые в полиграфии. Технические требования к типографским сплавам. Важнейшие свойства типографских сплавов. Металлы для изготовления типографских сплавов. Диаграммы состояния компонентов.
реферат [32,5 K], добавлен 03.11.2008Диаграммы, изучение основных типов диаграмм состояния двойных систем, приобретение практических навыков изучения превращений, протекающих при кристаллизации сплавов. Анализ полученных данных и определение возможности их использования па практике.
методичка [349,8 K], добавлен 06.12.2008Тенденция к использованию более богатого по содержанию кремния ферросилиция и брикетов и комплексных сплавов на основе ферросилиция и кристаллического кремния. Физико-химические свойства кремния. Шихтовые материалы для производства ферросилиция.
курсовая работа [696,9 K], добавлен 02.02.2011
