Расчетная модель определения электронных параметров системы "Fe-C (графит)"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчетная модель определения электронных параметров системы "Fe-C (графит)"

Е.Г. Евдокимов

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, расстояние между центрами атомов равно 1,415 [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-C (графит)» проводили на основе расчета энергии электронных уровней атомов железа и углерода по следующим соотношениям [3]

. (1)

где m - масса электрона, - скорость движения электрона.

Эту величину можно выразить также через радиус атома (иона) R, подставив соотношение в (1), что дает выражение

. (2)

где К0 - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, R - радиус атома (иона).

Энергию электронных уровней атомов железа и углерода в металлической системе «Fe-C (графит)» выразим также через радиусы ионов R 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.

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 известных межатомных расстояний в графите (1,415 ), можно определить ковалентный радиус атома углерода, который будет равен 0,7075 . Исследование электронного строения сплавов системы «Fe-C (графит)» позволило построить диаграмму, которая представлена на рис. 1. Как видно из рис. 1, линия ликвидус АВD имеет минимум в точке В. Точке В соответствует температура 1428 0С 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.о. (ядерное облако), С6+, С5+. С повышением концентрации до 0,56, 0,69, 0,85 % атомы углерода переходят в состояние ионизации С4+, С3+, С2+. Далее, с увеличением концентрации до 1,07, 1,3, 1,5, 1,7, 1,9 % ионизация атомов углерода уменьшается до уровня С1+, С0,76+, С0,54+, С0,33+, С0,12+. При концентрации 2,012 % и температуре 1428 0С атомы углерода находятся в расплаве в состоянии ионизации С0 (нулевая ионизация). Атомы железа в области сталей, на линии ликвидус АВ, не ионизированы и находятся в состоянии Fe0, 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 Fe1+, Fe2+, Fe3+, 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+, Fe6+, Fe7+, Fe8+, Fe9+, Fe10+. металл сплав углерод ионный

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

Минимум температуры в точке В (1428 0С) 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.

Линия солидус АЕСF характеризуется переходом атомов углерода из металлического состояния в точке А (1539 0С), где радиус атома составляет 0,55, в ковалентное состояние в точке Е (1207 0С, концентрация углерода 1,98 %), где ковалентный радиус атома равен 0,7075. С понижением температуры от точки А (1539 0С) до точки Е (1207 0С) происходит переход атомов углерода из металлического (0,55) в ковалентное состояние С1- (0,603), С2- (0,64), С3- (0,67), С4- (0,71), что наблюдается, соответственно, при температуре 1413, 1314, 1273 и 1207 0С.

Ся.о. = 0,007, С - 0,026 % (вес.),

T = 1537 0C 2 - С5+ (0,045), С - 0,168 % (вес),

T = 1528 0C

5 - С2+ (0,23), С - 0,851 % (вес.),

T = 1486 0C 6 - С1+ (0,29), С - 1,071 % (вес.),

T = 1473 0C

8 - С0,52+ (0,42), С - 1,52 % (вес.),

T = 1451 0C 10 - С0 (0,55), С - 2,012 % (вес.),

T = 1428 0C

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

Формирование графита в доэвтектических чугунах начинается на линии солидус ЕС (1207 0С) и заканчивается на линии образования графита ЕC, т. е. происходит в температурном интервале, что видно из рис. 1. В точке Е (1,98 %) начинается переход атомов железа из металлического в ковалентное состояние Fe4- (1,419) с образованием ковалентных связей с атомами углерода, имеющими ковалентную конфигурацию электронов С4- радиусом 0,7075. Графит образуется по линии ЕЕ/ в температурном интервале 1207-1152 0С. При концентрации углерода 2,36 % атомы железа переходят в ковалентное состояние Fe3- (1,382) и температурный интервал образования графита составляет 1207-1162 0С. При концентрации углерода на линии солидус ЕС 2,78 %, атомы железа переходят из металлического в ковалентное состояние Fe2- (1,358) и графит образуется в интервале 1207-1169 0С. При концентрации углерода 3,28 % атомы железа имеют ковалентную конфигурацию электронов Fe1- (1,329) и поэтому графит образуется в интервале 1207-1178 0С. В эвтектической точке С (4,27 %) атомы железа, находящиеся в расплаве в ионизированном состоянии Fe4+, отдают четыре ионизированных электрона для создания ковалентной связи с атомами углерода С4- и переходят в ковалентное состояние Feк0 с радиусом 1,239, т.е. радиус атомов железа не меняется. В результате графит образуется при температуре 1207 0С.

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 0С в точке С до уровня 1219 0С 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 существует две фазы - аустенит первичный и жидкая фаза (Ж + АI). Изменение межатомного расстояния между железом и углеродом на линии ликвидус представлено на рис. 3.

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

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

В области ВDМС находятся три фазы - жидкая фаза, аустенит первичный и микрогруппировки ковалентных атомов углерода: АI + Ж + С (гр.). На линии ЕСМ происходит образование графита, так как на этой линии размеры атомов углерода (0,7075) соответствуют их межатомным связям в графите (1,415).

В области диаграммы СМF будет 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 [Си(1-) - 1,008, Си(2-) - 1,41, Си(3-) - 1,88, Си(4-) - 2,427] и образуют ионные связи с атомами железа в твердом растворе, что характеризует аустенит вторичный - АII. На линии PSК (732 0С) в точке S (0,693 %) происходит эвтектоидное превращение аустенита вторичного АII в -Fe (феррит) и графит в результате процесса распада атомов углерода в ионном состоянии на ковалентные атомы и атомы углерода в металлическом состоянии по следующей схеме

Си (2,427) Ск (0,7075) + Сме (0,55).

На основе ковалентных атомов углерода Ск (0,7075) образуется графит, а на основе атомов углерода в металлическом состоянии Сме (0,55) образуется феррит (-Fe).

Выводы

В сплавах системы «Fe-C (графит)» аустенит первичный (АI) характеризуется ковалентными связями атомов железа и углерода в твердом растворе и ковалентном состоянии атомов углерода С1-, С2-, С3-, С4- с радиусами атомов 0,603, 0,64, 0,67, 0,71 и формированием кристаллической ГЦК-решетки железа.

2. Аустенит вторичный (АII) является твердым раствором внедрения ионов углерода Си(1-), Си(2-), Си(3-), Си(4-) с радиусами ионов 1,01, 1,406, 1,883, 2,427 в -Fe с образованием ионных связей между атомами углерода и железа в кристаллической ГЦК-решетке железа.

Список литературы

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

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

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

Размещено на Allbest.ru