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

УДК 621.74:669.13

, канд. техн. наук, доц., (48, valter. *****@***ru,

, д-р техн. наук, проф., (48, valter. *****@***ru,

, канд. техн. наук, доц., (48, *****@***,

(Россия, Тула, ТулГУ)

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ «Fe-C (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, 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+.

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.

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 0С. При концентрации углерода 2,36 % атомы железа переходят в ковалентное состояние Fe3- (1,382) и температурный интервал образования графита составляет 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 0С. При концентрации углерода 3,28 % атомы железа имеют ковалентную конфигурацию электронов Fe1- (1,329) и поэтому графит образуется в интервале 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.

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 a-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 (a-Fe).

Выводы

1. 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 g-Fe с образованием ионных связей между атомами углерода и железа в кристаллической ГЦК-решетке железа.

Список литературы

1. , , Таран металлографии чугуна. М.: Металлургия, 19с.

2. Григорович строение и термодинамика сплавов железа. М.: Наука, 19с.

3. , , Вальтер электронной конфигурации в железоуглеродистых сплавах. Тула: Изд-во ТулГУ, 20с.

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. Is 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.