Исследование электронного строения сплавов системы «al - si»

УДК 621.74:669.13

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ «Al – Si»

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—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 %.

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; e - 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	Металличес кая валентность, Vm	Потенциал ионизации, Um, эВ	Радиус металлического иона, Rm, Е	Атомный потенциал, Vm/Rm	Электро отрицательность
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	Электрон ная оболочка	Металличес кая валентность, Vm	Потенциал ионизации, Um, эВ	Радиус металлического иона, Rm, Е	Атомный потенциал, Vm/Rm	Электро отрицательность
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 «А1 – 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. Электронное строение и термодинамика сплавов железа. - М.: Наука, 1970. - 292 с.

2. , , Генезис электронной конфигурации в железоуглеродистых сплавах. - Монография, Тула: ТулГУ, 2004. - 192 с.

, кан. техн. наук, доцент, *****@***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.

Keywords: system «aluminum – silicon», energy interaction, crystallization, ion radius, state diagram.

Evdokimov Evgeny Georgievich, candidate of technical science, docent, evdokimov@tula, net, Russia, Tula, Tula State University