close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Параметры электронного состояния алюминиевых сплавов системы «Алюминий - магний»..pdf

код для вставкиСкачать
Материаловедение
УДК 669.018.28
А.А. Протопопов, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-17-85,
protopopov@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.И. Вальтер, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-17-85, valter.alex@rambler.ru
(Россия, Тула, ТулГУ),
П.И. Маленко, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, malenko@tsu.tula.ru
(Россия, Тула, ТулГУ),
Е.Г. Евдокимов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85,
valter.alex@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОГО СОСТОЯНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ СИСТЕМЫ «АЛЮМИНИЙ - МАГНИЙ»
Представлены результаты расчета электронного строения сплава на основе
исследований разности электроотрицательности, потенциалов ионизации, изучения
межатомных связей компонентов и расчета энергии электронных уровней атомов
компонентов. На базе разработанной методики предлагается расчет и построение
двухкомпонентной диаграммы состояния алюминиевого сплава системы «Al - Mg».
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, электронное строение сплава, диаграммы состояния, межатомное расстояние.
Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к материалам. Стандартные литейные и деформируемые сплавы
на основе алюминия часто не отвечают этим требованиям, что вынуждает
использовать более дорогие материалы, в частности, полученные по специальным технологиям (сверхбыстрая кристаллизация, механическое легирование, замешивание в расплав ультрадисперсных частиц и т.д.). Высокая стоимость последних существенно ограничивает производство и
потребление готовых изделий.
Основные требования к литейным алюминиевым сплавам – это высокий уровень эксплуатационных характеристик (то есть механических и
коррозионных свойств) в сочетании с хорошей технологичностью при литье. Последнее для используемых сейчас в промышленности технологий
означает низкую склонность к образованию горячих (кристаллизационных) трещин, хорошую жидкотекучесть, минимальную усадочную пористость, то есть хорошие литейные свойства. Однако они уступают по низкотемпературной прочности сплавам на базе систем «Аl – Сu» и «А1 – Zn –
Mg – Сu», по жаропрочности – сплавам «А1 – Сu – Мn», по коррозионной
стойкости – сплавам «Al – Mg» и «А1 – Zn – Mg». Последние обладают хорошими эксплуатационными характеристиками, но имеют низкие литейные свойства.
По всей видимости, есть два направления решения этой многолетней проблемы [1]:
дальнейшее совершенствование технологии и создание новых технологических процессов, которые позволят получать качественные отлив251
Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 8
ки из сплавов с низкими литейными свойствами;
разработка новых сплавов, сочетающих высокие эксплуатационные
свойства с хорошей технологичностью при литье по традиционным технологиям.
Данная работа направлена на изучение принципов разработки сплавов системы «Al – Mg» на базе исследования электронного строения сплава.
Сплавы «Al – Mg» выделяются наиболее высокой прочностью и
пластичностью среди всех литейных алюминиевых сплавов, превосходя по
этим показателям многие деформируемые сплавы. К недостаткам следует
отнести низкий предел текучести, а также склонность к потере пластичности при естественном старении. Кроме того, все прочностные свойства быстро снижаются с повышением температуры, и по показателям жаропрочности сплавы «Al – Mg» занимают одно из последних мест.
Добавка кремния несколько повышает жаропрочность, но все же рабочие температуры алюминиево-магниевых сплавов не превышают 100120 0С.
В настоящее время проводятся исследования электронного строения алюминиевых сплавов данной группы на основе анализа межатомного
взаимодействия элементов с целью определения более точных параметров
фазовых и структурных превращений, что позволит минимизировать недостатки, свойственные алюминиево-магниевым сплавам, и более полно
использовать их физико-механические свойства.
В таблице приведены результаты расчета взаимодействия атомов
магния и алюминия на разных электронных уровнях, проведенных по методике [2].
Определена «точка равновесия», которой соответствует концентрация магния 50,51 %. Уровню ионизации Mg1+ соответствует концентрация
36,40 %, а уровню Mg2+ – концентрация 33,57 % (вес.) магния.
На основе проведенных расчетов на рис. 1 представлена уточненная
диаграмма электронного состояния сплавов системы «Al – Mg».
Линия ABD на диаграмме представляет линию ликвидус. В точке А
0
(660 С) атомы алюминия имеют радиус 0,795 Å, радиус атомов магния составляет 1,55 Å. С повышением температуры до 686 0С (точка В) радиус атомов алюминия уменьшается до 0,75 Å, атомы магния на линии АВ находятся
в ионизированном состоянии (Mg1+, Mg2+, Mg3+, Mg4+ и т.д.).
При концентрации магния более 50,51 % (линия BD) температура на
линии ликвидус снижается до уровня 650 0С (точка D), радиус атомов алюминия увеличивается до 0,796 Å. Изменение межатомного расстояния между
алюминием и магнием на линии ликвидус ABD и линии AND показано на
рис. 2. Межатомное расстояние уменьшается на линии АВ от 2,345 Å до 2,30
Å, далее, на линии BD, происходит увеличение расстояния между атомами
до 2,416 Å (точка D), что связано с уменьшением температуры с 686
252
Материаловедение
до 650 0С.
Рис. 1. Диаграмма электронного состояния сплавов «Al – Mg»
Рис. 2. Изменение межатомного расстояния между магнием
и алюминием на линии ликвидус ABD и линии AND
253
Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 8
254
Материаловедение
На линии AND идет процесс образования металлической связи между
атомами магния и алюминия, и происходит формирование кристаллической
решетки. По линии AN межатомное расстояние растет с 2,345 Å до 2,466;
2,629; 2,741 Å и в точке N cоставляет 2,90 Å, что соответствует периоду кристаллической решетки – 4,101 Å. Ниже линии AN, по линиям АС и АЕ, происходит переход атомов алюминия из металлического в ковалентное состояние – Al1- (1,48 Å), Al2- (1,533 Å), при этом атомы алюминия присоединяют
электроны на 3p-уровень, приобретая конфигурацию 3s23p2 и 3s23p3 (рис. 3).
На линии ECF (450 0С) атомы алюминия находятся в ковалентном состоянии
Al2-, образуя ковалентные связи с атомами магния. При этом формируется
кубическая решетка, отвечающая координационному числу К 8 (1,39 Å →
1,48 Å → 1,533 Å), что видно по линии NC.
По линии NS происходит формирование кубической решетки с координационным числом К 12 (1,43 Å → 1,52 Å → 1,573 Å), при этом атомы
алюминия приобретают ковалентную конфигурацию электронов Al1- (1,52
Å), Al2- (1,573 Å). Длина межатомных связей возрастает до 3,12 Å и 3,173 Å, и
температура на линии FSK соответствует 437 0С. При концентрации магния
более 50,51 %, на линиях SD и KD, атомы алюминия находятся в ковалентном состоянии Al2-.
В этом случае между атомами магния и алюминия возникают более
жесткие ковалентные связи. Линия солидус на диаграмме – AECFSKD, при
концентрации 50,51 % магния она преломляется от температуры 450 0С к
температуре 437 0С за счет изменения координационного числа (К 8 → К
12).
Рис. 3. Изменение межатомного расстояния между алюминием
и магнием на линии АЕ (1) и линии АС (2)
Таким образом, ниже линии ликвидус ABD происходит процесс образования металлической связи между атомами магния и алюминия, и он за255
Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 8
вершается на линии AND. Ниже этой линии атомы магния и алюминия образуют уже ковалентные связи различной прочности, что характеризуют области AEC и SKD. В области твердого раствора магния в алюминии (ниже
линии АЕ) формируется α – область, которая характеризуется металлическими связями между разнородными атомами. Затем, в области ZEPH, между атомами алюминия и магния возникают ионные связи, с переходом атомов алюминия в ионное состояние – Alи1- (1,834 Å), Alи2- (2,311 Å). Нижняя
граница этой области соответствует температуре – 374 0С. При снижении
температуры ниже 374 0С происходит распад γ – раствора на α –фазу и ковалентное соединение алюминия и магния – AlMg (Al2-Mg2+) и химическое соединение Al3Mg2.
Данные исследования позволяют оценить изменения и процессы в
сплавах алюминия, происходящие на атомно-электронном уровне, что дает
возможность изучать электронную конфигурацию атомов в зависимости от
температуры и концентрации компонентов, а также переходы в межатомном взаимодействии элементов. Это служит основой для разработки сплавов, имеющих специальные физико-механические свойства.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг. Государственный контракт № П1026 от 27 мая 2010 г.
Список литературы
1. Золотаревский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2005. 376 с.
2. Евдокимов Е.Г., Баранов А.А., Вальтер А.И. Генезис электронной конфигурации в железоуглеродистых сплавах. Тула: Изд-во ТулГУ,
2004. 192 с.
3. Вальтер А.И., Протопопов Е.А. Формирование прочностных
свойств литейных алюминиевых сплавов // Матер. 3-й Междунар. научн.
конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». М.: Интерконтакт Наука. 2009. Т.1 С. 312-313.
A.A. Protopopov, A.I. Walter, P.I. Malenko, E.G. Evdokimov
THE PARAMETERS OF THE ELECTRON STATE OF ALUMINIUM ALLOYS OF
THE SYSTEM «ALUMINIUM - MAGNESIUM»
The results of calculation of the electronic structure of the alloy on the basis of the
research the difference Ref, ionization potentials, the study of interatomic bonds of components and the calculation of the electronic energy levels of the atoms of the components.
On the basis of the developed technique is proposed calculation and construction of the twocomponent diagram of aluminum alloy of the system «Al - Mg».
Key words: aluminum alloys, the electronic structure of the alloy, the diagrams of
state, interatomic distance.
Получено 20.07.12
256
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
21
Размер файла
604 Кб
Теги
алюминия, электронное, система, состояние, pdf, сплавов, магния, параметры, алюминиевые
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа