Рис.8. Формирование ОЦК -решетки - фазы на линии QHB системы Fe - V
Изменение межатомных расстояний между атомами железа и ванадия на линии ликвидус ABD и линии солидус АЕЕ'CD представлено на рис.9. На линии ликвидус АВD, в точке А, расстояние между атомами железа и ванадия составляет 1,435 , достигая максимального значения в точке В (2,574 ) при температуре 1655 оС (рис.9, линия 1). Изменение периода кубической решетки - фазы на линии QHB показано на рис.9 (линия 3). На линии солидус АЕE'CD идет процесс формирования ОЦК-решетки - фазы; на участке АH, в интервале концентраций 0,0038 - 6,5 % (атомн.) ванадия, происходит интенсивный рост межатомного расстояния от 1,435 в точке А до 2,538 в точке Н, при этом атомы ванадия переходят из высоко ионизированного состояния Vя. (ядро), Vя.о. (ядерное облако) в металлическое состояние (V0) c нулевым уровнем ионизации (рис.9, линия 2). В результате, в точке Н при температуре 1532 оС, формируется ОЦК -решетка - фазы с периодом равным 2,538 . Далее, при концентрации ванадия, на линии АЕ, более 6,5 %, идет переход атомов ванадия из металлического состояния V0 (1,314 ) в ковалентное V1-, V2-, V3-, V4-, V5-, V6-, V7- с последовательным увеличением их радиуса до 1.457, 1.495, 1.524, 1.547, 1.567, 1.585 , период ОЦК -решетки - фазы растет при этом до 2.61, 2.672, 2.72, 2.74, 2.774, 2.845 .
Рис.9. Изменение межатомного расстояния между железом и ванадием на линии ликвидус АВD (1), линии солидус АНЕЕ'CD (2) и линии формирования ОЦК -решетки - фазы QHB (3) системы Fe - V
При охлаждении сплавов ниже линии солидус - АЕСD атомы ванадия cохраняют ковалентную конфигурацию электронов V7- радиусом 1,585 . Все процессы, происходящие в расплавах на атомно-электронном уровне, связаны с изменением радиуса атомов хрома, никеля и ванадия в системе Fe - Cr, Fe - Ni и Fe - V (рис.10). В системе «Fe - Cr» атому хрома радиусом 1,246 с электронной конфигурацией 3p63d54s1 отвечает концентрация 48,36 % (ат.) хрома, однако ядру атома соответствует концентрация 47,54 %, где радиус атома хрома равен 1,206 , что свидетельствует о переходе одного электрона с 4s-уровня на 3d-уровень.
Рис.10. Изменение радиуса атома ванадия, хрома и никеля в расплаве в системе Fe - V, Fe - Cr и Fe - Ni
Таким образом, атомы железа, воздействуя на электронные оболочки атомов хрома сжимают их, в результате формируется электронная конфигурация атома хрома 3p63d6 радиусом 1,206 . В системе «Fe - V» атому ванадия радиусом 1,314 с электронной конфигурацией 3p63d34s2 соответствует концентрация 49,17 % (ат.) ванадия, а ядру атома отвечает концентрация 46,89 %, где радиус атома ванадия равен 1,199 . В этой системе происходит еще большее воздействие атомов железа на электронные оболочки атомов ванадия, что приводит к переходу двух электронов с 4s-уровня на 3d-уровень с формированием электронной конфигурации - 3p63d5 радиусом 1,199 (рис.10). В системе «Fe - Ni» атому никеля радиусом 1,243 с электронной конфигурацией 3p63d84s2 соответствует концентрация 51,33 %, а ядру атома - 51,28 % (ат.), c радиусом атома никеля при этой концентрации 1,241. Практически, при взаимодействии атомов железа и никеля в расплаве электронная конфигурация атомов Ni cохраняется без изменения. Поэтому, чтобы получить область аустенита в более широком концентрационном интервале ( - Fe, ' - Fe) в системе Fe - Cr и Fe - V необходимо воздействовать на атомы хрома и ванадия внешними факторами с тем, чтобы перевести электронную конфигурацию Cr - 3p63d6 (1,206 ) 3p63d54s1 (1,246 ) и для ванадия V - 3p63d5 (1,199 ) 3p63d34s2 (1,314). В системе «Fe - Ni» электронная конфигурация атомов никеля остается без изменения, что свидетельствует о слабом воздействии атомов железа на внешние оболочки атомов никеля.
Выводы
Металлические радиусы атомов элементов зависят от концентрации компонентов в расплаве, с изменением концентрации меняется межатомное взаимодействие и геометрические параметры атомов. Состояние «остова» атома, а также валентных электронов, не является стабильным, а претерпевает изменения связанные с влиянием температуры, концентрации и других внешних воздействий, что влияет на волновые свойства электронов и, соответственно, на радиусы атомов;
Установлено, что атомы хрома, никеля, ванадия и железа в расплаве, выше линии ликвидус, находятся в ионизированном состоянии - (Меn+). Степень ионизации атомов зависит от температуры и концентрации компонентов в расплаве.
Показано, что при охлаждении расплава ниже линии ликвидус атомы компонентов переходят из ионизированного состояния (Меn+) в металлическое (Ме0) с нулевым уровнем ионизации, а затем в ковалентное состояние (Меk-), при этом формируется объемно-центрированная решетка (ОЦК - решетка) - фазы. В твердой - фазе атомы компонентов образуют ковалентные связи различной прочности, что определяется количеством связывающих электронов.
При применении разработанной методики расчета растворимости элементов в расплаве на основе их атомно-электронного строения, зависимости радиуса атомов от концентрации компонентов и расчета энергии электронных уровней атомов построены диаграммы состояния сплавов железа Fe - Cr, Fe - Ni и Fe - V.
Список литературы
1. Евдокимов Е.Г. Электронная структура и межатомные связи в железоуглеродистых сплавах. - Литейное производство, 1999, N 4. - c. 19 - 20.
2. Осипов К.А. Нуклоны ядер в расчетах некоторых свойств атомов и молекул. - М.: ЭЛИЗ, 2000. - 28 с.
3. Евдокимов Е.Г., Баранов А.А., Вальтер А.И. Генезис электронной конфигурации в железоуглеродистых сплавах. - Монография, Тула: ТулГУ, 2004. - 192 с.
4. Евдокимов Е.Г. Исследование межатомного взаимодействия и электронной структуры сплавов Fe - Cr. - «Компьютерные технологии в соединении материалов» - Сб. научн. трудов 3-й Всерос. науч.-техн. конф.- Тула: ТулГУ, 2001. - с. 173 - 178.
5. Евдокимов Е.Г. Диаграмма состояния сплавов «железо - хром». - Научные основы решения проблем металлургических производств. - Известия ТулГУ. Выпуск 2. - Тула, 2002. - с. 74 - 80.
6. Евдокимов Е.Г., Кузьмин В.Н. Электронная структура расплавов системы Fe - Ni. - Научные основы решения проблем металлургических производств. - Известия ТулГУ. Выпуск 2. - Тула, 2002. - с. 81 - 85.
7. Евдокимов Е.Г. Электронное строение легированных сплавов железа. Монография. - Тула, Изд-во ТулГУ, 2005. - 240 с.