Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Представления о кристаллах, как геометрически правильных системах, — идеализированы. Исходя из них, невозможно объяснить такие явления, как рост кристаллов |И рекристаллизация, теплота и электропроводность, диффузионные и другие структурно-чувствительные свойства кристаллов *. Причиной расхождения между теоретической и реальной прочностью металлов оказалось несовершенство реальных кристаллов.
Условия образования металлов из жидкого состояния и последующая их обработка вызывают целый ряд отклонений (дефектов) в форме кристалла и его внутренней структуре. Дефекты делят на точечные, линейные и поверхностные. К точечным относят вакансии («дырки»), т. е. узлы решетки, в которых отсутствуют ионы и внедрения инородных ионов. Вакансии — наиболее распространенный дефект кристаллической решетки. Количество вакансий возрастает при нагреве кристалла, так как они образуются путем срыва атомов (ионов) со своих мест в результате теплового движения. Равновесное количество вакансий N' в кристалле при температуре Т можно определить по формуле
— = e~If, (IV. 14)
N к
где N— общее число узлов; и — энергия дыркообразова-ния, по порядку величины близкая к скрытой теплоте ис-
* К структурно-чувствительным относят те свойства кристаллов, которые количественно изменяются в зависимости от дефектности структуры кристалла.
151
парения; k — постоянная Больцмана, равная универсальной газовой постоянной, деленной на число Авогадро.
Внедренные ионы могут располагаться в узлах решетки, где они замещают ион основного металла, или в междоузлиях. К точечным дефектам, наряду с вакансиями и внедренными ионами, относят также смещение иона в место, которое не является узлом решетки.
К линейным дефектам относят различного вида дислокации, т. е. линейные нарушения кристаллической решетки, от которых зависят большинство механических характеристик кристаллических веществ. Основными видами дислокаций являются краевые (линейные) и винтовые. Дислокационные нарушения кристаллической решетки принципиально отличаются от нарушений, вводимых вакансиями. Если вблизи линии, состоящей из вакансий, находится правильно построенный кристалл, то вокруг дислокаций возникает искажение кристалла, распространяющееся на его значительный объем. Энергию этого искажения можно определить как работу упругой деформации, необходимой для образования дислокации. Энергия краевой дислокации
---9*-----in — , (IV. 15)
4я(1 — (J.) г0
где G — модуль сдвига; b — вектор Бюргерса — вектор сдвига решетки, приводящий к дислокационному нарушению; ц — коэффициент Пуассона; го — радиус ядра дислокации; г — расстояние, на которое распространяется дислокация.
Энергия винтовой дислокации
W^ — In—. (IV.16)
4jt r0
Для металлов энергия дислокации составляет порядка 10-13 <3ж/м (Ю~4 эрг/см).
Поверхностными дефектами кристаллов называют дефекты, имеющие значительную протяженность в двух измерениях и незначительную в третьем измерении. Примером поверхностных дефектов является блочная или мозаичная структура. Сущность ее заключается в том, что реальный кристалл состоит из отдельных блоков, расположенных по отношению друг к другу под уг-
лом от нескольких секунд до нескольких минут.
152
Места выхода дефектов обладают повышенным химическим потенциалом, что можно наблюдать после «проявления», т. е. декорирования кристалла какими-либо более крупными частицами. Так, исследование самых ранних стадий кристаллизации распыленного в вакууме золота на поверхности щелочногалоидных кристаллов показало, что дискретные кристаллики золота декорируют элементарные ступени скола и скольжения, места выхода дислокаций и точечные дефекты.
Активность кристаллов металла определяется их строением и характером связей между ними. Как уже отмечалось, поскольку поверхность твердого тела не однородна и каждая грань кристалла имеет свое поверхностное натяжение, то и величина свободной поверхностной энергии его в различных точках различна. Это имеет двоякое значение. С одной стороны, существует громадная, по сравнению с внешней поверхностью, внутренняя поверхность раздела отдельных кристаллов, влияющая на поверхностные свойства твердого тела. С другой стороны, беспорядочная ориентировка кристаллов вызывает внутренние напряжения, что, в свою очередь, изменяет условия термодинамического равновесия отдельных зерен, а следовательно, и равновесные термодинамические характеристики твердых металлов (температуру плавления, растворимость, электрохимические свойства и т. д.). Поэтому свойства реальных кристаллов, являющихся поли-кристаллическими агрегатами, как и поверхностные свойства твердых металлов вообще, будут осредненными свойствами отдельных зерен.
В настоящее время не существует единой теории кристаллической решетки, поэтому значения поверхностной энергии твердых тел, вычисленные разными авторами, сильно отличаются. Прямое определение поверхностной энергии твердого металла методом «суживающейся шейки» относится не к твердому, а к пластически-вязкому состоянию. Косвенные методы, такие, как определение краевого угла смачивания, теплоты смачивания или теплоты растворения, работы шлифования, работы когезии и другие, дают слишком разноречивые результаты.
