Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
194
тем, что атомы по границам зерен имеют большую подвижность, чем в объеме, ввиду повышенной концентрации вакансий. Возрастание интенсивности диффузии с уменьшением величины зерна происходит также в результате большей подвижности границ зерен в мелкозернистом металле по сравнению с крупнозернистым. Преимущественное протекание диффузии по границам зерен наглядно иллюстрируется авторадиографически. Меченые атомы по границам зерен проникают на большую глуби-
Рис. 59. Авторадиограмма шва, полученного при пайке стали ЗОХГСА припоем ПСр40КН с добавкой радиоактивного кобальта (по Шлыкову О. П.)
ну, чем в объеме, при этом, чем ниже температура, тем на авторадиограммах почернение больше локализуется у границ зерен. Диффузия по границам зерен в десятки и сотни тысяч раз больше, чем в их объеме. На рис. 59 изображена авторадиограмма соединения, полученного при пайке стали ЗОХГСА припоем ПСр40КН с добавкой 0,1% радиоактивного кобальта. Как видно из рисунка, кобальт локализовался в контакте основной металл — зона сплавления, где сосредоточены границы разнородных зерен.
Роль объемной диффузии увеличивается с повышением температуры. При высоких температурах коэффициент диффузии в объеме зерен практически мало отличается от коэффициента диффузии по границам зерен.
Диффузия, как теплопроводность и электропроводность, является одной из разновидностей процессов переноса. Если теплопроводность и электропроводность связаны соответственно с переносом теплоты и электричества, то диффузия связана с переносом массы. Этот пе-
195
ренос приобретает направленность, если в рассматриваемом теле есть различия в концентрации, температуре, напряженном состоянии и т. д.
Диффузия имеет очень большое значение в физикохимических процессах. Путем диффузионного перемещения атомов системы приходят в термодинамическое равновесие. С диффузией связано выравнивание концентрации вещества в однофазных твердых растворах и образование неравномерных концентраций при их распаде, возникновение упорядоченности или неупорядоченности в расположении атомов в фазах, обнаруживающих дальний порядок, рост зародышей при фазовых переходах [3]. Процессы рекристаллизации, отдыха, возврата, получения поверхностных слоев с особыми свойствами, спекания, пайки и другие также связаны с диффузией.
Механизм диффузии. Согласно существующим взглядам атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают колебания вокруг положения равновесия. Частота этих колебаний в твердых металлах составляет около 1013 сек~1. При определенном повышении энергетического состояния отдельных атомов они могут покидать занимаемые места в кристаллической решетке, образуя свободные от атомов узлы решетки — вакансии («дырки») и внедренные в междоузлия атомы. В настоящее время приняты три основных механизма перемещения атомов в решетке кристалла при диффузии: по междоузлиям, вакансионный и путем обмена мест между соседними атомами. Предложены и более сложные механизмы перемещения атомов, как, например, механизм диффузии по кольцу, когда происходит непосредственный обмен местами двух, четырех и более атомов при их движении по замкнутому кольцу. Подобное перемещение является более усовершенствованным механизмом парного обмена атомов местами. Однако в общепринятых теориях диффузии в металлах и сплавах кольцевой механизм диффузии не учитывается [4].
Характеризуя основные механизмы перемещения атомов в решетках кристаллов, необходимо отметить, что механизм диффузии, связанный с обменом местами между соседними атомами, требует высокой энергии термического возбуждения, а поэтому маловероятен. Если бы он имел место, то не наблюдался бы эффект Киркендолла [5]. В опытах Смигельскаса и Киркендолла (рис. 60) ис-
196
следовалась диффузия в контакте медь — латунь. Первоначальная граница между ними отмечалась молибденовой проволокой. Предполагая, что при диффузии путем обмена мест возможно взаимное движение атомов в любых направлениях, следовало ожидать перемещения атомов меди в сторону латуни, а атомов цинка в сторону меди. В результате такого перемещения состав должен выравниться, а метки остаться на прежних местах. Однако опыты не подтвердили этого, расстояние I между проволочками уменьшилось.
Оказалось, что диффузия атомов цинка, имеющего более низкую температуру плавления, происходит быстрее, чем атомов меди. Аналогичный эффект наблюдается при диффузии в системах Си—Ni, Си—Аи,
Ag—Аи, Ag—Pd, Ni—Со,
Ni—Аи, Fe—Ni, Sn—Си,
Al—Си.
Опыты Киркендолла свидетельствуют о том, что механизмы диффузии по междоузлиям и вакансионный более вероятны, чем механизм, связанный с обменом мест.
Механизм диффузии по междоузлиям свойствен сплавам внедрения, когда маленькие по размерам внедренные атомы легко могут перемещаться во всех направлениях между узлами решетки. При наличии градиента концентрации такая диффузия приводит к выравниванию состава вещества в объеме тела. Наряду с обычной диффузией по междоузлиям рассматривается еще так называемая ще л ев а я диффузия, когда содержащиеся в небольших концентрациях атомы диффундирующего вещества находятся в термодинамическом равновесии с решеткой и диффузия их осуществляется перемещением в соседний узел. При этом атом, находящийся в узле решетки, выталкивается в междоузлие.
