Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
_Q
RqT
200
D^Doexpf-^-) , (V.10)
где D0 — коэффициент, предэкспоненциальный член, определяемый типом кристаллической решетки; R0 — универсальная газовая постоянная, равная 8,3143 кдж/кмоль • град (1,987 ккал/кмоль- град)\ Т — абсолютная температура, °К; Q — энергия активации диффузии, являющаяся основной величиной, определяющей изменение коэффициента диффузии.
Как видно из зависимости (V.10), чем меньше силы взаимодействия между атомами диффундирующих элементов, тем меньше теплота диффузии и выше коэффициент диффузии, а следовательно, больше скорость диффузии.
Уравнения Фика выведены, исходя из предположения, что среда гомогенна, поэтому при применении их для описания диффузии по границам зерен следует рассматривать только область самой границы. Эти уравнения неприменимы также в случаях, когда процесс диффузии вызывает образование в решетке дефектных мест. В таких условиях в рассмотренные уравнения необходимо ввести члены, учитывающие возможность возникновения и поглощения точечных дефектов.
Теории диффузии, рассматривающие атомную структуру тел (микроскопические теории), построены на допущении, что неравновесный процесс мало отличается от конечного равновесного состояния или рассматривается как совокупность квазиравновесных состояний. Микроскопическая теория, базирующаяся на вакансионном механизме и механизме диффузии по междоузлиям, впервые была разработана Я. И. Френкелем. В общем случае, исходя из теплового движения атомов в твердом теле, она учитывает следующие виды движения [6]:
1) регулярные (в узлах решетки) и иррегулярные (в межузельном пространстве) колебания атомов около положения своего равновесия;
2) диссоциацию связанных атомов, т. е. переход их из регулярного положения в иррегулярное;
3) перемещение диссоциированных атомов между узлами решетки;
4) ассоциацию диссоциированных атомов, т. е. переход их из иррегулярного в регулярное положение;
5) перемещение вакансий в решетке.
Пользуясь равновесными характеристиками среды, в простейшем случае на основе микроскопической теории
201
можно легко проанализировать основной механизм диффузии — перескок атома в «дырку». Пусть потенциальная энергия v перемещающегося к вакансии атома, при условии, что все остальные атомы остаются неподвижными на своих местах, изменяется с расстоянием г по кривой, изображенной на рис. 61, где 1Х и 12 расстояния между точками с одинаковой потенциальной энергией соответственно узла и межузельного пространства. Из рисунка следует, что перескок возможен, если атом располагает необходимой энергией колебания Av = v2—Ui для преодоления потенциального барьера между соседними узлами решетки и если по соседству с атомом имеется «дырка». Потенциальный барьер Av определяет ту минимальную кинетическую энергию, которую должен получить от соседей рассматриваемый атом, чтобы иметь возможность перескочить в вакантное место. При перескоке атом не сразу теряет имеющуюся у него избыточную энергию колебания, поэтому, прежде чем будет достигнуто равновесное состояние, атом может многократно меняться местами с «дыркой». В простейшем случае данный механизм наблюдается при самодиффузии в чистом металле, в который введены меченые атомы с заданным первоначальным их распределением, или при химической диффузии, когда содержание второго элемента незначительно и общая система определяется характеристиками чистого металла.
В двойных и многокомпонентных системах процесс диффузии может привести к образованию новых фаз. В этом случае диффузия между фазами имеет другой характер по сравнению с диффузией в одной фазе. В соответствии с этим диффузию в одной фазе называют внутренней диффузией, а процесс диффузии из одной фазы в другую — внешней.
Микроскопические теории диффузии в металлах и сплавах направлены в основном на уточнение модельных
Рис. 61. Потенциальный барьер между узлами решетки при замещении вакансии соседним атомом
202
представлений и на модификацию, в связи с этим, математического описания процесса.
Факторы, определяющие скорость диффузии. Диффузия в металлах и сплавах зависит от очень многих факторов. На скорость диффузии большое влияние оказывает состояние металла. В отожженном состоянии диффузия в металле протекает значительно медленнее. Наклеп, наоборот, усиливает диффузию, что связано с искажением кристаллической решетки и деформациями в кристаллах. Вблизи появляющихся искажений концентрация вакансий и межузельных атомов отличается от равновесной в объеме кристалла (вдали от дефектов). Поэтому в телах с деформированной кристаллической решеткой образуется некоторый избыток концентрации вакансий.
Наряду с этим увеличение числа дислокаций и протяженности границ зерен в наклепанном металле также способствует увеличению скорости диффузии, особенно при пониженных температурах пайки, так как коэффициент диффузии по границам зерен и вдоль дислокации выше, чем в объеме зерна.
Интенсивность процесса диффузии зависит от величины зерна. Чем меньше зерно, тем быстрее протекает диффузия. Это объясняется тем, что при наличии мелкозернистой структуры кристаллическая решетка более искажена, что усиливает процесс диффузии по границам зерен. В некоторых случаях эффект границ зерен не сказывается на усилении диффузии, что связывают с обогащением границ примесями, которые тормозят протекание диффузии.
