Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
жидкого раствора и без образования прикристаллизован-ных слоев, а состав зоны сплавления значительно отличается от равновесного. Например, при пайке железа медью при 1100° С и зазоре до 0,05 мм содержание железа в зоне сплавления достигает до 7%, против равновесного 2,8%. Аномалия в растворении и бездиффузи-онный характер кристаллизации с уменьшением зазора, по-видимому, связаны со снижением межфазной энергии, влиянием микрорельефа поверхности основного металла и увеличением капиллярного давления в шве. Если при наличии (в центральной части шва) малопрочной прослойки разрушение соединений происходит по центральной части шва, то при кристаллизации с образованием плоских зерен разрушение при механических испытаниях идет по наиболее прочному участку шва — зоне спая. Это обстоятельство свидетельствует о том, что образование плоских зерен в соединительном зазоре обеспечивает значительно более высокую прочность. На
261
Ни/м2 J43-
т
245-
196
Рис. 92. Зависимость прочности стыковых соединений при пайке армко-железа медью от величины зазора. Температура пайкн 1100° С, выдержка 1 мин, о — разрыв по шв>, х — разрыв по основному металлу
рис. 92 показана зависимость предела прочности стыковых соединений армко-железа, паяных медью, от отношения величины зазора к диаметру образца [4]. Пунктиром нанесены значения прочности, полученные путем расчета по формуле (VI. 1), учитывающей эффект контактного упрочнения в результате возникновения в медной прослойке напряженного состояния объемного растяжения [5, 6]:
«»=«.“{ 1 + [з Кз*(1-{-е/2П, (vi.1)
где овм и е — соответственно предел прочности и относительное удлинение припоя в исходном состоянии; я — отношение ширины зоны сплавления к диаметру образца.
Как видно из экспериментальной кривой, начиная с определенной величины зазора разрушение стыковых паяных соединений происходит по основному металлу.
§ 23. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Жидкое состояние вещества, согласно современным представлениям, рассматривается как промежуточное между твердым и газообразным. С понижением температуры усиливается сходство с твердым состоянием.
262
Так, при плавлении металлов увеличение их объема не превышает 6%, расстояние между атомами изменяется не более чем на 2%. Изменение свойств меди, широко применяемой в качестве припоя, при переходе из твердого состояния в жидкое можно видеть из табл. 41 [7].
Таблица 41
Изменение свойств меди при плавлении
Свойства при температуре плавления Твердое состояние Жидкое состояние
Плотность, zjCM? Межатомное расстояние (между бли- 8,32 7,93
жайшими атомами), А 2,74 2,88
Электрическое сопротивление, мком-см 11 22
Коэффициент диффузии, см^/сек . . . 10-8 10-5
Небольшое различие в межатомных расстояниях твердого и жидкого металлов должно мало сказываться на энергии взаимодействия атомов. Это дает основание предполагать, что частицам в жидкости при температурах, близких к температуре кристаллизации, свойственно не поступательное движение, как это имеет место у одноатомных газов, а колебательное, присущее твердым телам. Атомы жидкости совершают колебания вокруг некоторых центров равновесия. Время «оседлой жизни» атома определяется соотношением:
т = т0е<2''г7',
где т0—период колебания теплового движения; Q — энергия активации; k — постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура.
О близости твердого и жидкого состояний свидетельствуют также малые величины теплот плавления и близкие значения теплот испарения и сублимации. Близость структур твердого и жидкого состояний удалось подтвердить экспериментально. При медленном плавлении, а затем охлаждении удалось получить кристаллы висмута той же ориентации, что и исходные.
Поскольку процесс пайки при применении низкотемпературных припоев происходит при температурах на
263
30—50° С выше их ликвидуса, а нижняя граница температурного интервала высокотемпературной пайки соответствует обычно ликвидусу припоя, то в этих условиях жидкое состояние металла близко к твердому. Поэтому координация частиц, наблюдавшаяся в жидкости при температурах, близких к температуре кристаллизации, сохраняется и после затвердевания.
Изменение размещения атомов при переходе из жидкого состояния в твердое можно проследить, сравнивая их внутренние энергии. При температуре кристаллизации изобарный термодинамический потенциал жидкой и твердой фаз одинаков и может быть определен из соотношения:
Q = LP + pV-TS. (VI.2)
Поскольку энтальпия фазы H=U + pV, то выражение (VI.2) можно записать в виде:
0 = H-TS. (VI.3)
Тогда равенство изобарных термодинамических потенциалов жидкости и твердого тела при температуре кристаллизации Тк будет иметь вид:
//JK-7'hSA = //T-rhS1. (VI.4)
Учитывая, что Нж—#T = L, получим
Д5 = 5Ж-5Т = ^, (VI. 5)
* К
где L — скрытая теплота плавления.
Из зависимости (VI.5) следует, что мера изменения степени порядка * при кристаллизации жидкости может быть определена как отношение скрытой теплоты плавления к температуре кристаллизации.
Фронт кристаллизации. При затвердевании металлов и сплавов типа твердых растворов фронт кристализации может быть плоским и дендритным. Дендритная структура сплавов сходна со. структурой дендритов в чистых металлах. Отличие заключается лишь в том, что в депд-
