ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Основы теории диффузии из "Физико-химические процессы при пайке" Переход вещества из одной части системы в другую в результате движения атомов называется диффузией. Существует два вида диффузии — самодиффузия и гетеродиффузия, или химическая диффузия. Самодиффузией называют тепловое перемещение атомов в чистых металлах, а также атомов ме-талла-растворителя в твердых растворах. В некоторых случаях к самодиффузии относят перемещение атомов любого компонента системы при отсутствии градиента концентрации. Таким образом, самодиффузия происходит при постоянной концентрации веществ в телах и приводит к перемешиванию атомов в них. [c.194] Гетеродиффузией, или химической диффузией, называют перемещение в веществе чужеродных растворенных атомов при наличии градиента концентрации. Если гетеродиффузия связана с образованием в диффузионной зоне новых фаз, то такая диффузия называется реакционной. [c.194] В твердых мeтaлv ax диффузия может протекать по поверхности, границам зерен и в объеме отдельных зерен. Диффузия по поверхности играет в пайке важное значение. От интенсивности диффузии расплавленных припоев по поверхности основного металла зависит способность их смачивать паяемый металл. Этот вид диффузии происходит не только на внешней поверхности твердого металла, но и на внутренних поверхностях дефектов, таким, как раковины, поры, рыхлоты и т. п. [I, 2]. [c.194] Роль объемной диффузии увеличивается с повышением температуры. При высоких температурах коэффициент диффузии в объеме зерен практически мало отличается от коэффициента диффузии по границам зерен. [c.195] 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. [c.196] Механизм диффузии. Согласно существующим взглядам атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают колебания вокруг положения равновесия. Частота этих колебаний в твердых металлах составляет около 10 сек К 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]. [c.196] Опыты Киркендолла свидетельствуют о том, что механизмы диффузии по междоузлиям и вакансионный более вероятны, чем механизм, связанный с обменом мест. [c.197] 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 щелевая 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. [c.197] Наряду с этим известно, что диффузия может протекать и в обратном градиенту концентрации направлении, т. е. из мест с меньшей концентрацией в места с более высокой концентрацией диффундирующего вещества. Такая диффузия происходит, например, при образовании зародыша новой фазы, отличной от исходной. В этом случае градиент концентрации уже не может являться движущей силой. Аналогичное положение наблюдается при образовании интерметаллического соединения в однородном жидком или твердом растворе, когда под влиянием теплового движения в соответствии с условиями фазового равновесия диффузия вызывает неоднородность в сплаве. Диффузия, увеличивающая концентрацию какого-либо компонента в отдельных местах кристаллической решетки, называется восходящей. Она протекает в результате действия атомных сил связи и способствует восстановлению искажений в кристаллической решетке [5]. [c.198] Так как концентрация диффундирующего вещества характеризуется количеством его в единице объема, то О имеет размерность см /сек. Коэффициент диффузии определяет скорость, с которой система может выравнить свою концентрацию, и равен плотности потока, выравнивающего концентрацию в системе при единичном градиенте концентрации. Коэффициент диффузии определяет кинетику процесса диффузии, его значения находят экспериментальным путем. [c.199] Как видно из зависимости (У.Ю), чем меньше силы взаимодействия между атомами диффундирующих элементов, тем меньше теплота диффузии и выше коэффициент диффузии, а следовательно, больше скорость диффузии. [c.201] 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. [c.201] 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. [c.202] 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. [c.203] 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. [c.203] 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. [c.203] Диффузия при образовании соединения в процессе пайки протекает в твердой, жидкой и газообразной фазах. [c.204] Вернуться к основной статье