» » Распространение галлия по поверхности олова
24.12.2014

Параметры процесса распространения поверхностно-активных веществ по поверхности металла являются очень чувствительным индикатором степени совершенства кристаллической решетки. При действии световых лучей лазера в результате быстрого нагрева и охлаждения несовершенство структуры резко увеличивается.
Рассмотрим возможные при этом эффекты на примере распространения поверхностно-активного вещества — жидкого галлия по поверхности олова. Перекристаллизация олова при действии жидкого галлия дает возможность наблюдать распространение под микроскопом рельефного диффузионного слоя. Предварительно исследовались основные особенности диффузии галлия в олове.
Исследовалось крупнозернистое олово (99,99%). Облучение оловянных образцов проводилось с помощью лазера с энергией около 5 дж, работающего в режиме свободной генерации. После облучения возникал кратер и полоска галлия наносилась па расстоянии 2/3 мм от кратера. Подбирались такие условия диффузии, что в исходном олове фронт распространения галлия был плоским. После того как диффузионный фронт достигал области, отстоящей от кратера на несколько десятых долей мм, начиналось искривление границы и ускорение диффузии в области, окружающей кратер. Наконец, диффузионная область окружала кратер (рис. 6.11,а).
Распространение галлия по поверхности олова

Для того чтобы выяснить, возможно ли ускорение диффузии при пластической деформации, были проведены специальные эксперименты, для чего были выбраны моно- и поликристаллические образцы технического олова. Галлий наносился на поверхность образцов в виде полоски и под микроскопом измерялось расстояние, на которое распространялась диффузионная зона через определенные промежутки времени.
Несмотря на то что диффузия галлия в олове проходит с образованием твердого раствора, а не химических соединений, при анализе результатов исследования необходимо было учитывать ряд усложняющих обстоятельств. При данной постановке опытов наряду с объемной диффузией галлия могла проходить и поверхностная диффузия, что, вообще говоря, могло привести к усложнению наблюдаемой зависимости между длиной пути диффузии l и временем t.
Данные по исследованию поверхностной диффузии ртути в твердом олове показывают, что в этой системе (здесь также образуется твердый раствор) сохранялась пропорциональность между l и √Т, т. е. роль поверхностной диффузии сводилась к изменению коэффициента диффузии без изменения вида зависимости между путем диффузии и временем.
В нашем случае исследование сечений образцов в плоскости перпендикулярной поверхности показало, что поверхностная диффузия галлия в олове идет быстрее объемной всего лишь в 2/З раза, а галлированная область в сечении имеет форму, близкую к круговому сегменту.
Далее, распространение границы диффузионной зоны в микромасштабе идет крайне неравномерно. Специальное исследование показало, что как на границе зерен, так и внутри зерен происходят остановки диффузионного фронта. Поэтому измерение зависимости пути диффузии от времени по какой-либо нормали к первоначальной границе галлированного пятна дает плохо повторяющиеся результаты.
Была построена схема наложенных друг на друга микрофотографий, снятых через определенные промежутки времени. На схеме ясно видна неравномерность распространения галлия. Для усреднения применялся следующий прием. На микрофотографиях проводились две нормали к краю первоначальной полоски галлия. Расстояние между нормалями составляло около 500 мкм. После этого с помощью планиметра проводилось измерение площади, заключенной между двумя нормалями, краем полоски галлия и новой границей диффузионного фронта. За средний путь диффузии принималось отношение этой площади к расстоянию между нормалями, т. е. галлированная область аппроксимировалась прямоугольником равной площади.
Наконец, проведенное ранее исследование показало существенную роль истощения галлия, усложняющего полученные зависимости. Поэтому измерения проводились в течение первых 3/4 ч после нанесения галлия (через несколько суток диффузия практически прекращается).
Из соответствующего графика (рис. 6.12) видно, что точки, соответствующие среднему пути диффузии, при построении в координатах l—√t хорошо ложатся на прямую в соответствии с предсказаниями теории.
Распространение галлия по поверхности олова

Получено, что экспоненциальные точки для монокристаллов и поликристаллических образцов в литом состоянии ложатся на одну прямую. Этот результат показывает, что границы зерен в наших условиях не влияли на скорость диффузии. Многочисленные микроскопические наблюдения показали, что влияние границ зерен начинает проявляться только во время замедления диффузии из-за истощения источника.
Было проведено исследование распространения галлия в образцах из моно- и поликристаллического олова, подвергнутых значительной пластической деформации (несколько десятков процентов). Получено, что в таких образцах распространение галлия идет по такому же закону, что и в недеформированном материале, и точки ложатся на ту же прямую.
При комнатной температуре снятие искажений решетки в олове происходит настолько быстро, что сопротивление кристаллической решетки проникновению галлия не зависит от предшествующей деформации. Следует отметить, что аналогичные результаты были получены для свинца, в котором коэффициент самодиффузии не зависит от того, используются в опыте монокристаллы или поликристаллы. При объяснении эффекта также предполагалось, что равенство коэффициентов диффузии в деформированном и недеформированном свинце связано с рекристаллизацией свинца при комнатной температуре. Для исследования влияния напряжений на диффузию галлия в олове были проведены опыты по измерению скорости диффузии в упруго-деформированном состоянии.
Экспериментальное исследование проводилось следующим образом. Поликристаллический образец олова в форме прямоугольной призмы с размерами 10X10X30 мм3 устанавливался на предметный столик микроскопа с диаметром отверстия 6 мм и нагружался распределенной силой по верхней грани на площади 10x15 мм. Величина силы (200 Г) подбиралась таким образом, чтобы при наблюдении в микроскоп с увеличением 500 раз под действием силы не обнаруживалась пластическая деформация. После этого на нижнюю часть образца, обращенную к объективу микроскопа, наносилась полоска жидкого галлия и в течение нескольких часов проводились измерения распространения галлия в образце.
При такой схеме нагружения на поверхности образца возникали деформации растяжения. Этот вывод проверялся путем постепенного увеличения нагрузки вплоть до пластического течения образца. Вопрос о напряженном состоянии на исследуемой поверхности значительно более сложен, так как края отверстия у объектива микроскопа действуют, как концентраторы напряжений. Однако качественный анализ напряженного состояния показывает, что если пренебречь трением между поверхностью образца и предметным столиком микроскопа, то наиболее вероятно возникновение напряжений растяжения. Метод усреднения данных по микрофотографиям не отличался от использованного для исследования диффузии в ненапряженном состоянии.
Из графика (рис. 6.12) видно, что в первые минуты после нанесения галлия в напряженном и ненапряженном образцах скорости диффузии близки, а затем кривые расходятся и при выдержке в 4 ч путь галлия в напряженном образце в 2 раза превышает диффузионный путь в ненапряженном образце.
По-видимому, при диффузии в напряженном образце в олове создается местная неоднородность напряженного состояния на поверхности раздела олова с твердым раствором олово — галлий, и наличие этой неоднородности ускоряет диффузию. Кроме того, поле напряжений ускоряет диффузию вдоль линий дислокаций и раскрывает микротрещины.
Измерение пути диффузии показывает, что через сутки после нанесения галлия уже наблюдается некоторое истощение источника, хотя диффузия в напряженном образце идет быстрее, чем в ненапряженном.
Приближенная оценка по наклону прямой для ненапряженного образца дает коэффициент диффузии D=5*10в-9 см2/сек. Следует отметить, что эта величина по порядку значительно меньше величин коэффициента диффузии при поверхностной диффузии веществ при средних и высоких температурах. Для системы олово — галлий комнатная температура составляет около 0,58 от температуры плавления олова °K и около 0,97 от температуры плавления галлия, поэтому можно считать, что роль поверхностной диффузии не намного превышает роль объемной диффузии галлия в олове. Измерения сечения диффузионной области показывают, как отмечалось выше, что путь галлия по поверхности образцов не более чем в 2/3 раза превышает путь в глубину образца.
При диффузии под напряжением важную роль играют процессы перемещения атомов галлия по дефектам в кристаллической решетке олова, а также по границе зерен, возникающих при перекристаллизации в процессе диффузии. Следует отметить, что, как было показано ранее, при диффузионном проникновении галлия в олово происходит резкое измельчение зерен и, следовательно, увеличение поверхности границ.
В то же время величина приложенного напряжения, по-видимому, недостаточно велика для того, чтобы в материале могли проходить процессы рекристаллизации, мешающие ускорению диффузии. Таким образом, даже значительная пластическая деформация олова не приводит к ускорению диффузии галлия.
Для сравнения с действием луча лазера было проведено нанесение отпечатков шарового индентора на поверхность образцов, причем нагрузка и диаметр шарика выбирались такими, чтобы диаметр отпечатка был приближенно равен диаметру кратера при облучении.
Полоска галлия наносилась в таких же условиях, как и при действии луча лазера. Получено, что на форму диффузионного фронта не оказывает влияния пластическая деформация при вдавливании индентора и фронт с достаточной точностью остается прямолинейным (рис. 6.11, б).
Рентгеноструктурное и металлографическое исследование области около кратера, возникшего при действии луча лазера, не дает возможности увидеть какие-либо изменения, т. е. диффузия галлия является гораздо более чувствительным индикатором дефектов кристаллической структуры, возникающих при облучении, чем другие методы исследования.