книги из ГПНТБ / Долгов Ю.С. Вопросы формирования паяного шва

меньшего размера, которые во многих случаях оказывают ре­ шающее влияние на свойства материалов, не обнаруживаются. Для их исследования применяются методы электронной микро­ скопии, разрешающая, способность которых составляет десят­ ки ангстрем.

Применяют в основном электронные микроскопы просвечи­ вающего типа (ЭМ5, УЭМВ-100 н др.), которые позволяют ис­ следовать микроструктуру только таких объектов, толщина ко­ торых не превышает долей микрона. Такую толщину можно получить либо путем электролитического утонения относительно массивных образцов (метод фольг), либо путем снятия реплик. Для электронномикроскопического исследования паяных швов целесообразно использовать второй метод. Реплики получают или оксидированием поверхности объекта, или нанесением на исследуемую поверхность тончайшей пленки вещества, воспро­ изводящей рельеф поверхности шлифа. Материалом для реплик могут служить органические (формвар, коллодий) и неоргани­ ческие вещества (металлы, углерод и др.). Разрешающая спо­ собность реплики, характеризующаяся наименьшими размерами деталей структуры исследуемого объекта, которые могут быть раздельно воспроизведены с ее помощью, зависит от материала реплики. Так, для лаковых реплик она составляет 200—500 А, для платина-углеродных реплик, получаемых распылением в ва­ кууме электрода, содержащего уголь и платину— 10—20 А.

Для исследования тонких гетерогенных структур наиболее целесообразно использовать реплики с фиксированными части­ цами второй фазы, которые позволяют использовать электрон­ ную дифракцию для идентификации фаз.

Металлографическая подготовка образцов для электронномикроскопического исследования методом реплик — самая тру­ доемкая и ответственная операция, в основном определяющая успех исследования. Наилучшие результаты дают электроли­ тическое полирование и травление. При механических способах подготовки шлифа во избежание искажающего влияния дефор­ мированного поверхностного слоя рекомендуется многократно чередовать механическое полирование и травление.

При исследовании паяных швов со свойственной им микро­ скопически неоднородной структурой — особое значение имеет метод так называемой прицельной съемки реплик, позволяю­ щий анализировать заранее намеченные детали шва (границы зерен, участки кристаллизационных и диффузионных зон, рас­ положенные на разном расстоянии от границ шва и др.) [45].

• Для исследования тонкой структуры паяных швов электрон­ ную микроскопию применяют пока что редко, хотя возможности

этого метода велики. Так, в работе [27] при электронномикроскопическом исследовании на угольных репликах (оттененных хромом) с использованием прицельного метода их вылавлива­ ния были обнаружены некоторые особенности в структуре суб­ микроскопических выделений по границам зерен металла кри­ сталлизационной зоны, вызванные вибрационной обработкой соединений в процессе пайки.

А. Я. Шиняев и В. В. Бондарев проводили электронномикроскопическое исследование для установления причин уменьше­ ния прочности соединений титанового сплава АТ-3 (полученных пайкой с использованием барьерных покрытий) при увеличении температуры пайки сверх оптимальной [66]. Оказалось, что сни­ жение прочности паяных соединений вызвано появлением в диф­

нием микротрещин. Максимальная прочность соединения наблю­ дается © том случае, если структура диффузионной зоны пред­ ставляет собой твердый раствор с одиночными включениями этой фазы размером не более 2000 А.

Рентгеновская микроскопия (микрорентгенография) основа­ на на различном поглощении элементами монохроматического рентгеновского излучения при прохождении его через тонкую пластинку анализируемого объекта.

Поглощение элементами рентгеновских лучей не зависит от того, в каком состоянии присутствует химический элемент в об­ разце (в твердом растворе, химическом соединении и т. д.), а лишь от. его концентрации. Коэффициент поглощения рентге­ новских лучей данной длины волны увеличивается с увеличе­ нием атомного номера элемента и при определенных, характер­ ных для каждого элемента, длинах^, волн, изменяется скачко­ образно.

Используя указанные закономерности поглощения элемен­ тами рентгеновских лучей, можно применять метод микрорентгеиографии для изучения распределения элементов между раз­ ными фазами, внутрифазовой химической неоднородности, воз­ никающей вследствие ликвации или диффузии, фиксировать наличие микротрещин, микропор, неметаллических включе­ ний и т. д. [40, 60].

Существует несколько экспериментальных методов рентге­ новской микроскопии. Один из наиболее простых — контактная микрорентгенография, при которой образец просвечивается рентгеновскими лучами, а изображение фиксируется пленкой, прижатой к образцу. Изображение объекта получается в нату­ ральную величину, а затем рассматривается под биологическим микроскопом при увеличении до 200. Разрешающая способность метода ограничивается размерами зерна фотоэмульсии и может достигать 1 мкм. Наибольшая контрастность микрорентгено-

грамм обеспечивается при просвечивания пластинок толщиной 0,08—0,14 мм.

Таким методом можно выявить очень малые по размерам трещины и поры, недоступные для наблюдения при обычных методах рентгеновской просвечивающей дефектоскопии.

Метод рентгеновской микроскопии используется для коли­ чественного анализа химического состава фаз, однако он имеет сравнительно невысокую чувствительность н точность, а кроме того, весьма трудоемок.

Метод измерения микротвердости находит широкое приме­ нение для исследований паяных швов. Локальность метода при обычных способах измерения на приборе ПМТ-3 ограничивается тем, что при размерах диагонали отпечатка менее 5 мкм по­ грешность измерений резко возрастает и результаты испытаний становятся недостаточно надежными [16, 45].

На величину микротвердости заметно влияет состояние по­ верхности испытуемого образца, особенно при использовании малых нагрузок на индентор. В процессе механической подго­ товки микрошлифа происходит упрочнение поверхностных слоев металла. Поэтому для получения сравнимых результатов необ­ ходимо придерживаться единой методики подготовки шлифов- и применять оптимальную нагрузку на индентор. Такая нагруз­ ка выбирается для данного состояния исследуемых образцов на основе экспериментального построения зависимости нагрузка — микротвердость, позволяющей выявить условия воспроизводи­ мости результатов.

Для ориентировки можно использовать следующие пример­ ные значения нагрузки и соответствующие им длины диагона­

дельных фаз и структурных составляющих паяных швов. Как правило, наименьшую микротвердость имеют чистые металлы и твердые растворы, большую — многофазные структурные со­ ставляющие (эвтектика, эвтектоид) и наибольшую — интерме­ таллические соединения, промежуточные фазы и металлоподобные соединения (карбиды, нитриды, бориды и силициды). На микротвердость фаз последней группы способ подготовки шли-' фа оказывает малое влияние, поэтому их идентификация обыч­ но не вызывает затруднений.

Метод микротвердости может быть использован для иссле­ дования внутрикристаллитной ликвации в кристаллизационных зонах паяных швов, для определения твердости и оценки хруп­ кости фаз и структурных составляющих.

Высокая чувствительность микротвердости к незначительным изменениям состава фаз позволяет решать многие вопросы,

связанные с выяснением роли легирующих компонентов припоев в упрочнении металла шва.

Измеряя распределение микротвердости в переходных зонах шва, можно получить сведения о диффузии компонентов припоя в паяемый материал. При исследовании диффузионных зон и тонких прослоек интерметаллидов особенно целесообразно при­ менять косые шлифы, что увеличивает размеры исследуемых областей и расширяет возможность использования метода мик­ ротвердости.

Метод измерения термоэлектродвижущей силы в микрообъ­ емах сплавов (микро-т. э. д. с ) . Для его осуществления может быть использована установка, выполненная на базе прибора ПМТ-3.

Алмазная пирамидка прибора ПМТ-3 заменена приспособле­ нием, включающим вольфрамовую иглу, микропечь для ее по­ догрева и термопару (рис. 1). Вольфрамовая игла служит элек-

тродом сравнения. Для плавной регулировки и поддержания температуры иглы в интервале 40—150° С в электрической цепи микропечи предусмотрен стабилизатор напряжения и система реостатов. Температура иглы измеряется с помощью медь-кон- стантановой термопары (горячий спай которой помещен вблизи острия иглы) и регистрируется гальванометром.

На рис. 2 показана принципиальная электрическая схема установки для измерения микро-т. э. д. с.

Цепь измерения т. э. д. с , возникшей в момент касания иглы с выбранным участком поверхности образца, содержит чувстви­ тельный зеркальный гальванометр с наружным универсальным шунтом. Внутреннее сопротивление гальванометра с шунтом почти на два порядка выше электросопротивления измеритель­ ной цепи с учетом образца. Благодаря этому изменения в элек­ тросопротивлении цепи при смене образца не вносят заметной погрешности в измерения. Корпус зажима образца выполнен из текстолита и установлен на гониометрическом столике, что позволяет исследовать образцы практически любой формы.

Последовательность операций измерения микро-т. э. д. с. та­ кая же, как и при измерении микротвердости. Локальность ме­

Метод микро-т. э. д. с. обладает высокой чувствительностью к изменениям химического состава и структурного состояния исследуемого микрообъема. В отличие от микропзердости на результатах определения микро-т. э. д. с. мало сказывается по­ верхностный наклеп материала. Измерения микро-т. э. д. с , производимые в соседних точках, не оказывают влияния друг на друга, в связи с чем измерения можно выполнять в близко расположенных точках вдоль одного направления.

Скачкообразные изменения микро-т. э. д. с. интерметалли­ ческих соединений и других фаз позволяют легко идентифи­ цировать эти фазы в весьма малых количествах. При наличии данных о зависимости микро-т. э. д. с. от состава метод позво­ ляет судить о химическом составе в микрообъемах сплавов.

зонда. Следует однако отметить, что действительные линейные размеры исследуемой области оказываются всегда большими, чем диаметр электронного пучка на образце, и зависят от уско­ ряющего напряжения. Это обусловлено тем, что в силу особен­ ностей взаимодействия электронов и первичного рентгеновского излучения с материалом объекта возбуждение анализируемого рентгеновского излучения происходит в зоне, превышающей по размерам диаметр электронного зонда. Разница оказывается тем значительной, чем выше ускоряющее напряжение. Так, при

Несоответствие размеров электронного, зонда области воз­ буждения рентгеновского излучения всегда следует иметь в виду при анализе химического состава деталей микроструктуры, близких по размерам к диаметру зонда.

Кроме локальности важной характеристикой микрорентгеноспектрального метода является чувствительность. Граница чув­ ствительности линии рентгеновского спектра определяется соот­ ношением

л^-м* = злС/г,

спектральной линии для четкой ее регистрации должна превы­ шать среднеквадратичное отклонение фона не менее чем в 3 раза.

Чувствительность метода микрорентгеноспектрального ана­ лиза зависит от многих факторов, наиболее важными из кото­ рых являются величина ускоряющего напряжения, сила тока зонда, тип спектрометрической системы и диаметр электронного луча.

В значительной степени чувствительность микроанализатора зависит от регистрирующей аппаратуры и прежде всего от эф­ фективности счетчика излучения, под которой понимается отно­ шение числа зарегистрированных импульсов к общему ЧИСЛУ импульсов, попавших в счетчик.

Эффективность счетчиков Гейгера типа~МСТР-4, применяе­ мых в приборе МАР-1, зависит от длины волны излучения. Эта зависимость имеет вид кривой с максимумом в интервале длин волн 1,5—2,0 А, величина которого не превышает 65%.

Эффективность счетчика МСТР-4 в связи с наличием-«мерт- вой» зоны у торцовых счетчиков зависит от расстояния зоны попадания рентгеновского излучения до оси счетчика [63]. Поло­ жение счетчика, соответствующее его максимальной эффектив­ ности, легко найти опытным путем.

Недостатком счетчиков Гейгера является наличие относи­ тельно большого «мертвого» времени. Это тот промежуток вре­ мени после разряда, в течение которого счетчик не регистри­ рует поглощение нового фотона. Величина мертвого времени счетчиков МСТР-4 составляет в среднем 200 мксек, что огра­ ничивает максимальную скорость счета величиной 5000 импуль­ сов в секунду. Однако следует иметь в виду, что уже при ско­ рости счета 500 импульсов в секунду 10% импульсов будет потеряно. Поэтому при работе со счетчиком Гейгера необхо­ димо делать поправки на мертвое время даже при довольно низких скоростях счета.

Истинное число импульсов находят из соотношения

1 — %NX

где Л'і — число зарегистрированных импульсов; т — мертвое время.

Другой недостаток счетчика Гейгера — большой собственный

равен 0,1—1%, хотя теоретический предел чувствительности при анализе микрореитгеноспектральным методом оценивается в со­ тые доли процента.

По чувствительности микрорентгеноспектральный метод превосходит все другие методы анализа. Он позволяет опреде­ лить Ю - " г элемента.

Одним из важных факторов повышения локальности и чув­ ствительности микрорентгеноспектрального анализа является правильный выбор ускоряющего напряжения. С повышением ускоряющего напряжения возрастает интенсивность спектраль­ ной линии, но одновременно при неизменном диаметре зонда снижается локальность вследствие увеличения объема материа­ ла, в котором происходит возбуждение рентгеновского излуче­ ния. Неоправданно высокие ускоряющие напряжения приме­ нять нецелесообразно еще и потому, что наряду с возрастанием интенсивности излучения резко увеличивается фон. Следова­ тельно, ускоряющее напряжение необходимо выбирать мини­ мальным в соответствии с потенциалом возбуждения анализи­ руемого элемента. Снижение интенсивности рентгеновского из­ лучения компенсируется увеличением локальности, а также повышением чувствительности за счет малого фонового излу­ чения.

Количественное определение химического состава микро­ реитгеноспектральным методом производят путем сравнения интенсивности излучения от образца и эталона. В первом приближении концентрацию С элемента А в сплаве определяют

При микрорентгеноспектральном исследовании переходных зон паяного соединения возможны искажения результатов ана­

возбуждает в железе вторичную флюоресценцию. В результате излучение FeKa регистрируется при попадании электронов в те объемы, где железо отсутствует.

Таким образом, при измерениях железа вблизи больших концентраций никеля можно получить ошибочные представле­ ния о диффузии железа в никель.

Микрорентгеноспектральный метод используется при иссле­ довании паяных швов: для определения химического состава в точке, анализа распределения компонентов, определения коли­ чества и средней концентрации компонента в различных зонах паяного шва.

Анализ распределения компонентов можно осуществлять ли­ бо по точкам, либо при непрерывном перемещении образца относительно зонда с заданной скоростью с одновременной автоматической записью интенсивности излучения. Среднюю концентрацию элемента при неравномерном распределении его в сплаве находят путем обработки кривых распределения. При анализе по точкам кривые распределения строят обычно в коор­ динатах концентрация — расстояние, среднее содержание ком­ понента получают делением площади под кривой распределения на длину с учетоммасштабов по осям.

При непрерывной записи распределения интенсивности излу­ чения элемента для нахождения среднего содержания элемен-

щади поперечного сечения анализируемого участка, определя­

идентичных образцов, находящихся в различных гнездах держа­ теля образцов, оказывается при прочих постоянных условиях неодинаковой. Поэтому необходимы соответствующие поправки при анализе и периодический контроль за состоянием держа­ теля образцов.