книги из ГПНТБ / Процессы взаимной диффузии в сплавах

Но в сплаве это приводит к дополнительному вкладу в наблю­ даемый поток компонента. Как и в случае термодиффузии, мож­ но написать

Таким образом, при наличии внешнего силового поля изуче­ ние взаимной диффузии усложняется примерно так же, как и в случае термодиффузии.

Глава III

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМНОЙ ДИФФУЗИИ

§ 1. Металлографические, химические и физические методм

Процесс взаимной диффузии, т. е. взаимного проникновения атомов, характеризуется перераспределением элементов, в прин­ ципе наблюдаемым на опыте. Поэтому основной задачей экспе­ риментального определения коэффициента взаимной диффузии является нахождение распределения концентраций элементов в направлении диффузионного потока после диффузионного отжи­ га в течение фиксированного времени. Таким образом, экспери­ ментальная задача сводится к наиболее точному определению концентрации диффундирующего элемента во всех слоях диф­

электроннозондового рентгеноспектрального микроанализа [16— 18], высокая локальность (линейный размер исследуемой области около 1 мк) и достаточная экспрессность которого делают его наиболее перспективным для определения распределения кон­ центрации элементов в диффузионной зоне. Однако особенности применения данного метода к исследованию процессов взаимной диффузии не нашли должного освещения в монографической литературе. Поэтому ниже мы подробно рассмотрим физические основы этого метода и специально обсудим специфику определе­ ния концентрационных кривых при помощи электроннозондового микроанализа. Ниже мы только кратко охарактеризуем другие методы, поскольку к настоящему времени они в значительной мере вытеснены более эффективным методом электроннозондо­ вого микроанализа.

Методы анализа условно можно подразделить на металло­

в серебро, было использовано явление изменения цвета сплава Au — Ag при травлении раствором сернокислого аммония в за­ висимости от содержания в нем Au. Однако эти методы позво­ ляют лишь в специальных случаях оценить глубину взаимного проникновения элементов, и поэтому они не могут быть универ­ сальными, т. е. пригодными для исследования взаимной диффу­ зии в любых системах.

Как правило, точность металлографических методов невели­ ка, поскольку визуальная оценка микроструктуры или фигур травления и соответствие последних определенным концентра­ циям носят, очевидно, сугубо качественный характер.

Химические методы основаны на химическом анализе состава слоев диффузионной зоны образца («метод снятия слоев»; см., например, [116, 117]). С образцов, изготовленных в виде ци­ линдриков со строго параллельными торцевыми поверхностями, после диффузионного отжига последовательно снимаются слои определенной толщины, которые затем подвергают химическому анализу. Точность определения распределения концентрации су­ щественным образом зависит от числа проанализированных сло­

тельно ухудшается его точность из-за малого количества иссле­ дуемого вещества. Последнюю трудность, казалось бы, можно обойти за счет увеличения диаметров цилиндриков. Однако по условиям анализа торцевые поверхности должны быть строго параллельными, что тем труднее осуществить, чем больше диа­ метр цилиндрика. Оптимальные размеры были, по-видимому, достигнуты в работах [116, 118], в которых толщина слоев со­ ставляла 75—100 мк и диаметр 10—15 мм.

Очевидным преимуществом іметода послойного химического анализа является прямое определение химического состава сло­ ев. Однако подобные методы имеют и существенные недостатки.

Во-первых, при таком анализе приходится разрушать иссле­ дуемый образец, что делает невозможным проверку вопроизводимости результатов (повторные анализы на тех же образцах).

Во-вторых, толщина слоя порядка 100 мк, необходимая для получения достаточной точности анализа состава, заметно огруб­ ляет найденный ход концентрационной кривой. Каждая фикси­ руемая точка этой кривой фактически получается в результате усреднения по весьма широкому интервалу ( ~ 100 мк), что мо­ жет привести к большим искажениям, в особенности в области резких перепадов концентраций.

можно найти, измеряя следующую величину:

, _ In / — In /„

;~~ In / І - In L_ '

где 11 и U — интенсивности излучения, прошедшего через исход­

В некоторых частных случаях исследования взаимной диф­ фузии были использованы также другие физические методы: метод скин-эффекта, магнитный метод, метод электропроводно­ сти, оптический метод и др. Однако все они либо требуют соз­ дания специальных условий при проведении диффузионных опы­

малых количеств вещества. Поэтому здесь разобраны только те экспериментальные методы, применение которых не требовало задания каких-либо специальных начальных и граничных усло­ вий и, следовательно, такие методы достаточно универсальны. Отметим, что в принципе они позволяют определять концентра­ ционную зависимость коэффициента взаимной диффузии в ши­ роком интервале концентраций.

Однако наиболее эффективным методом исследования вза­ имной диффузии оказался электроннозондовый рентгеноспектральный микроанализ. Этот метод в настоящее время получил всеобщее признание и широкое распространение. Поэтому его описанию посвящен весь следующий параграф.

§ 2. Метод электроннозондового рентгеноспектрального микроанализа

Как мы уже отмечали, в последние 10—15 лет широкое раз­ витие получил электроннозондовый рентгеноспектральный микро­ анализ (или локальный рентгеноспектральный анализ), пред­ ложенный Кастеном [16] и независимо от него И. Б. Боров­ ским [17]. Названный метод определения состава вещества в

в спектр при помощи кристалла-анализатора. Определенная спектральная линия регистрируется детектором рентгеновских лучей (например, пропорциональным счетчиком). Тем самым

ющим лучам, благодаря чему по закону Вульфа — Брегга выде­ ляется для изучения определенная линия спектра. Стоящий под тем же углом к кристаллу (отражение 1-го порядка) детектор излучения фиксирует интенсивность данной выделенной спект­ ральной линии. Путем настройки спектрографа на те или иные углы, заранее известные для каждого кристалла-анализатора, можно определить присутствие той или иной линии спектра и тем самым судить о наличии исследуемых элементов в микро­ объеме образца. Здесь мы не будем рассматривать способы и условия фокусировки рентгеновских спектрографов и другие детали, так как это выходит за рамки данной книги. Исчерпы­

спектрального микроанализа состоят из следующих основных узлов: 1) электронная пушка, формирующая пучок, 2) высо­ ковольтная часть, обеспечивающая подачу ускоряющего напря­ жения на анод, 3) электроннооптическая система, обеспечива­ ющая фокусировку электронного пучка в узкий зонд, 4) камера для образцов, позволяющая перемещать исследуемый объект под электронным зондом, 5) оптический микроскоп для одно­ временного наблюдения исследуемого участка образца, 6) рент­ геновские спектрографы, состоящие из кристалла-анализатора и счетчика для регистрации данной спектральной линии, 7) пере­ счетная схема с усилителем, дискриминатором и счетчиком им­ пульсов для определения интенсивности данной спектральной линии, 8) вакуумная система, обеспечивающая достижение вы­ сокого вакуума ( ~ 1 0 - 5 тор) в электроннооптической системе и в камере для образцов. В лучших моделях используется также система стабилизации тока электронного зонда и электрического или механического сканирования, а также устройство для сту­

установки во многом определяет и ее возможности. В настоящее время создан целый ряд приборов в разных странах (как, на­ пример, установка MS-46 фирмы САМЕСА, Франция, JXA-3 и JXA-5, Япония, МАР-2, СССР и др.), что в значительной степе­ ни стимулирует применение метода в различных областях металлургии и металловедения, а также в геологии и медици­ не [125].

Как мы уже отмечали, наличие спектральной линии иссле­ дуемого элемента в излучении, испускаемом образцом, свиде­ тельствует о присутствии данного элемента в микрообъеме. Перемещая образец под электронным зондом, не изменяя наст­ ройки спектрографа, можно исследовать распределение элемента в разных участках образца. В приборах, в которых осуществля­ ется сканирование электронным зондом, имеется возможность наблюдения распределения исследуемого элемента вдоль лчобого