Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

торая перпендикулярна к границе диффузионного контак­ та пары А—В , появляется гофрированный участок, как

это изображено на рис. 41; однако поверхность — сток, доступный лишь для немногих избыточных атомов и вакан­

сий; добраться до нее смогут лишь те из них, которые ро­ дились неподалеку от поверхности. Родившиеся вдали от нее нуждаются в иных стоках, которые расположены бли­

же к месту рождения.

И вакансии, и атомы могут поглощаться дислокациями, об этом уже была речь в очерке о диффузионной ползу-

чести кристаллов. Краевые дислокации, которые со сто­ роны кристалла А поглощают избыточные вакансии, а со

стороны кристалла В поглощают избыточные атомы, дви­ жутся в противоположных направлениях и выходят за пределы кристаллов. Если же это дислокационные петли,

они сжимаются или расширяются в зависимости от знака петли и от того, чем она окружена — избыточными вакан­

сиями или атомами, нуждающимися в пристанище. Одна­

ко в любом случае движение дислокации в кристалле А

сопровождается постепенным исчезновением, «разбором»

атомных плоскостей в решетке, а в кристалле В — их постепенным возникновением, «строительством» атомных плоскостей. Сказанное можно перефразировать: при вза­

112

имной диффузии, если Da-*b больше DB-*A, происходит

как бы переселение атомных плоскостей из кристалла А в кристалл В (рис. 42). Происходит не только это, но и это

происходит.

Для вакансий мыслим еще один сток — они могут «про­ валиваться» в различные микротрещины и поры, которые либо были в диффузионной зоне кристалла А, либо возник­

ли в процессе диффузии. Эти пустоты по мере притока к

ним вакансий начнут увеличиваться. Будут образовывать­ ся поры.

Теперь о слове «источник» в кавычках. Строго говоря, когда речь идет об атомах, в кавычки следовало бы брать

и слова «сток», «рождение», «поглощение». Дело в том, что

впроцессе взаимной диффузии вакансии действительно мо­

гут появляться и бесследно исчезать, а с атомами ничего

подобного происходить не может, их число остается неиз­

менным. Когда говорят о «рождении» атома, имеют в виду,

что он появился в той области решетки, где его прежде не

было. При этом он должен был уйти из другой области ре­

шетки. И «поглощается» он, не исчезая, а пристраиваясь к незавершенной плоскости решетки. Именно в этом смысле дислокация является «стоком» атомов. Итак, два типа сто­

ков — дислокации и микротрещины, поэтому в диффузион­ ной зоне происходит не только «переселение атомных плос­

костей», но рост пустот.

Два эффекта — Френкеля и Киркендалла

Итак: «...не только «переселение атомных плоскостей», но и рост пустот». И то, и другое. Два типа стоков — два эф­ фекта. Рост пустот — эффект Френкеля, переселение атом­ ных плоскостей — эффект Киркендалла.

Как увидеть эти эффекты и как их, происходящих одно­

временно, наблюдать в чистом виде?

Эффект Френкеля увидеть просто: со временем диффу­ зионного отжига объем пор растет, и их легко заметить в

микроскоп (рис. 43). Они для этого достаточно велики —

до десятка микрон.

Тщательно отполировав плоскость сечения диффузион­

ной зоны, можно убедиться в том, что поры, которые обра­ зуются в ней, не бесформенны, они имеют огранку. Не произвольную, а повторяющую огранку того кристалла, в

113

чину объема пор увеличился бы объем диффузионного

образца (рис. 46, в).

Прежде чем рассказать о возможности порознь наблю­

дать два одновременно происходящих эффекта, обратим внимание на следующее: в кристалле А, вдали от свобод­ ной поверхности, избыточные вакансии поглощаются по­

рами (поры растут!) и дислокациями (плоскости «разби­ раются!), а в кристалле В избыточные атомы поглощают­ ся только дислокациями (плоскости «строятся»!). Очевид­

но, число плоскостей, «разбирающихся» в, А и «строящих­

ся» в В , будет различным — первых меньше, так как в дислокации уходит лишь часть вакансий, именно те, кото­

V п

п в = пА + - j j T ,

где пв и пА— число атомных плоскостей, которые «по­ строились» в кристалле В и «разобрались» в кристалле А.

Теперь о возможности разделить эти эффекты. При­

веденная формула подсказывает две возможности их раз­

деления. Эти возможности легко осуществить эксперимен­

тально. Во-первых, можно изучать взаимную диффузию на двух трехслойных образцах, в которых кристаллы

А ж В чередуются различно: А — В — А ж В — А — В. В

каждом из таких образцов по две плоскости диффузион­ ного контакта и соответственно по два ряда инертных ме­ ток. В первом образце инертные метки будут удаляться, так как в кристалле В образуются 2п, плоскостей. Рассто­

образце расстояние между метками изменяется на хА =

= пАа и образуются поры, т. е. видна смесь двух эффек­ тов. На специальных опытах, в которых независимо опре­ деляли пА, пв ж Vn, убедились, что приведенное уравнение

удовлетворяется.

В чистом виде эффект Киркендалла можно наблю­ дать, исключив эффект Френкеля с помощью следующе­

116

остается неизменной, а один из возможных стоков запре­

щается давлением, поэтому можно ожидать, что метки

Рис. 46. С хем ати ч еск о е и зо б р аж ен и е э ф ф е к т а К и р- к ен д ал л а ( б) и э ф ф е к т а Ф р ен к е л я ( в ) ; а — до от­ ж и га .

начнут двигаться под давлением быстрее, так как все ва­ кансии уйдут только на «разбор» плоскостей. Именно это и происходит: метки в образце В —А—В при диффузион­

(рис. 47).

Об эффекте Киркендалла можно рассказать еще и дру­

гими словами. В диффузионной зоне происходит переме­

щение плоскости исходного контакта между кристал­ лами А и В. Это означает, что имеет место диффузионная

ползучесть вещества. Мы знаем, что диффузионная пол­

зучесть происходит тогда, когда искусственно, приложе­

нием к образцу напряжений, в нем создается направлен­

ный поток вакансий. При взаимной диффузии тоже имеет­

ся направленный поток вакансий. Он, однако, поддержи-

117

Опыт ставится следующим образом. Образец, в котором

должна происходить диффузия, поднимающая груз, составляется из двух взаимно растворимых металлов.

Очень важна форма образца. Экспериментируя, мы убе­ дились в том, что наиболее удобным является образец в форме длинной цилиндрической нити металла А, поверх­ ность которой равномерно покрыта слоем металла В. В на­ ших опытах использовались никелевые проволоки, диаметр

которых (2г) был 200 микрон. В гальванической ванне их покрывали слоем меди толщиной d= 4 мк. Образец дли­

ной Z0= 1 0 см располагался в цилиндрической печи, к его концу подвешивался грузик. При температуре 1000° С

наблюдали за тем, что происходит с грузиком. Вначале он поднимался вверх со скоростью, которая со временем

уменьшалась. Затем, когда движение вверх прекращалось,

грузик, как бы одумавшись, начинал двигаться вниз. Чем

больший грузик, мы подвешивали к нити, тем, при прочих

неизменных условиях, «мысль» о том, чтобы начать опус­ кание вниз, ему приходила раньше.

Читатель, видимо, уже задумался над тем, что прои­

зойдет, если медь и никель поменять местами. Мы над

этим тоже подумали и, чтобы убедиться в разумности на­

шей догадки, поставили специальный опыт: медная нить, никелевое покрытие, на конце нити грузик, цилиндриче­ ская печь, температура 1000° С. Догадка оказалась пра­ вильной: вверх грузик не пополз; он пополз вниз значи­ тельно быстрее, чем это происходило в опыте с образцом меди, не покрытой никелем. Впечатление такое, что во

втором опыте диффузия не поднимает груз, а как бы

подталкивает его вниз.

Если обсуждать рассказанное, не интересуясь деталя­

ми процесса, а имея в виду лишь закон сохранения энер­

гии, то окажется, что ничего удивительного в рассказан­ ном нет, что все наблюдения этим законом легко и есте­ ственно объясняются. Дело в том, что процесс взаимной диффузии между растворимыми металлами сопровождает­ ся выделением энергии. Именно поэтому этот процесс

самопроизвольно и происходит. А если есть выделяющая­

ся энергия, то уж немудрено использовать ее для выпол­

нения работы. В наших опытах эта энергия поднимает

или опускает груз. С таким же успехом ее можно было

бы заставить совершать иную работу — что-то обогре­ вать, или вращать, или освещать.

119