Рис. 28. Один ряд плоских зерен в шве при пайке армко-железа медью в среде водорода при температуре 11000°С, зазор 0,05 м; Х200.
При пайке железа медью, несмотря на то, что металлографическая картина ориентированной кристаллизации осложнена наличием полиморфного превращения в железе, рентгеновским методом установлено, что отдельные зерна железа находятся в определенном ориентационном соотношении с соответствующими зернами меди.
Более четко эпитаксию меди можно наблюдать при пайке углеродистой стали. В этом случае границы бывших аустенитных зерен, обозначенные выделениями феррита в доэвтектоидной стали и сеткой цементита в заэвтектоидной, совпадают с границами зерен меди.
Таким образом, при формировании спая параметры решетки кристаллизующегося металла могут как уменьшаться, так и увеличиваться, приближаясь возможно точно к параметрам кристаллической решетки основного металла.
При наличии на поверхности паяемого металла окисной пленки или слоя интерметаллического соединения ориентирующее действие основного металла даже при незначительной толщине указанных слоев практически не проявляется.
На процессы, протекающие на границе твердой и жидкой фаз, большое влияние оказывает диффузия. На рис. 25 показана микроструктура шва при пайке армко-железа золотом в среде водорода с точкой росы -50°С, из которой можно видеть, что золото интенсивно диффундирует в основной металл.
В данном случае имеет место повышенное проникновение припоя по границам зерен, обусловленное рядом факторов, связанных с диффузией малорастворимой примеси.
Диффузия малорастворимой примеси сопровождается образованием дислокаций, по которым в процессе канальной диффузии происходит активное проникновение жидкого металла.
Возникновение этих дислокаций обусловлено упругими напряжениями, которые релаксируются в процессе диффузии. Величина этих напряжений:
где β - относительное изменение параметра решетки основного металла при растворении 1% (атомного) припоя; F - модуль Юнга; v - коэффициент Пуассона; С - концентрация элемента по толщине пластины основного металла; а - толщина пластины основного металла; у - текущая координата (перпендикулярно плоскости спая).
Из уравнения следует, что максимальные напряжения создаются в начале диффузионного процесса на поверхности пластины:
где Cs - концентрация элемента на границе фаз.
Расчеты и эксперименты показывают, что у поверхности образца плотность дислокаций примерно в 10 раз больше, чем в объеме, и убывает с увеличением расстояния от поверхности. Глубина дислоцированного слоя, например для системы железо - индий, превышает глубину диффузионного слоя в 6 раз.
Образовавшиеся в процессе диффузии дислокации и малоугловые границы, являясь путями коротких циркуляции, ускоряют иррегулярную диффузию примеси в объеме зерен. Этим и объясняется повышенное диффузионное проникновение по границам зерен.
В приведенном случае пайки армко-железа золотом последнее, диффундируя по большеугловым границам и в объеме зерен основного металла, инициирует создание дислокационной сетки, имеющей наибольшее развитие по границам зерен.
Повышенная проницаемость границ зерен обусловлена, с одной стороны, повышенной диффузионной подвижностью самой границы зерен, с другой - возникновением вокруг границ зерна области с повышенной диффузионной проницаемостью, которая может рассматриваться как диффузионная граница с существенно большей эффективной шириной.
Процесс, приводящий к образованию по границам зерен своеобразных диффузионных клиньев, показан на рис.26. Структура этих клиньев, выявленная с применением оптического и электронного микроскопов, дана на рис. 27. Расширение клина происходит в результате диффузии золота в зерне и плавления образующегося при этом твердого раствора (рис. 27, а).
Рис. 27. Диффузионный клин по границе зерен армко-железа (а) и его головная часть (б) при пайке золотом (увеличение соответственно Х2200 и Х7400).