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SnAgCu钎料合金中添加适量的稀土可以有效地改善其润湿性、机械强度、疲劳寿命及抗蠕变性能。然而,过量稀土的添加会在其内部形成体积较大的稀土相,暴露于空气中,稀土相将发生氧化,同时,在其表面会出现Sn晶须的快速生长现象。
本文向Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金中分别添加了过量的稀土Ce、La、RE(镧铈混合稀土)、Er及Y.系统地研究了稀土相CeSn3、LaSn3、(La0.4Ce0.6)Sn3、ErSn3及YSn3表面Sn晶须的生长情况,包括Sn晶须开始生长的时间、生长速率、数量、形态及尺寸等。研究结果表明:
真空时效条件下,在稀土相的表面不会出现Sn晶须的生长现象,相反地,在大气环境中会出现,表明稀土相的氧化是其表面Sn晶须生长的首要条件,即稀土相氧化产生的压应力将为Sn晶须的生长提供驱动力;稀土相氧化释放的Sn原子将为Sn晶须的生长提供生长源,进而提出了稀土相表面Sn晶须的生长机制:首先,在稀土相的内部形成“Sn晶须核”;然后,“Sn晶须核”被推出表面形成Sn晶须;最后,Sn晶须发生长大.
稀土相CeSn3、LaSn3与(La0.4Ce0.6)Sn3的氧化倾向较大,室温时效条件下,在其表面会生长出大量的线状Sn晶须;150℃时效条件下,由于稀土相剧烈的氧化形成了厚厚的层状稀土氧化物,机械地阻碍了“Sn晶须核”的推出,因此,在其表面不会出现Sn晶须的生长现象。对于稀土相ErSn3与YSn3,由于它们的氧化倾向相对较小,“Sn晶须孕育期”较长,因此,室温时效条件下在其表面会生长出大尺寸的杆状和棒状Sn晶须;150℃时效条件下,在其表面会生长出针状和线状的Sn晶须,且生长速度极快,最高可达1000A/s。
除去传统的杆状、针状、线状、扭结状及包状的Sn晶须,本文首次发现了一些特殊形态的Sn晶须,如菊花状的Sn晶须、不规则片状的Sn晶须、螺旋状的Sn晶须、多次连续转折的Sn晶须、变截面的Sn晶须及搭接、分枝与合并的Sn晶须等。通过对Sn晶须形态及稀土相内部氧化形貌的分析,确定了Sn晶须形态的影响因素,同时提出了Sn晶须的形态机制:“Sn晶须核”的形状决定未来Sn晶须的形态,而根部受力状态的大幅改变也将对Sn晶须的形态产生重要影响。
特别地,变截面Sn晶须的发现打破了人们长期达成的一致——Sn晶须具有恒定的截面。由于K.N.Tu提出的Sn晶须生长能量方程无法解释Sn晶须的变截面生长现象,因此,其存在一定的局限性。本文通过对稀土相表面Sn晶须生长特点的分析,修正了K.N.Tu提出的Sn晶须生长能量方程,并提出了Sn晶须的变截面生长机制:Sn晶须生长速度与其根部Sn原子供给的不协调会导致变截面现象的出现。
最后,在稀土相表面Sn晶须生长机制的基础上,综合再结晶机制及氧化层破裂机制,提出了Sn晶须生长的“双应力区”假设:Sn晶须在生长过程中需形成两个应力区,“低应力区”和“高应力区”。Sn晶须根部的应力区被称为“低应力区”;Sn晶须根部附近与“低应力区”相通的应力区被称为“高应力区”。“低应力区”提供了Sn晶须生长的驱动力,“高应力区”与“低应力区”之间的应力梯度提供了Sn晶须生长所需的Sn原子。