3.1 焊料冶金学知识

3.1.1 冶金学导言

1.关于金属的基本概念

① 定义：金属是“有光泽、有硬度、韧性和延展性的化学元素，而且通常是热和电的良导体”。在所有的元素中，有73种元素被划分为金属。

② 金属的空间点阵：金属中的原子是以确定的秩序和模式排列，并在所有的三个方向重复该排列方式。对于所有的晶体材料，这是典型的原子排列形式。原子在晶体中的有序排列也称为空间点阵。原子间的距离以埃（Å=1×10 ^-10 m）为度量单位，而且取决于具体的材料及其温度。

③ 金属的多晶体：日常生活中的许多金属由许多晶体构成，故被称为多晶体金属，仅在特定条件下才能得到金属的单晶。多晶体结构取决于金属从某熔化液态向固态转变的结晶方式。随着液态金属的冷却，形成许多晶核，而且同时开始增长。随着这些固态晶核的增长，它们不断消耗液态金属，直至所有向三个方向不断扩大的晶体外壁在晶粒边界处相遇。因为金属核在其开始增长时具有不同的空间取向，所以晶核增长后将不在有序的界面相遇，因此，晶粒边界是不规则的，而且也是完全不可能预料的。釆用像退火这样的冶金处理可改变晶粒的大小和结构。

④ 合金：在日常应用中，大多数金属不是在其纯净状态下使用，而是配以其他金属元素形成合金。因此，合金可定义为“呈现金属性质的元素组合”，以不同的比例把几种金属组合在一起（使其合金化），可获得具有所需特定特性的材料。含有两种或两种以上元素的合金性质与其母体金属明显不同。通常把合金分为黑色合金和有色合金两种，黑色合金包括铁基材料，而有色合金包括不含铁的合金。

⑤ 合金通常采用溶解的方法形成。合金呈明显的均匀相，而且不管在何处取样分析，其成分都是相同的。液态情况下的两种材料在冷却过程中可能形成金属间化合物。这些金属间化合物是独特的，因为它们不一定遵守化学化合物所遵守的那种化学-化合价规则。

⑥ 金属间化合物可定义为：成分范围比较窄并具有单一理想配比的可区别均匀相。金属间化合物可能为金属性的或具有离子键。金属间化合物组元的结构和性质取决于原子半径和形成该金属间化合物的两种或两种以上金属的电子活性。

⑦ 当合金的组成元素以一种元素的原子变为另一种元素空间点阵一部分的方式互溶时，我们获得了真正的固溶体。固溶体不同于金属间化合物，因其两种金属间的配比不是固定的特定数。两种元素形成固溶体的配比范围和温度有关。

⑧ 大多数焊料合金的退火温度或再结晶温度低于或近似于室温。因此，普通焊料中的应力不能产生加工硬化现象。

2.原子键合

使原子结合到一起的键合力是由外部电子壳层施加的。常有三个最重要的键合类型。

① 金属键合：原子将其中的一部分电子释放到“社区”中，这些传导电子会在原子间“自由”移动。由于原子释放电子后将带正电荷，因此自由电子就会作为“黏合剂”使原子结合起来。如图3.1（a）所示。

② 共价键合：相邻原子的电子将共享一个轨道，这样就不能说现有电子属于哪个原子，如图3.1（b）所示。

③ 离子键合：某些原子由于拥有过多电子或丢失了一定的电子而带电荷，这种状态称为电负性。原子会因为电负性的差异而相互吸引，如图3.1（c）所示。

3.焓与熵

焓：单位质量的物质所含的全部热量称焓。

熵：为了衡量热力体系中不能利用的热能，用温度除热能所得的商。

所有材料都包含焓和熵两种类型的热能。焓是可以通过热量方式直接体验到的，它是原子围绕中间位置运动所产生的动能。而熵是人类无法感受到的，熵表示系统中无序状态或潜在的可能性。无序程度越高熵就越大。

在熔化过程中，晶体的键断裂会使熵增加，这是因为原子可以更加自由地运动，从而导致无序程度更高的缘故。这说明熔化过程其实就是能量释放的过程。这样，试样聚集状态的变化点会由于通过加热持续不断地提供能量但温度保持不变而变得比较明显。直到试样完全熔化后，熔化材料的温度才会上升。聚集状态改变而温度没有增加时，施加的能量会全部转化为熵，并称为熔融能量，或在温度更高的情况下称为汽化能量，也有使用潜热等，如图3.2所示。

由图3.2可知，如果对某种晶体材料施以恒定的能量（如通过加热），在材料熔化或汽化时温度不会上升。

3.1.2 相图

1.相图的定义

以SnPb合金为例，把Sn、Pb重量百分比与温度的关系绘制成图，它表示金属状态随温度的变化关系，称为相图或状态图，如图3.3所示。

相图是我们分析平衡状态下各种不同成分合金系，在不同温度下的各种不同相之间的相互关系，是理解合金系的理论基础。

2.相图的建立

当能量减少时，会以相反的顺序重复进行对材料熔化和汽化时发生的流程。蒸汽冷却至汽化温度，在这种情况下称为凝结温度。然后，蒸汽转换为液体。这就会使原子排列更加井然有序从而减少熵，这是因为原子在液态下运动不如在气态下运动那样自由。这样它会释放焓，也就是热。虽然热量从系统中释放出来，但温度仍然保特不变，如图3.4所示。达到凝固温度时，也会发生同样的过程。

在针对合金成分的不同配比，重复进行此种试验后发现每种合金的冷却特性曲线的极限点S和L所处的温度值有所不同。将这些极限点映射到温度-合金水平面上时会生成一条折线。折线S表示材料中每种成分开始熔化的温度，这条线称为固相线，低于此温度的均呈固态。折线L表示每种合金处于液态温度，称为液相线，高于此温度均呈液态。过渡区折线S表示材料中每种成分开始熔化的温度，这条线称为固相线，低于此温度的均呈固态。折线L表示每种合金处于液态温度，称为液相线，高于此温度均呈液态。过渡区（即凝固间隙）材料中将混合有液体和固体晶体（即L+S），如图3.5所示。

例如，以SnPb合金为例，如果将冷却特性曲线的交集部分投向由温度和成分组成的平面中，则极限点组成封闭的曲线图形，便构成了SnPb合金的相图（见图3.3）。

3.熵对合金的熔点温度的影响

当将熔点为232℃的Sn与熔点为327℃的Pb混合后，所得合金的熔点会降低，这与熵的变化有关。纯金属的晶核中所有位置的原子类型均相同，这样熵处于最小状态。如果其中的一个原子被外来原子替代，那么系统就会失序，从而使熵增加。通过混合两种材料而增加的熵会在发生预期凝固的点导致焓降低。也就是说秩序越混乱，凝固温度越低。纯金属所含的熵最小，如图3.6所示。因此，该图还说明了最高熔融温度，加入另一种金属后，熵就会增加。加入的金属越多，熵越大，由于金属会在特定的能含量时熔化，因此熔化焓（熔化温度）会随着熵的增加而降低。