Твердость германиево-кремниевых сплавов при комнатной температуре

Преобладающее число данных для сплавов двойных металлических систем показывает, что твердость, предел текучести, предел прочности на разрыв и степень упрочнения элемента возрастают с добавлением примесных атомов. При полной взаимной растворимости в твердом состоянии между двумя металлами обычно получается максимум на кривой твердости в зависимости от состава. В настоящей работе, посвященной измерению твердости германиевокремниевых сплавов, приводятся, однако, интересные результаты, которые отклоняются от этой общей закономерности.

Как германий, так и кремний являются элементами четвертой группы, имеющими кубическую структуру типа алмаза. Диаграмма состояния системы германий — кремний была построена Штёром и Клеммом, и было найдено, что они образуют непрерывные твердые растворы. Параметры решетки этих двух элементов отличаются только на 4%, а параметры решетки сплавов следуют закону Вегарда с незначительным отклонением в сторону меньших значений. Для измерения твердости были использованы гомогенные германиево-кремниевые сплавы, полученные описанным ранее методом. Твердость сплавов, а также чистого германия и чистого кремния определялась на приборе для измерения микротвердости типа Лейтца (Durimet). На фиг. 1, 2 показаны микрофотографии с отпечатками, полученными при нагрузке 100 г. Отпечатки на фиг. 2 были получены с помощью индентора Кнупа, который обычно не оставляет трещин. Это справедливо для любого материала — германия, кремния или германиево-кремниевого сплава. В то же время отпечатки, полученные индентором Виккерса в форме алмазной пирамиды, всегда имеют трещины в углах отпечатка (см. фиг. 1). Трещины не обязательно образуются в процессе испытания; в одном случае по крайней мере трещины появились примерно через 2 сек. после снятия нагрузки.

Так как числа твердости зависят от нагрузки, прилагаемой к индентору, то для нанесения всех отпечатков была использована фиксированная нагрузка в 100 г, так что сплавы различной твердости можно было сравнивать между собой. Нагрузки больше 100 г вызывают скалывание и растрескивание и очень затрудняют проведение измерений. Время приложения нагрузки было стандартным и равнялось 15 сек. Исследуемые поверхности травились в водном растворе HNO3 и HF.

Значения твердости, определенные из таких малых отпечатков, имеют большой разброс для каждого сплава, как показано на фиг. 3, на которой изображена кривая зависимости твердости от концентрации для германиево-кремниевых сплавов. Каждая точка твердости есть среднее по крайней мере из шести отпечатков. Несмотря на большой разброс данных, интересно, что явного максимума на кривых зависимости твердости от состава нет. Таким образом, можно сделать вывод, что кремний действительно разу-прочняется по мере добавления растворенных атомов германия.

Упрочнение элемента при введении растворенных атомов было объяснено Моттом и Haбарро [3 ] и Коттреллом на основе взаимодействия между дислокациями и растворенными атомами. Позднее Фишер указал на влияние ближнего порядка на упрочнение. Кроме того, Дорн, Петроковский и

Титц 16 обнаружили на некоторых алюминиевых сплавах, что часть упрочнения твердого раствора должна быть связана с влиянием валентности. Растворенные атомы, сильно отличающиеся по валентности от основного элемента, дают больший упрочняющий эффект.

Настоящий случай, когда кремний разупрочняется по мере добавления германия, нельзя объяснить на основе теории упрочнения твердого раствора для обычных металлических систем. Кроме того, тот факт, что твердость, по-видимому, линейно изменяется с составом, приводит к предположению, что твердость сплава при комнатной температуре, возможно, пропорциональна числу имеющихся связей различного рода.