Факторы, влияющие на коэффициентные напряжения в спае

Зависимость расширения металла A Hi от температуры вплоть до Т = 1000°C — линейна, т.е. практически представляет собой прямую линию, обозначена а мет (рис. 15.9). Зависимость расширения стекла AZ/Z от температуры не линейна: кривая расширения стекла выше температуры трансформации имеет излом в сторону увеличения расширения, обозначена а ст (рис. 15.9). В принципе по графикам зависимости AZ/Z стекла и металла от температуры можно определить значение и знак коэффициентных напряжений в стекле спая при различных температурах.

На графике зависимости AZ/Z от температуры (рис. 15.9) имеются три характерные температуры:

температура размягчения стекла Тразм;

температура трансформации стекла Ттран;

температура, при охлаждении до которой стекло приобретает упругие свойства, T_s (Ту — это температура, начиная с которой в стекле в процессе его охлаждения возникают остаточные напряжения¹).

Значение и знак напряжений в спае определяет: взаимное расположение на графике температур Тразм, Ттран и Т$; значение разности AZ/Z стекла и металла при каждой данной температуре.

Для определения значения и знака напряжений в спае кривую расширения металла а _м надо сдвинуть на графике параллельно себе самой так, чтобы она проходила через точку, соответствующую температуре Ту (см. рис. 15.9),— при этом она занимает положение, обозначенное на графике амет. Расстояние по вертикали между кривыми расширения стекла а ст и металла амет характеризует напряжение в стекле спая при каждой данной температуре. Температуры, при которых кривая расширения стекла а ст располагается над кривой расширения металла а мет, в стекле спая возникают напряжения сжатия (вертикальная штриховка на рис. 15.9, в); температуры, при которых кривая расширения стекла act располагается под кривой расширения металла а мет, в стекле возникают напряжения растяжения (горизонтальная штриховка на рис. 15.9, в). Как видно из рис. 15.9, знак напряжений в стекле при комнатной температуре (при данных значениях ТКР а мет и ТКР аст) определяется положением температуры Ту на графике.

Температура Ts не является константой, она может принимать любое значение от Ттранс до Тразм стекла в зависимости от максимальной температуры изготовления или отжига спая; длительности выдержки при максимальной температуре; скорости охлаждения спая до комнатной температуры в процессе его изготовления и отжига; от конструкции и габаритов спая.

Например, при ТКР а мет ТКР а ст возможны следующие варианты:

• 1. При комнатной температуре в стекле спая имеются напряжения сжатия (рис. 15.9, а). Этот случай имеет место, когда T_s мало отличается от Ттравд¹, т.е. стекло переходит в упругое состояние при сравнительно низкой температуре. При эксплуатации прибора нагрев спая приводит к уменьшению напряжений сжатия (по сравнению с напряжениями при комнатной температуре), а охлаждение спая приводит к увеличению напряжений сжатия.

Необходимыми условиями, обеспечивающими совпадение температур T_s и Ттран и отсутствие в спае напряжений растяжения при любой рабочей температуре, до которой может нагреваться или охлаждаться спай при эксплуатации прибора, являются: низкая скорость охлаждения спая; длительность выдержки спая при температуре трансформации; высокая температура отжига спая.

При этом чем выше температура изготовления спая или отжига, тем меньше напряжение сжатия при комнатной температуре.

• 2. При комнатной температуре в стекле спая имеются напряжения растяжения (рис. 15.9, б). Этот случай имеет место, когда T_s мало отличается от Тразм стекла, т. е. стекло переходит в упругое состояние при высокой температуре. При эксплуатации прибора нагрев спая приводит к увеличению напряжений растяжения, а охлаждения спая — к снижению напряжений растяжения. Напряжения растяжения при комнатной температуре возникают в спае при малой длительности выдержки спая при температуре трансформации и высокой скорости охлаждения спая — это наиболее неприемлемый режим изготовления и отжига спая. С увеличением температуры изготовления и отжига спая напряжение растяжения уменьшается.

• 3. При комнатной температуре напряжения в спае отсутствуют (рис. 15.9, в). Этот случай имеет место, когда температура Т находится между Ттраи и Тразм. В процессе эксплуатации прибора при нагреве спая в нем возникают опасные напряжения, а при его охлаждении — возникают напряжения сжатия.

Условиями отсутствия напряжений при комнатной температуре являются большая длительность выдержки спая при температуре трансформации и средняя скорость охлаждения спая при его изготовлении или отжиге.

Таким образом, разрушение спая может произойти при высокой скорости охлаждения спая (за счет возникновения напряжений растяжения) или при чрезмерно малой скорости охлаждения спая (за счет возникновения при комнатной температуре очень больших напряжений сжатия).

Поэтому оптимальной является скорость охлаждения спая, при которой при комнатной температуре в стекле спая возникают незначительные напряжения сжатия — при нагреве прибора в процессе эксплуатации эти напряжения сжатия уменьшаются и приближаются к нулю (см. рис. 15.9, а).

В последнее время применяют специальные нагревательные поляриметры, которые позволяют подобрать пару стекло — металл и оптимальный температурный режим (температуру и длительность выдержки, скорость нагрева и охлаждения), обеспечивающий термосогласование спаиваемых материалов во всем интервале температур, до которых может нагреваться или охлаждаться спай в процессе эксплуатации прибора. На основании показаний нагревательного поляриметра строится кривая термосогласования (поляриметрическая кривая) для данного конкретного спая, характеризующая изменение значений и знака напряжений при изменении температуры (рис. 15.10).

Некоторые спаи при изготовлении электровакуумных приборов подвергают серии последовательных тепловых обработок (например, при штамповке ножек, заварке, откачке, тренировке и т.д.). Каждая из этих термообработок по-своему влияет на напряжения в спае и изменяет их значение или даже знак (рис. 15.11). Как видно из рис. 15.11, напряжения в ножке после откачки прибора значительно ниже, чем после его заварки. При этом характер изменения напряжений зависит не только от пары металл — стекло, но и от конструкции данного конкретного прибора, технологии и режимов его изготовления. Как известно, чем короче время воздействия повышенных напряжений, тем большее значение напряжений спай может выдержать без разрушения. Поэтому максимум напряжений, например при 400°С, менее опасен, чем такой же максимум в области рабочих температур эксплуатации прибора.

При подборе оптимального режима отжига следует учитывать, что в металлостеклянном спае наряду с коэффициентными напряжениями имеются обычные термические, которые завися от технологии изготовления спая.