Разновидности коэффициентных напряжений в спаях
При изготовлении металлостеклянных спаев в металле и в стекле возникают напряжения, обусловленные различием их ТКР. Однако возникающие напряжения противоположны по знаку: если в стекле возникают напряжения сжатия, то в металле — растяжения, и наоборот. При этом максимальные напряжения образуются на границе между стеклом и металлом (рис. 15.4). Образующиеся напряжения обычно значительно меньше прочности металла, однако они могут превысить прочность стекла (особенно на растяжение) и вызвать его разрушение в спае или отлипание от металла.
В спаях различаются три вида коэффициентных напряжений: осевое, радиальное и тангенциальное. На примере бусинковых спаев можно проследить возникновение этих видов напряжений (рис. 15.5).
Осевое, или продольное, напряжение аа образуется в стекле спая и направлено параллельно оси металлического ввода (траектории осевых напряжений представляют собой прямые линии, параллельные оси ввода).
Радиальное напряжение а г образуется вследствие сжатия или растяжения металла стеклом в радиальном направлении йри охлаждении стекла: оно стремится оторвать металл от стекла и направлено перпендикулярно оси ввода (траектории радиальных напряжений образуют радиусы, находящиеся в плоскости перпендикулярной оси ввода). ;
Тангенциальное, или касательное, напряжение ат возникает в стекле спая как результат противодействия радиальному напряжению. Касательные напряжения направлены по окружности цилиндрического ввода. Траектории касательных напряжений образуют концентрические окружности в плоскости, перпендикулярной оси ввода.
В бусинковом спае всегда одновременно существуют напряжения с разными знаками, т. е. одновременно присутствуют напряжения сжатия и растяжения. Это объясняется тем, что касательное напряжение в бусинковом спае всегда имеет знак, противоположный радиальному напряжению, хотя и не равно ему по абсолютной величине; осевое напряжение имеет тот же знак, что и касательное.
Суммарное напряжение будет напряжением сжатия и соответственно спай будет надежным, при условии, что касательное напряжение является напряжением сжатия. Это объясняется тем, что в бусинковом спае касательное напряжение по абсолютной величине является максимальным и всегда равно или превышает радиальное.
При этом наличие суммарного напряжения сжатия способствует термической и механической прочности стекла и надежности спая (положительный фактор), а наличие радиального напряжения растяжения может вызвать отлипание и отслаивание стекла от металла, образование каналов и воздушных прослоек в спае и привести к нарушению вакуумной плотности и герметичности спая (отрицательный фактор). Величина радиального напряжения на границе стекло — металл зависит от соотношения радиусов стекла и металлического стержня (рис. 15.6, б) и значительно повышается по мере увеличения толщины стекла. Поэтому при ТКРамет ТКРаст (радиальное напряжение является напряжением растяжения) толщина стекла в спае должна быть по возможности малой — при этом радиальное напряжение будет иметь минимальное значение.
Как видно из рис. 15.6,6, по мере увеличения толщины стекла касательное, осевое и суммарное напряжения растяжения уменьшаются (и соответственно снижается вероятность растрескивания спая). На рис. 15.6,в показан характер изменения касательного, радиального и осевого напряжений по мере удаления от границы металл — стекло: касательное и радиальное напряжения имеют максимальное значение (но Разный знак) на границе между стеклом и металлом и постепенно уменьшаются по мере удаления от этой границы (например, на внешней поверхности стекла радиальное напряжение становится равным нулю); осевое напряжение имеет одно и то же значение на границе металл — стекло, в толще стекла и на внешней поверхности стекла.
Поляриметр показывает только те напряжения, которые перпендикулярны направлению поляризованного луча. Например, Для определения осевого напряжения поляризованный луч полярископа направляют через стекло спая перпендикулярно оси
Измерив экспериментально осевое напряжение и зная отношение диаметров стекла и металлического ввода, по графику (рис. 15.6) можно рассчитать значение радиального и касательного напряжений на границе металл — стекло в бусинковом спае. Как видно из рис. 15.6, при йст/омет88 2,5 осевое напряжение приблизительно в 2 раза меньше касательного (и одинаково с ним по знаку) ив 1,7 раза меньше радиального (но противоположно ему по знаку). Например, при экспериментально замеренной на поляриметре величине осевого напряжения сжатия порядка 120 ммкм касательное напряжение сжатия на границе стекло — металл будет равно 240 ммкм, а радиальное напряжение растяжения — 200 ммкм.
При направлении поляризованного луча параллельно оси металлического ввода поляриметр показывает разность между касательными и радиальным напряжениями на границе металл — стекло (рис. 15.8). По мере увеличения толщины стекла в бусинковом спае раз ница между касательным и радиальным напряжениями постепенно уменьшается: при диаметре стеклянного цилиндра, более чем в 5 раз превышающем диаметр металлического ввода, касательное и радиальное напряжения имеют практически одинаковое значение.
В этом случае напряжение, определенное на полярископе, практически равно удвоенному касательному (или удвоенному радиальному) напряжению.
Действительно, разность касательного и радиального напряжений, полученная на полярископе, равна от — оу = от — (— от) = 2 от.
На суммарное значение и знак коэффициентных напряжений в спае влияют следующие факторы: различие ТКР а металла и стекла; форма и геометрия деталей (например, соотношение толщины стекла и металла); предварительная химическая и термическая обработка стекла и металла; термические и временные режимы изготовления и отжига спая.
Конструкция и технология изготовления спая должны выбираться исходя из следующих условий: при комнатной температуре в спае должны быть незначительные напряжения сжатия. При нагреве и охлаждении спая до рабочих температур (в процессе изготовления или эксплуатации прибора) напряжения в стекле спая не должны увеличиваться до опасных значений и менять знак (не допускается превращение напряжений сжатия в напряжения растяжения).
Как известно, суммарное коэффициентное напряжение сжатия всегда возникает в материале, который имеет меньший ТКР а. Поэтому для возникновения в стекле напряжения сжатия необходимо подбирать пару металл — стекло.