Собственными или внутренними напряжениями называют напряжения, существующие в материале без приложения внешних сил.
В зависимости от объема, в котором уравновешиваются собственные напряжения, они подразделяются на собственные напряжения первого рода, уравновешивающиеся в микрообъемах, соизмеримых с размерами изделия; второго рода, уравновешивающиеся в микрообъемах в пределах одного или нескольких зерен металла, и третьего рода, уравновешивающиеся в ультрамикрообъемах в пределах кристаллической решетки металлов.
Собственные напряжения первого рода определяются методами сопротивления материалов, теории упругости, теории пластичности, а также экспериментально. Собственные напряжения второго и третьего рода находят опытным путем на основе анализа рентгенограмм.
В зависимости от направления в пространстве собственные напряжения могут быть линейные или одноосные, плоскостные или двухосные и объемные или трехосные. Основной особенностью собственных напряжений является то, что они образуют взаимоуравновешенную систему сил.
В паяных конструкциях собственные напряжения - результат предшествующей обработки или сборки. Непосредственно при пайке собственные напряжения могут возникнуть в результате неравномерного местного нагрева, а также структурных и фазовых превращений в металле.
Значения собственных напряжений, возникающих в процессе пайки, зависят от состава и структуры основного металла, соотношения толщин соединяемых элементов деталей, ширины паяного шва и технологического процесса пайки. Наибольших значений собственные напряжения достигают при пайке разнородных материалов.
При изготовлении паяных конструкций приходится соединять металлы с различными физико-химическими свойствами, а также металлы со стеклом, графитом, керамикой, полупроводниками и т. п. Так, в машиностроении широкое применение находит пайка пластинок из твердых сплавов с конструкционными сталями.
Различие в значениях температурных коэффициентов линейного расширения указанных материалов ведет к образованию в паяном шве собственных температурных напряжений.
Значения температурных коэффициентов линейного расширения металлов, применяемых в паяных конструкциях, приведены в табл. 1. Температурные коэффициенты линейного расширения сплавов имеют значения, близкие к значениям температурных коэффициентов линейного расширения основы сплава.
Например для алюминиевых сплавов АМц α = 23,3х 10-6 1/°С и АМг α = 23,6х10_6 1/°С. Температурные коэффициенты линейного расширения низкоуглеродистых сталей мало отличаются от коэффициента линейного расширения железа. Для наиболее распространенной нержавеющей стали 12Х18Н9Т α = 14,9х10-6 1/°С.
Таблица 1. Температурные коэффициенты линейного расширения металлов α.
Металл | Химический знак | Значения α при 0-100°С, 10-6 1/°С |
Алюминий | AI | 23,1 |
Вольфрам | W | 4,4 |
Железо | Fe | 11,5 |
Кадмий | Cd | 31,0 |
Кремний | Si | 6,9 |
Кобальт | Со | 12,5 |
Магний | Mg | 26,1 |
Марганец | Мп | 22,0 |
Молибден | Мо | 5,3 |
Медь | Си | 16,5 |
Никель | Ni | 13,5 |
Олово | Sn | 22,5 |
Свинец | Pb | 28,1 |
Серебро | Ag | 18,7 |
Цинк | Zn | 39,5 |
Хром | Сr | 8,4 |
В общем случае производят пайку элементов с неодинаковыми физико-механическими свойствами, имеющими разные площади поперечного сечения.
Модуль упругости Е1 площадь поперечного сечения F1 и коэффициент температурного расширения обозначим α1 (в элементе 1) и соответственно Е2; F2; α2 (для элемента 2).
Обозначим температуру, с которой начинается образование упруго-пластических деформаций элемента 1, через Т1, а элемента 2 - через Т2. Значения Т1 и Т2 представляют собой некоторые условные величины.