Выводы. 8 страница

h – высота сечения.

Стрела прогиба f (рис. 4.4) связана с относительным удлинением δкрайнего растянутого волокна в изогнутом образце зависимостью:

. (4.2)

На образцах в специальной скобе (рис. 4.5) можно создавать различные

уровни напряжений, изменяя стрелу прогиба. Применение вкладыша позволяет создать более равномерное распределение напряжений по рабочей длине образца. В этом случае нагрузка прикладывается к образцу в двух точках.

Рис. 4.5. Скоба нагружающая

Стрелу прогиба определяют экспериментально при помощи измерительной головки часового типа или расчетом как:

, (4.3)

где Е - модуль упругости;

b -расстояние между внутренними опорами;

l - расстояние между внешними точками опоры;

;

;

a=(l – b)/2;

δ_s – 0,002;

σ_s –предел текучести;

h – толщина образца.

При нагружении по схеме чистого изгиба упругие растягивающие напряжения образца прямоугольного сечения рассчитывают по формуле:

. (4.4)

Рабочие напряжения рассчитывают как часть предела текучести при из- гибе ( 0,90; 0,75; 0,50 и т.д.).

3. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Материалы

1. Нахлесточные паяные образцы меди, стали и алюминия.

2. KCl – насыщенный раствор.

3. NaCl – раствор.

Оборудование

1. Нагружающее устройство.

2. Вольтметр универсальный ВК7 – 15.

3. Индикаторная головка часового типа.

4. Хлорсеребряный электрод.

5. Установка для измерения электродных потенциалов.

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Изучить конструкцию и особенности работы установки для измерения электродных потенциалов (рис. 4.6).

2. Ознакомиться с устройством, органами управления и работой вольтметра универсального ВК7 – 15 (см. прил. в конце раздела).

Рис. 4.6. Схема установки для измерения электродных потенциалов:

1 – электрод хлорсеребряный; 2 – образец; 3 – скоба; 4 – манипулятор;

5 – прибор измерительный; 6 – стойка

3. Подготовить измерительный прибор.

4. Подготовить поверхность изучаемого образца к проведению исследований.

5. Определить геометрические характеристики образца (рис. 4.7). Материал образца - сплав МНЖМц 30 - 0,8 - 1 (табл. 4.2).

6. Поместить образец в нагружающее устройство (рис. 4.8).

7. Установить нагружающее устройство с образцом на столик установки (рис. 4.6).

8. Подвести хлорсеребряный электрод к исследуемой зоне соединения и осуществить контакт электрода с поверхностью образца (рис. 4.9).

Рис. 4.7.Образец для испытаний

Таблица 4.2

Химический состав (в %) и механические свойства (в отожженном состоянии) медно-никелевого сплава МНЖМц 30 - 0,8 - 1

Ni	Fe	Мn	Сu	σв кг/мм2	σ0,2 кг/мм2	δ, %	Е·10-3, кг/см2 (20 ºС)
29... 33	0,6..1,0	0,8..1,3	ост.

9. Определить время установления стационарного значения электродного потенциала φ;представить результаты измерений в координатах φ – t (t – продолжительность измерений) (рис. 4.10). Количество измерений не менее пяти.

Рис. 4.8. Нагружающее устройство:

1 – головка измерительная часового типа;

2 – образец; 3 – вкладыш; 4 – скоба

10. Поднять измерительный электрод с помощью манипулятора (рис. 4.6).

Рис. 4.9. Схема измерительного электрода: 1 – образец;

2 – капля раствора; 3 – чехол защитный; 4 – электрод хлорсеребряный

11. Осушить поверхность измерения фильтровальной бумагой.

12. Снять нагружающее устройство со столика измерительной установки.

13. Используя зависимости (4.3) и (4.4), определить величину прогиба f образца, соответствующую механическим растягивающим напряжениям величиной 0,7 от предела текучести материала образца.

Рис. 4.10. Продолжительность установления стационарного электродного

потенциала

14. С учетом п. 13 создать в поверхностных объемах образца механические напряжения при помощи нагружающего устройства (рис. 4.8).

15. Установить нагружающее устройство с образцом на столик измерительной установки.

16. Определить величины электродного потенциала φ в соответствующих характерных зонах образца (рис. 4.7) (продолжительность измерения выбирать с учетом предварительно полученных результатов (п. 9 и рис. 4.10).

17. Результаты измерений представить в виде таблицы.

18. Снять нагружающее устройство со столика измерительной установки.

19. Очистить поверхность образца от загрязнений.

20. Создать в поверхностных слоях образца растягивающие напряжения величиной 1,2 от предела текучести материала образца.

21. Повторить пункты 15...19 программы работ.

22. Разгрузить образец в нагружающем устройстве и снять его с приспособления.

23. Привести в порядок рабочее место.

24. Построить эпюры распределения электродных потенциалов в характерных зонах соединения при различных уровнях механических напряжений σ=0; σ=0,7 и 1,2 ( - предел текучести при изгибе материала образца).

25. Определить зоны соединения, наименее стойкие в коррозионных средах; объяснить причины возникновения этих зон.

5. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Программа работы.

3. Описание установки для проведения исследований, краткая техническая характеристика блока измерений.

4. Особенности методики и результаты исследований.

5. Выводы.

6. вопросы ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Особенности процесса электрохимической коррозии соединений.

2. Что такое «электродный потенциал»?

3. Характерные зоны паяного соединения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная литература

1. Справочник по пайке / под ред. И.Е. Петрунина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 2003. – 480 с.

Дополнительная литература

1. Петрова, А.П. Склеивание инструмента и оснастка в машиностроении / А.П. Петрова, Э.К. Кондрашов, Ю.В. Коротков. – М. : Машиностроение, 1985. – 184 с.

2. Тюнин, Ю.Н. Сварка пластмасс, пайка и склеивание материалов. Часть 1: Сварка пластмасс / Ю.Н. Тюнин, О.В. Шашкин. – Тольятти : ТГУ, 2007. – 129 с.

3. Жук, Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов / Н.П. Жук. – М. : Металлургия, 1976. – 472 с.

4. Стеклов, О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах / О.И. Стеклов. – М. : Машиностроение, 1976. – 200 с.

Приложение

КРАТКОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

ВОЛЬТМЕТРА УНИВЕРСАЛЬНОГО ВК7 – 15

Вольтметр универсальный ВК7 – 15 предназначен для измерения напряжения постоянного тока.

Отсчет измеряемого напряжения производится непосредственно по стрелочному прибору, шкала которого проградуирована в вольтах.

Техническая характеристика

Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока при измерении через входные клеммы – от 0,03 до 1000 В на пределах 0,3; 1; 3; 10; 30; 100; 300 и 1000 В.

Питание от сети переменного тока напряжением 220±20 В частоты 50±0,5 Гц.

Основная погрешность при измерении напряжения постоянного тока (погрешность в нормальных условиях) не превышает ±2,5 %.

Активное входное сопротивление вольтметра при измерении напряжения постоянного тока до 1000 В не менее 15 мОм.

Мощность, потребляемая прибором от сети, не превышает 25 ВА.

Прибор обеспечивает нормальную работу через 15 минут после его включения и сохраняет свои параметры в течении 24 часов непрерывной работы.

Конструкция прибора

Вольтметр выполнен в виде настольного переносного прибора.

На передней панели расположены измерительный стрелочный прибор, кнопки переключателя рода работ, ручка переключателя пределов измерения, входные клеммы, клеммы заземления, гнездо для пробника, держатель предохранителя, сигнальная лампа, кабель питания, потенциометр под шлиц (закрыт заглушкой) для предварительной установки электрического нуля при измерении напряжения постоянного тока, ручки потенциометров установки электрического нуля при измерениях.

Проведение измерений

Для подготовки прибора к работе при необходимости установить механический нуль стрелочного прибора.

На кнопочном переключателе нажать кнопку переключателя рода работ (включение прибора). О включении свидетельствует свечение сигнальной лампы.

После прогрева прибора сбалансировать усилитель постоянного тока, для чего переключатель пределов измерения поставить в положение «0,3 V», нажать кнопку «И+» или «И–» в соответствии с полярностью измеряемого напряжения и, при закороченных входных клеммах «0,3 – 10 V», ручкой «О» установить стрелку микроамперметра на нулевую отметку шкалы «~ V», после чего прибор готов к измерению.

РАЗДЕЛ 5. ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Лабораторная работа № 1

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить методы измерения высоких температур, используемые при исследованиях процессов сварки и пайки. Получить практические навыки по изготовлению и градуировке термопар.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР И КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

О ТЕРМОПАРАХ

Ни одно современное исследование в области сварки и пайки невозможно без оценки температуры опыта. Во многих случаях точность измерения температуры определяет погрешность всего исследования. Международная практическая шкала температур основана на шести реперных температурных точках, соответствующих фазовым переходам кислорода, воды, серы, серебра и золота. Приборы, с помощью которых производят измерения температуры, называются термометрами. По принципу действия термометры разделяют на несколько основных типов: 1) дилатометрические, основанные на измерении меняющихся с температурой размеров тела; 2) манометрические, основанные на измерении давления, меняющегося в замкнутом пространстве с изменением температуры; 3) сопротивления, основанные на измерении величины электрического сопротивления тела, изменяющегося с температурой; 4) термоэлектрические, основанные на измерении термоэлектродвижущих сил (этот тип термометров обычно называют термопарами); 5) излучения, основанные на измерении теплового или светового потока накаленного тела. В первых четырех типах датчик измерительного инструмента помещается в непосредственной близости к объекту, температура которого измеряется. Термометры излучения являются бесконтактными, для измерения достаточна лишь небольшая видимая площадь поверхности нагреваемого тела.

Использование термометров первых трех типов ограничивается малым верхним пределом температуры. Для измерения и контроля высоких температур наиболее широко используются термопары.

При нагревании двух разнородных проводников появляется ЭДС, являющаяся суммой ЭДС Пельтье, возникающей в спае, и ЭДС Томпсона, возникающей вследствие градиента температур в каждой проволоке. Суммарная ЭДС является функцией температуры для данной пары металлов. Если один спай термопары поддерживать при постоянной температуре, то ЭДС термопары будет функцией температуры, при которой находится другой спай. Для определения термоЭДС в цепь термопары включают измерительный прибор. Рабочий спай обычно называют горячим, а термостатируемый – холодным. Градуировочные зависимости термоЭДС от температуры горячего спая справедливы при температуре холодного спая, равной 0 °С. Если холодный спай не термостатируется при 0 °С, то необходимо ввести поправку, которая будет равна разности ЭДС холодного спая при данной температуре и 0 °С.

При выборе материала для термопар руководствуются следующими требованиями: в интересующем исследователя интервале температур величина термоЭДС должна быть достаточно большой, устойчивой, воспроизводимой, прямо пропорциональной температуре; материалы термопар должны быть стойкими в рабочей среде и сохранять механическую прочность. Характеристики некоторых типов термопар приведены в таблице. Под длительным применением имеется в виду работа термопары до 1000 ч, кратковременным – до 100 ч. За время работы изменение градуировки термопары должно происходить не более чем на 1 %. Для защиты термопары от воздействия среды могут применяться специальные чехлы или наконечники.

Наиболее распространенной термопарой для измерения температур до 1300 °С, в том числе при высокотемпературной пайке является хромель- алюмелевая термопара (ХА). Хромель – это сплав состава: 9…10% Cr; 0,6…1,2% Со; Ni – остальное. Алюмель – сплав состава: 1% Si; 2% Al; 1…2,5% Mn; Ni – остальное.

Термопара имеет высокую термоЭДС, линейно меняющуюся с температурой. Наиболее надежным способом изготовления термопар ХА является сварка (графитовым электродом или в графитовом порошке), предварительно скрученных проволок. Следует отметить, что погрешность термопары с уменьшением величины спая уменьшается.

Недостатком термопары ХА является снижение термоЭДС при работе в окислительной среде вследствие постепенного окисления хрома. Это особенно проявляется у термоэлектродов малого диаметра. В углеродсодержащей среде на термоэлектродах образуются карбиды хрома и никеля, изменяющие градуировку термопары. Поэтому для термопары ХА особенно важна периодическая проверка (градуировка).

Градуировка обычно производится для новой термопары после изготовления, либо после длительной работы термопары. Градуировка может производится сличением с образцовой термопарой, по постоянным реперным точкам или по температуре плавления чистых металлов. Последний метод основан на том, что температура перехода чистого металла из твердого состояния в жидкое и обратно остается постоянной в течение всего процесса перехода. Рекомендуется пользоваться процессом кристаллизации, а не плавления, так как в последнем случае трудно обеспечить достаточно медленное изменение температуры металла.

Таблица 5.1

Характеристики некоторых термопар

3. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Материалы

1. Проволока алюмелевая.

2. Проволока хромелевая.

3. Изоляторы керамические (соломка).

4. Тигель с алюминием.

5. Сосуд с водой.

Оборудование

1. Приспособление для сварки термопары.

2. Электропечь.

3. Потенциометр.

4. Плоскогубцы.

5. Секундомер.

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Скрутить конец термопары плоскогубцами, изолировать термопарные проволоки.

2. Подключить термопару к автотрансформатору, как укажет учебный мастер.

3. Включить автотрансформатор и установить напряжение, указанное учебным мастером (не более 60 В).

4. Опустить скрученный конец термопары в стакан с угольным порошком до контакта с ним и сварить термопару кратким касаниями (время дугового разряда 1 с), выключить автотрансформатор.

5. Подключить термопару к потенциометру.

6. Опустить термопару в сосуд с кипящей водой, определить поправку термопары при 100 °С.

7. Нагреть в электропечи алюминий до расплавления, выгрузить из печи, установить на подставку.

8. Опустить термопару в расплавленный алюминий. При остывании алюминия снять зависимость показаний термопары от времени. Определить поправку термопары при 660 °С.

9. Повторить градуировку термопары по кристаллизации алюминия.

10. Вычислить дисперсию поправки:

(5.1)

где - поправка термопары при i-ой градуировке;

- средняя поправка термопары;

n - количество градуировок.

11. Определить суммарную погрешность измерения температуры без поправки ( ) и с введением поправки ( ):

, (5.2)

где - средняя поправка термопары;

- погрешность показания потенциометра, определенная по классу прибора.

. (5.3)

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Программа работы.

3. Краткие сведения о термопарах.

4. Схема приспособления для сварки термопары и установки для градуировки термопары.

5. График зависимости температуры от времени при остывании алюминия.

6. Расчет поправки и погрешностей.

7. Выводы.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Принцип действия термометра.

2. Как определить поправку на температуру «холодного» спая?

3. Преимущества и недостатки термопары ХА.

4. Как проводится градуировка термопары?

5. Какое влияние оказывает класс точности потенциометра на точность измерения температуры с помощью термопары?

Лабораторная работа № 2

ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить элементы вакуумных систем, входящих в состав установок для исследования технологических процессов пайки. Освоить методику измерения вакуума.

2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКА

ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

Вакуумные системы входят в состав технологического оборудования для пайки в вакууме и инертных газовых средах, используются в установках для исследования физико-химических процессов при пайке, в оборудовании для контроля качества паяных соединений.

Основными элементами вакуумных систем являются:

1) средства откачки (объемные, струйные, турбомолекулярные, ионные, сорбционные, конденсационные насосы);

2) аппаратура для измерения вакуума (жидкостные, компрессионные, деформационные, тепловые, ионизационные вакуумметры);

3) трубопроводы и коммутирующие устройства (вентили, клапаны, затворы, натекатели).

Наибольшее распространение в этой области пайки получили объемные механические насосы для откачки до остаточных давлений 2,7…6,6·10^-1 Па (2…5·10^{-3 мм рт. ст.) и пароструйные диффузионные насосы для откачки до давлений порядка 1,3·10-3} Па (1·10^{-5 мм рт. ст.). Для измерения вакуума широко применяются термопарные (66,5-1,33·10-1} Па) и электронные ионизационные вакуумметры (10^-1-1,3·10^-3 Па).

Принцип действия термопарных вакуумметров (рис. 5.1) основан на зависимости теплопроводности газов в молекулярном режиме от давления. Манометрическая лампа представляет собой стеклянный или металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован платиновый или никелевый подогреватель 3, на двух других – хромель-копелевая или хромель-алюмелевая термопара 4. Термопара и подогреватель сварены через перемычку. Подогреватель нагревается током, который можно регулировать реостатом 5 и измерять миллиамперметром 1. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термоЭДС, значение которой показывает милливольтметр 2. С уменьшением давления уменьшается теплопроводность газа и повышается температура перемычки. Ток подогревателя задается таким образом, чтобы при откачке манометра до давления 1,3·10^-2 Па (1·10^{-4 мм рт. ст.) милливольтметр показывал 10 мВ. Давление в системе определяют по градуированным кривым, которые различны в зависимости от рода газа.}

Рис. 5.1. Термопарный вакуумметр и схема измерительного блока:

ЛТ – термопарная лампа; П – общая точка подогревателя и термопары;

1 – миллиамперметр; 2 – милливольтметр; 3 – подогреватель; 4 – термопара; 5 – реостат

Рис. 5.2. Электронный ионизационный вакуумметр и схема измерительного блока:

ЛИ – ионизационная лампа; 1 – катод; 2 – сетка; 3 – коллектор ионов;

4 – прибор для измерения тока; 5 – миллиамперметр; 6 – реостат

Принцип действия электронных ионизационных вакуумметров (рис. 5.2) основан на том, что электроны, эмиттируемые с накаленного катода 1, ускоряются электрическим полем между катодом и сеткой 2 и при своем движении ионизируют газ, ионы которого направляются на отрицательно заряженный коллектор ионов 3. При уменьшении давления уменьшается величина ионного тока. Показания ионизационного манометра также зависят от рода газа. Попадание атмосферного воздуха в рабочий ионизационный манометр приводит к выводу его из строя из-за перегорания катода.

Средняя эффективная быстрота откачки вакуумной камеры S_эф определяется по формуле:

, (5.4)

где V_к – объем вакуумной камеры, л (м³);

P₁ и P₂ – достаточно близкие величины давлений, Па (мм рт. ст.);

Δt – время изменения давления от P₁ до P₂, с.

Важной характеристикой вакуумной системы является также скорость натекания газа через неплотности, характеризующая герметичность системы. Она оценивается по интенсивности повышения давления после отключения контролируемого объема от вакуумного насоса:

, (5.5)

где H – натекание, ( );

V_к – объем вакуумной камеры, м³ (л);

P₁ и P₂ – величины давления в некоторые моменты времени, Па (мм рт. ст.);

Δt – время повышения давления от P₁ до P₂, с.

3. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Оборудование

1. Вакуумный пост ВУП-4.

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Изучить устройство вакуумной системы универсального вакуумного поста и его элементов.

2. Провести откачку рабочей камеры механическим и диффузионным насосами, фиксируя изменение давления в рабочей камере со временем, с помощью термопарного, а затем диффузионного вакуумметров.

3. Отключить вакуумную камеру от насоса и определить зависимость давления в камере от времени с помощью термопарного вакуумметра.

4. Напустить воздух в рабочий объем, затем повторить откачку до высокого вакуума и измерение давления при натекании газа в систему еще дважды.

5. Вычислить эффективную скорость откачки в различных диапазонах давлений.

6. Вычислить величину натекания, среднее арифметическое значение натекания и дисперсию.

7. Оценить достоверность измерений по критерию Стьюдента:

, (5.6)

где H_экстр – величина натекания, наиболее отклоняющаяся от среднего значения;

– среднее арифметическое значение натекания без учета H_экстр;

σ_н – среднее квадратичное отклонение, вычисленное без учета H_экстр;

t – табличное значение критерия Стьюдента, равное для трех измерений 4,30, для четырех – 3,18, для пяти – 2,78.

5. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В качестве лабораторной установки используется вакуумная система универсального вакуумного поста ВУП-4, предназначенного для металлизации, либо очистки образцов в вакууме (рис. 5.3). Основными частями вакуумной системы ВУП-4 являются рабочий объем 1, механический вакуумный насос 5, диффузионный вакуумный насос 8, буферный баллон 7, магнитные вентили 3, 4, 6, термопарная манометрическая лампа 2 типа ПМТ-4М, ионизационная лампа 9 типа ПМИ-2. Соединение основных частей вакуумной системы осуществляется вакуумными резиновыми шлангами или металлическими трубками с вакуумными уплотнителями в местах соединений. Диффузионный насос отсекается от рабочего объема с помощью высоковакуумного клапана 10. Напуск воздуха в рабочий объем производится с помощью винта 11.

Работа диффузионного насоса возможна только при откачке из него воздуха механическим насосом, кроме того, необходима откачка воздуха из рабочего объема до остаточного давления 6,65-1,33 Па. Поэтому механический насос называют также форвакуумным, а диффузионный – высоковакуумным.