Тепловое расширение металлов

[G1wen 1]

  Приветствую инженеров! Прошу помощи! Суть вопроса заключается в следующем - никелевая пластина паяется на керамическую подложку с помощью серебряного припоя ПСр в водородной камере. После остывания на подложке образуются микротрещины вдоль никелевой пластины на всю длину подложки. Главное подозрение падает на разницу в линейном тепловом расширении никеля-ПСр-керамики. Подскажите пожалуйста, как и в какой среде лучше провести анализ и расчеты, в этом ли причина трещин?

[piden 2 874]

Just now, G1wen said:

Подскажите пожалуйста, как и в какой среде лучше провести анализ и расчеты

В любом продукте из раздела динамики и прочности.

 

Just now, G1wen said:

в этом ли причина трещин?

Да. Поэтому специально для соединения с керамикой и придумали ковар. 

[G1wen 1]

2 минуты назад, piden сказал:

В любом продукте из раздела динамики и прочности.

 

Да. Поэтому специально для соединения с керамикой и придумали ковар. 

Благодарю за ответ. К сожалению ковар использовать нельзя... при его использовании трещин не возникало, но выявились недостатки иного характера... Поэтому никель на серебро

[piden 2 874]

6 minutes ago, G1wen said:

но выявились недостатки иного характера... Поэтому никель на серебро

Можно еще зазоры для припоя побольше делать, чтобы ему было куда деформироваться при изменении температуры.

[G1wen 1]

1 минуту назад, piden сказал:

Можно еще зазоры для припоя побольше делать, чтобы ему было куда деформироваться при изменении температуры.

Спасибо, надо будет этот момент рассмотреть:)

[AlexKaz 1 820]

@G1wen , ну и бутерброд у вас. Водород зачем, м.б. гелий или аргон или ещё что-нибудь? Первые же ссылки "водородное охрупчивание" https://yandex.ru/search/smart/?clid=39091&text=водород+проникает+в+трещины&lr=213&redircnt=1559463114.1

[G1wen 1]

2 минуты назад, AlexKaz сказал:

@G1wen , ну и бутерброд у вас. Водород зачем, м.б. гелий или аргон или ещё что-нибудь? Первые же ссылки "водородное охрупчивание" https://yandex.ru/search/smart/?clid=39091&text=водород+проникает+в+трещины&lr=213&redircnt=1559463114.1

Последний вариант пайки проходит в вакууме, но трещины так же появляются... Некачественность подложки не рассматривается, потому что во всех случаях трещины идут примерно в одних областях - вдоль никеля по всей длине. Только неужели такое сильное напряжение, что серебро+никель разрывает керамику?

[AlexKaz 1 820]

2 часа назад, G1wen сказал:

Только неужели такое сильное напряжение, что серебро+никель разрывает керамику?

Толщины слоев подскажите? Ну или сами прикиньте: толстый слой припоя VS тонкий слой керамики. Победит при охлажлении кто? Самый толстый ессно, как на ринге. Если бы металл был тоньше - перешёл бы в пластику, а керамика не растрескалась.

[G1wen 1]

2 часа назад, AlexKaz сказал:

Толщины слоев подскажите? Ну или сами прикиньте: толстый слой припоя VS тонкий слой керамики. Победит при охлажлении кто? Самый толстый ессно, как на ринге. Если бы металл был тоньше - перешёл бы в пластику, а керамика не растрескалась.

Толщина керамики 3мм, толщина никеля 0,2мм, серебро - 0,1-0,2мм

[AlexKaz 1 820]

19 часов назад, G1wen сказал:

После остывания на подложке образуются микротрещины вдоль никелевой пластины на всю длину подложки

Примерно прикинем:

КТР керамика 7e-6, никель 70e-6

Прочность на изгиб (ну и растяжение) 550 и 450 МПа

Модуль Юнга и Пуассон керамика400 ГПа 0.25, никель 210 ГПа 0.33

Пусть охлаждаем на 1000 С. Пластины растянутся на одну длину, в керамике будут сжимающие напряжения, в никеле - растягивающие.

Сумма сил/работ:

sigm_Ni*t_Ni*b*dl+sigm_Cer*t_Cer*b*dl=0;

   sigm_Ni*t_Ni+sigm_Cer*t_Cer=0;

по модулю:

   sigm_Ni=sigm_Cer*t_Cer/t_ni;

Определим напряжения:

sigm_Cer=e*E_Cer=KTP_Cer*dT*E_Cer

   sigm_Ni=KTP_Cer*dT*E_Cer*t_Cer/t_ni-e*E_Ni=7e-6*1000*400e9*3/0.2-70e-6*1000*210e9=27300 МПа,

 

что в 50 раз выше предела прочности никеля.

[G1wen 1]

45 минут назад, AlexKaz сказал:

Примерно прикинем:

КТР керамика 7e-6, никель 70e-6

Прочность на изгиб (ну и растяжение) 550 и 450 МПа

Модуль Юнга и Пуассон керамика400 ГПа 0.25, никель 210 ГПа 0.33

Пусть охлаждаем на 1000 С. Пластины растянутся на одну длину, в керамике будут сжимающие напряжения, в никеле - растягивающие.

Сумма сил/работ:

sigm_Ni*t_Ni*b*dl+sigm_Cer*t_Cer*b*dl=0;

   sigm_Ni*t_Ni+sigm_Cer*t_Cer=0;

по модулю:

   sigm_Ni=sigm_Cer*t_Cer/t_ni;

Определим напряжения:

sigm_Cer=e*E_Cer=KTP_Cer*dT*E_Cer

   sigm_Ni=KTP_Cer*dT*E_Cer*t_Cer/t_ni-e*E_Ni=7e-6*1000*400e9*3/0.2-70e-6*1000*210e9=27300 МПа,

 

что в 50 раз выше предела прочности никеля.

В чем же тогда причина возникновения типичных трещин после пайки? Причем, если сделать Т-образной пластину никеля (уменьшение ширины в области пайки), то треска нет... т.е. ширина ПСр больше ширины никеля

[AlexKaz 1 820]

Какие-то у Вас интимные подробности открываются... Наверное всё же проще порешать в МКЭ.

[G1wen 1]

2 минуты назад, AlexKaz сказал:

Какие-то у Вас интимные подробности открываются... Наверное всё же проще порешать в МКЭ.

Почему интимные? :) Просто у меня в голове не укладывается как такие тонкие слои могут разорвать толстую керамику... 

[AlexKaz 1 820]

Ну так может керамическую пластину гнёт, а на изгиб керамика хуже ведётся. Нам отсюда не видно что происходит с геометрией.

Изменено 2 июня 2019 пользователем AlexKaz

[G1wen 1]

2 минуты назад, AlexKaz сказал:

Ну так может керамическую пластину гнёт, а на изгиб керамика хуже ведётся. Нам отсюда не видно что просходит геометрией.

Благодарю за помощь, может порекомендуете какую CAE для решения такой ситуации? Сейчас пробую осваивать NX, говорят он не плох...

[AlexKaz 1 820]

Да любой код подойдёт.

Но можете прикинуть и так на глазок.

При одинаковом прогибе пластин (и при равных модулях Юнга) более толстая будет иметь бОльшие напряжения. Т.е. в керамике напряжения выше в 3/0.2=15 раз чем в никеле (без учёта Юнга).

Изменено 2 июня 2019 пользователем AlexKaz

[G1wen 1]

1 минуту назад, AlexKaz сказал:

Да любой код подойдёт.

Но можете прикинуть и так на глазок.

При одинаковом прогибе пластин более толстая будет иметь бОльшие напряжения. Т.е. в керамике напряжения выше в 3/0.2 раз.

Большое спасибо за участность! + в карму