Визначення залишкових напружень у склі

Метою роботи є вивчення поляризаційно-оптичного методу знаходження величини напружень у контрольованому зразку і визначення категорії скла за подвійною променезаломлюваністю.

Поляризаційно-оптичний метод застосовують при атестації оптичного безбарвного чи кольорового скла для виміру в зразках або заготовках величини подвійної променезаломлюваності.

Принцип даного методу заснований на використанні властивостей поляризованого світла. Для реалізації методу відповідно до ДСТУ 3519 - 99 використовують звичайний поляриметр, що складається з розташованих послідовно джерела світла, поляризатора, компенсатора, які повертаються навколо оптичної осі аналізатора.

Світло, проходячи від джерела через поляризатор, здобуває лінійну поляризацію, а потім в анізотропному зразку стає еліптично поляризованим. Таке світло звичайно представляють двома компонентами, що називаються звичайним і незвичайним променями. Ці промені, внаслідок розходження в показниках заломлення, поширюються в зразку з різною швидкістю, що призводить до виникнення між ними різниці ходу. Використовуючи компенсаційну пластинку, що створює між променями додаткову різницю ходу, на виході з неї отримують лінійно-поляризоване світло. За допомогою аналізатора, обертаючи його навколо оптичної осі приладу, визначають кут повороту площини поляризації.

Основною причиною різниці ходи є термопружні напруження, що утворяться на заключних етапах виробництва скла. Ці напруження призводять до появи анізотропії матеріалу і зміни стану поляризованого світла, тому даний метод широко використовують для аналізу напруженого стану заготівок скла, різних виробів або моделей конструкцій при рішенні спеціальних задач у теорії пружності. При цьому за обчисленою величиною d визначають значення різниці головних нормальних напружень s₁ - s₂.

Нагадаємо, що головними нормальними напруженнями s₁ і s₂ називають відповідно найбільше і найменше напруження, що діють по взаємно перпендикулярних напрямках елементарної площадки.

Дослідженнями встановлено, що якщо в зразку має місце напружений стан у межах пружності матеріалу (виконується закон Гука), то виникаюча анізотропія, що характеризується різницею ходу d, визначається виразом:

d = В l ×(s₁-s₂) [нм], (3.1)

де В - коефіцієнт оптичної активності, що характеризує чутливість матеріалу до механічних напружень; l - розмір випробуваного зразка в напрямку поширення поляризованого світла.

s₁-s₂ = [Па]. (3.2)

Конструкція приладу ПКС - 125. Полярископ - поляриметр ПКС – 125 (рис.1.1) використовують для інтегральної оцінки різниці ходу d, обумовленої наявністю в склі залишкових напружень. Прилад складається з двох блоків: поляризатора - П с джерелом світла 1, теплофільтром 2, матовим склом 3, поляроїдом 4; аналізатору - А, що складається з поляроїду 8, світлофільтра 9, що виділяє область спектра 540 [нм], пластин (компенсатора) 5 чи 6, що створюють різницю ходу, відповідно l/4 і l. При введенні пластинки різницю ходу визначають за забарвленням інтерференційної картини, а при введенні пластинки по куту повороту аналізатора, що відповідає повному гасінню світла. Кут вираховують за шкалою лімба.

Порядок виконання роботи:

1. Включити освітлювач на передній панелі приладу (рис.1.1).

2. Обертаючи аналізатор за кільце з накаткою, що міститься на окулярі, одержати максимальне потемніння поля зору (схрещене положення поляризатора й аналізатора, компенсатор у положенні нуль).

3. Помістити на столик приладу випробуваний зразок так, щоб шлях світла в ньому при нормальному падінні на вхідну грань був максимальним.

4. Визначити різницю ходу у випробуваному зразку скла. Для цього в блоці аналізатора установити пластинку і виставити лімб аналізатора в нульове положення. Помістивши на столик приладу випробуваний зразок у поле зору окуляра, спостерігають інтерференційну картину, вид якої залежить від різниці ходу, величини і розподілу напружень, а саме:

- при різниці ходу більш 540 [нм] у поле зору видний ряд кольорових і дві нейтральні (чорна і сіра) смуги;

- при різниці ходу 540-100 [нм] спостерігається забарвленість поля зору і дві темні смуги;

- при різниці ходу менш 100 [нм] у середині і по краях зразка видно сіре тло, розділене двома темними смугами.

Величину d визначають у такий спосіб: при d>540 [нм] у поле зору уводять світлофільтр, що виділяє область спектра з довжиною хвилі 540 [нм], і встановлюють порядок інтерференції, тобто підраховують число N темних смуг між нейтральною смугою і серединою зразка. Повертаючи аналізатор, домагаються максимального потемніння в середині зразка. Знявши відлік величини кута повороту g аналізатора, розраховують різниця ходу d на всю довжину і d/ l - на одиницю довжини шляху (що відповідає подвійній променезаломлюваності):

[нм/см]. (3.3)

При d£540 [нм] (N =0) різницю ходу можна вимірювати як у монохроматичному, так і в білому світлі. В останньому випадку для визначення d, повертаючи аналізатор, сполучають смуги в середині зразка. Іноді для підвищення точності відліку кута повороту в поле зору вводять зелений світлофільтр. За шкалою лімба визначають величину кута g.

5. За величиною знайденої різниці ходу на одиницю довжини d/ l (з урахуванням коефіцієнта оптичної активності скла даної марки) визначити категорію скла за подвійною променезаломлюваністю відповідно до ГОСТ 3514-76 (табл.3.1).

Таблиця 3.1

6. За знайденою різницею ходу d визначити величину напружень s₁-s₂=s у зразках скла.

7. Результати вимірів і обчислень занести в таблицю 3.2.

Таблиця 3.2

Контрольні питання

1. Сутність поляризаційно-оптичного методу дослідження напруженого стану оптичних матеріалів.

2. Причини, що викликають подвійну променезаломлюваність у склі.

3. Вплив напружень на оптичні характеристики деталей і якість оптичної системи в цілому.

4. Полярископ-поляриметр ПКС-125. Його пристрій, призначення, основні вузли і їх елементи.