Определение остаточных напряжений в стекле

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЛАЗЕРНОЙ И СВЕТОВОЙ ТЕХНИКИ

МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ

По лабораторной работе

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТЕКЛЕ

ТОМСК 2010

Лабораторная работа.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТЕКЛЕ

ВВЕДЕНИЕ

Поляризационно-оптический метод применяют при аттестации оптического бесцветного или цветного стекла для измерения в образцах или заготовках величины двойного лучепреломления. Сущность его основана на использовании свойств поляризованного света. Для реализации метода в соответствии с ГОСТом 3используют обычный поляриметр, состоящий из расположенных последовательно источника света, поляризатора, компенсатора и поворачивающихся вокруг оптической оси анализатора.

Свет, проходя от источника через поляризатор, приобретает линейную поляризацию, а затем в анизотропном образце становится эллиптически поляризованным. Такой свет обычно представляют двумя компонентами, которые называются обыкновенным и необыкновенным лучами. Эти лучи (вследствие различия в показателях преломления) распространяются в образце с разной скоростью, что приводит к возникновению между ними разности хода ∆Г. Используя компенсационную пластинку, создающую между лучами дополнительную разность хода λ/4, на выходе из неё получают линейно - поляризованный свет. С помощью анализатора, вращая его вокруг оптической оси прибора, определяют угол поворота плоскости поляризации.

Основной причиной разности хода являются термоупругие напряжения, образующиеся на заключительных этапах производства стекла. Эти напряжения приводят к появлению анизотропии материала и изменению состояния поляризованного света, поэтому данный метод широко используют для анализа напряженного состояния заготовок стекла, различных изделий или моделей конструкций при решении специальных задач в теории упругости. При этом по вычисленной величине ∆Г определяют значение разности главных нормальных напряжений σ1 - σ2.

Напомним, что главными нормальными напряжениями σ1 и σ2 называют соответственно наибольшее и наименьшее напряжения, действующие по взаимно перпендикулярным направлениям элементарной площадки.

Исследованиями установлено, что если в образце имеет место напряженное состояние в пределах упругости материала (выполняется закон Гука), то возникающая анизотропия, характеризуемая разностью хода ∆Г, определяется выражением:

∆Г = В* L *(σ1−σ2) [нм], (1)

где В - коэффициент оптической активности, характеризующий чувствительность материала к механическим напряжениям;

L – толщина испытуемого образца в направлении распространения поляризованного

света.

Отсюда:

σ1−σ2 = (∆Г*10-7)/B*L (Па), (2)

Известно, что остаточные напряжения, деформируя поверхности, влияют на точность формообразования, изменяют оптические характеристики и вызывают двоение изображения.

Задачей данной работы является изучение поляризационно - оптического метода нахождения величины напряжений в контролируемом образце и определение категории стекла по двойному лучепреломлению.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

ПОЛЯРИСКОП-ПОЛЯРИМЕТР ПСК-250М

Полярископ-поляриметр ПСК-250М предназначен для установления наличия и определения двойного лучепреломления в плоских заготовках и изделиях из прозрачных и слабоокрашенных материалов:

1) приблизительная оценка двойного лучепреломления в объекте по интерференционной окраске;

2) количественная оценка величины двойного лучепреломления методом Сенармона;

3) исследование распределения двойного лучепреломления в объекте в свете, поляризованном по кругу.

Принцип действия

Принцип действия основан на явлении двойного лучепреломления в анизотропных средах (кристаллы, прозрачные материалы с внутренними напряжениями) при прохождении через них линейно-поляризованного света.

Рисунок 1. Оптическая схема полярископа ПСК-250М

Излучение от источника 1 (рис.1) проходит через светофильтр и конденсорную систему 2, линейный поляризатор 3, матовое стекло 4, с расположенным на нем исследуемым образцом 5 и анализатор 6.

После линейного поляризатора выходит линейно-поляризованное излучение, которое падает на образец. Если образец имеет анизотропию (оптические свойства образца различны для различных направлений излучения), то в образце наблюдается разложение одного пучка лучей на два (обыкновенный и необыкновенный). Такое раздвоение пучка лучей называется двойным преломлением.

Вводимая испытуемым образцом разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами пропорциональна величина напряжения фотоупругой постоянной для данного материала и толщине и зависит от его формы.

Анализатор приводит колебания обыкновенного и необыкновенного лучей в одну плоскость, в результате чего происходит интерференция света. При использовании прибора как полярископа для качественной оценки разделения напряжений в образце в схему включается одноволновая фазовая пластинка, вводящая разность хода 572 нм.

Главное направление быстрого распространения пластинки составляет угол 45° с плоскостью поляризации линейного поляризатора.

В этом случае в поле зрения прибора наблюдается чувствительная пурпурно-фиолетовая окраска. Незначительное изменение разности хода (на 12...15 нм) в большую или меньшую стороны вызывает резкую смену красок в синюю или красную область соответственно.

При сложении или вычитании разности фаз, вводимых одноволновой фазовой пластинкой и образцом, происходит изменение цвета, наблюдаемого в образце.

По интерференционной окраске из таблицы можно определить разность хода, вводимую образцом.

При исследовании образца в свете, поляризованном по кругу, в схему вместо одноволновой фазовой пластинки включаются четвертьволновые фазовые пластинки. Главные направления быстрого распространения пластинок составляют собой углы 90° и 45° между плоскостью поляризации поляризатора и анализатора соответственно. В данном случае картина распределения напряжений в образце не зависит от ориентации образца относительно поляризационных элементов прибора.

Измерение величин разности хода, вводимой образцом, производится компенсатором Сенармона, состоящим из анализатора и четвертьволновой фазовой пластинки.

Главное направление быстрого распространения фазовой пластинки совпадает с плоскостью поляризации анализатора.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Проверка прибора

1) При включенном приборе матовое стекло должно быть полностью освещено.

2) При включенном приборе и введенной одноволновой фазовой пластинке (ручка на столике прибора установлена в положение "l"), цвет поля должен быть пурпурно-фиолетовым или сине-красным "при скрещенных поляризаторе и анализаторе диаметром 250 мм".

3) Измерительную головку ввести в рабочее положение. Ноль шкалы лимба измерительной головки установить на 0 шкалы отсчетного устройства. Ручку на столике прибора установить в положение "О". Диск переключения четвертьволновых фазовых пластинок установить в положение "С". В этом случае при включенном приборе не должно происходить нарушение темноты в середине поля зрения.

4) Ручку на приборе установить в положение "l/4". Диск переключения четвертьволновых фазовых пластинок установить в положение "К". При включенном приборе не должно происходить нарушение темноты в середине поля зрения.

Режим полярископа

Работать с прибором необходимо в полузатемненном помещении. Измерения на приборе, когда он работает как полярископ, нужно проводить в следующем порядке.

Включить лампу осветителя в сеть переменного тока 220 В.

В рабочее время ввести анализатор диаметром 250 мм и одноволновую фазовую пластинку, установив ручку на столике прибора в положение " l". Поместить исследуемый образец на середине матового стекла.

Наблюдать через анализатор и вращать матовое стекло с исследуемым образцом до положения, соответствующего наибольшей разности хода. По наблюдаемому цвету найти разность хода DГ в нм, пользуясь таблицей 1.

Таблица 1. Таблица интерференционных цветов в исследуемом

предмете в зависимости от разности хода

Цвет	Разность хода, DГ, нм
Желтый	325
Желто-зеленый	275
Зеленый	200
Голубовато-зеленый	145
Голубой	115
Пурпурно-фиолетовый	0
Красный	25
Оранжевый	130
Светло-желтый	200
Желтый	260
Белый	310

Зная разность хода DГ и толщину исследуемого образца L в сантиметрах, определить (n1 - n2) по формуле:

(n1 - n2) = ; (3)

По разности (n1 - n2) найти категорию стекла по двойному лучепреломлению, пользуясь таблицей 2.

Таблица 2.

Категория	Двойное лучепреломление в нм на 1 см (∆Г/L), не более, в стеклах с оптическим коэффициентом напряжения 10-12 [Па]-1
B до 2,0	В от 2, 0 до 2,8	В свыше 2,8
1	до 1,5	до 2	до 3
2	4	6	8
3	7	10	13
4	10	15	20
5	25	50	65

По найденной разности хода DГ определить величину напряжений σ1−σ2=σ в образцах стекла по формуле (2).

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.

Таблица 3.

№ образца	Коэф. опт. акт. В, 10-12 [Па]-1	Толщина образца L	Разность хода (n1- n2), [нм/см]	Категория стекла	σ1−σ2, [Па]
Режим полярископа
Режим поляриметра

Режим поляриметра

При работе прибора в качестве поляриметра следует ввести измерительную головку в рабочее положение.

Установить ручку на столике прибора в положение "О". Установить диск переключения четвертьволновых фазовых пластинок в положение "С". Ввести в поле зрения зеленый светофильтр.

Поворотом анализатора измерительной головки поле зрения установить на темноту и произвести отсчет по шкале.

В центре матового стекла поместить исследуемый образец. Матовое стекло с исследуемым образцом повернуть до максимального затемнения проверяемого участка образца. Затем матовое стекло с исследуемым образцом повернуть на 45°.

Поворотом анализатора, при данном положении образца, добиться максимального затемнения просветленных участков. Затем произвести отсчет по шкале анализатора измерительной головки. Разница между отсчетом по шкале с введенным образцом и нулевым отсчетом дает угол  Q поворота анализатора измерительной головки. При появлении в поле зрения окраски, затрудняющей установку анализатора на максимальное затемнение поля зрения, на окуляр измерительной головки установить дополнительный светофильтр из комплекта прибора и повторить измерение.

Разность хода DГ в исследуемом образце определяется по формуле:

DГ = 3 × Q  нм (4)

Зная разность хода DГ и толщину исследуемого образца L в сантиметрах, определить (n1 - n2) по формуле (3).

По разности (n1 - n2) найти категорию стекла по двойному лучепреломлению.

По найденной разности хода DГ определить величину напряжений σ1−σ2=σ в образцах стекла по формуле (2).

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1.  Краткую теоретическую часть и основные формулы для расчета DГ, (n1 - n2), σ1−σ2.

2.  Оптическую схему прибора ПКС-250.

3.  Таблицу экспериментальных и расчетных данных.

4.  Выводы по экспериментальным и расчетным данным.

Контрольные вопросы

1. Сущность поляризационно-оптического метода исследования напряженного состояния оптических материалов.

2. Причины, вызывающие двойное лучепреломление в стекле.

3. Влияние напряжений на оптические характеристики деталей и качество оптической системы в целом.

5. В чем отличие между полярископом и поляриметром?

6. Какую роль выполняют конденсорная система и светофильтр в полярископе?

7. Какими свойствами обладают λ-, λ/4 пластинки, компенсатор Сенармона?

Рекомендуемая литература

1.Нагибина и дифракция света. - Л.: Машиностроениег.

2., Знаменская оптической измерительной лаборатории. - Л.: Машиностроение, 1974г.

3., , Штандель оптических деталей - М.: Машиностроение, 1985г.

4. Кузнецов C. М., Окатов технолога - оптика - Л.:Машиностроение, Ленинградское отд., 1983г.