玻璃应力的测定

1、概概 述述 一般玻璃制品都须经过退火处理，以消一般玻璃制品都须经过退火处理，以消除其内应力。尽管如此，玻璃制品中还会不除其内应力。尽管如此，玻璃制品中还会不同程度地有残余应力，称作永久应力。有时同程度地有残余应力，称作永久应力。有时应力大到影响玻璃应力大到影响玻璃(如瓶子如瓶子)的使用性能，这便的使用性能，这便是应力缺陷。是应力缺陷。 这种缺陷一方面是由于玻璃质量不良或这种缺陷一方面是由于玻璃质量不良或玻璃成分不均匀所引起的，一般称为结构应玻璃成分不均匀所引起的，一般称为结构应力。例如玻璃中存在结石、条纹或玻璃成分力。例如玻璃中存在结石、条纹或玻璃成分不均匀时，由于各组分的热膨胀系数不同，不均

2、匀时，由于各组分的热膨胀系数不同，冷却至室温便产生应力。这类由于结石、条冷却至室温便产生应力。这类由于结石、条纹和不均质造成的应力是很难消除的，严重纹和不均质造成的应力是很难消除的，严重时会造成制品的炸裂。时会造成制品的炸裂。 另一类应力称为热应力，这是玻璃另一类应力称为热应力，这是玻璃制品在生产过程中各部位的温差造成的。制品在生产过程中各部位的温差造成的。例如玻璃瓶在成型冷却过程中内外面冷却例如玻璃瓶在成型冷却过程中内外面冷却速度不同，使玻璃瓶内部产生压应力，外速度不同，使玻璃瓶内部产生压应力，外部产生张应力。这种情况通过退火基本上部产生张应力。这种情况通过退火基本上能消除。我们所要测定的，

3、就是这种残余能消除。我们所要测定的，就是这种残余热应力的大小。热应力的大小。 各种工业玻璃制品允许的永久应力值，各种工业玻璃制品允许的永久应力值，见下表见下表工业玻璃制品允许的永久应力值工业玻璃制品允许的永久应力值玻璃种类玻璃种类 永久应力允许值永久应力允许值光程差光程差 (nm/cm) 玻璃种类玻璃种类永久应力允许值永久应力允许值光程差光程差 (nm/cm)I-II级光学玻璃级光学玻璃26空心玻璃空心玻璃60III-IV级光学玻璃级光学玻璃1020玻璃管玻璃管120垂直引上平板玻璃垂直引上平板玻璃 2095 钢化玻璃钢化玻璃 13502400压延玻璃压延玻璃 2060航空玻璃航空玻璃25瓶罐

4、玻璃瓶罐玻璃 50400玻璃中的内应力可用双折射的光程差表示。当玻璃中的内应力可用双折射的光程差表示。当 以以nm/cm表示时，其单位为表示时，其单位为“布布”。每一个。每一个“布布”10-7cm2/kg。 一、实验目的 1了解应力仪的测量原理了解应力仪的测量原理 2掌握应力的测定方法及应力级别确掌握应力的测定方法及应力级别确定方法。定方法。 二、二、WYL一一2型应力仪测量原理型应力仪测量原理 应力仪是通过透明物体内的双折射现象来应力仪是通过透明物体内的双折射现象来测定其内应力的。本方法可快速地、连续地鉴测定其内应力的。本方法可快速地、连续地鉴定光学玻璃、瓶罐玻璃等透明材料的应力。见定光学玻

5、璃、瓶罐玻璃等透明材料的应力。见图图1为为WYL一一2型应力仪外貌。型应力仪外貌。 仪器的主要技术数据：仪器的主要技术数据： 应力测定范围：应力测定范围：560nm(一级干涉色一级干涉色)以下；以下； 全波片光程差：全波片光程差：560mm； 检偏镜通光口径；检偏镜通光口径； 150mm； 台面玻璃通光口径；台面玻璃通光口径； 220mm； 检偏镜升降范围；检偏镜升降范围；250mm； 光源：光源：11V100W； 仪器使用电源：仪器使用电源：220V。 2测量原理 本应力仪采用的是偏振光干涉原理。仪器本应力仪采用的是偏振光干涉原理。仪器的光学系统的光学系统如图如图2所示。所示。 由光源由光源

6、1发出的光束，通过隔热片发出的光束，通过隔热片2聚光镜聚光镜3、4，反射镜，反射镜5和起偏镜和起偏镜6变为平面偏振光，再通变为平面偏振光，再通过发散镜过发散镜8，台面玻璃，台面玻璃9，投射到被测试样上。，投射到被测试样上。如果这个试样具有双折射性质如果这个试样具有双折射性质(即有内应力即有内应力)的，的，平面偏振光就分解为振动方向互相垂直的寻常平面偏振光就分解为振动方向互相垂直的寻常光和非寻常光光和非寻常光(这里暂不考虑全波片的作用这里暂不考虑全波片的作用)。因两者传播速度不同，透出试样后，就产生了因两者传播速度不同，透出试样后，就产生了一个光程差，最后通过检偏镜一个光程差，最后通过检偏镜11

7、将看到寻常光将看到寻常光和非常光在同一平面内产生的具有应力特征的和非常光在同一平面内产生的具有应力特征的干涉色图。干涉色图。 干涉色决定于光程差的大小。光程差由下式干涉色决定于光程差的大小。光程差由下式表示：表示： =R/d 式中式中R光程差光程差(nm)； d被测试样厚度被测试样厚度(cm)； 单位厚度上的光程差单位厚度上的光程差(nm/cm)。 上述系统上述系统(没有全波片没有全波片)的缺点是仪器不灵敏。的缺点是仪器不灵敏。就是当光程差在就是当光程差在200300nm以下时。干涉色只以下时。干涉色只呈现或明或暗的灰白色。光程差愈小，灰白色呈现或明或暗的灰白色。光程差愈小，灰白色愈不易显示出

8、来。同时光程差有微小改变时，愈不易显示出来。同时光程差有微小改变时，干涉色不易辩别出变化、因此不能满足较小光干涉色不易辩别出变化、因此不能满足较小光程差的精确测量。为此，在系统中放入一块附程差的精确测量。为此，在系统中放入一块附加光程差为加光程差为560nm的全波片的全波片7，起到了灵敏色片，起到了灵敏色片的作用，在视场中呈一级紫红色。的作用，在视场中呈一级紫红色。 在放入全波片的一级紫红色视场中放进被测在放入全波片的一级紫红色视场中放进被测试样，转动被测试样至最大亮度的位置，呈现试样，转动被测试样至最大亮度的位置，呈现一级干涉色。再把被测试样转动一级干涉色。再把被测试样转动90，又呈现，又呈

9、现另一种颜色。这是由于被测试样的光程差与全另一种颜色。这是由于被测试样的光程差与全波片的光程差相互迭加或相互减少的缘故。波片的光程差相互迭加或相互减少的缘故。 被测试样的干涉色与光程差的关系见下表。被测试样的干涉色与光程差的关系见下表。根据上表，可由干涉色对紫红色的偏离程度来根据上表，可由干涉色对紫红色的偏离程度来决定被测试样光程差决定被测试样光程差R的大小。知道的大小。知道R和和d就可就可确定玻璃的应力级别了。确定玻璃的应力级别了。 若识别干涉色有困难，可用标准片作对照。若识别干涉色有困难，可用标准片作对照。标准片分寻常光与非常光两个振动方向排列，标准片分寻常光与非常光两个振动方向排列，共分

10、共分8小格，从小格，从1/8 到到1 (近似值近似值)，每格光程差，每格光程差为为6080nm，具体数值注在盖板上。，具体数值注在盖板上。四、实验步骤 仪器应放在半暗室内工作。操作如下：仪器应放在半暗室内工作。操作如下： 1把电源插头插在把电源插头插在220V交流电源上。交流电源上。 2把待测试样放在台面玻璃中心。把待测试样放在台面玻璃中心。 3旋转试样使视场中出现亮度最大的干涉色旋转试样使视场中出现亮度最大的干涉色(没有应力的试样，不论怎样旋转，视场中始没有应力的试样，不论怎样旋转，视场中始终是紫红色，有应力的试样旋转时会出现两终是紫红色，有应力的试样旋转时会出现两种亮度最大的干涉色种亮度最大的干涉色)。 4根据干涉色查表或对照标准片，确定光程根据干涉色查表或对照标准片，确定光程差差R的大小。的大小。 5由由R/d值确定玻璃应力级别。值确定玻璃应力级别。w 图图2 WYL一一2型应力仪光学系统图型应力仪光学系统图w 1光源；2一隔热片；3、4聚光镜； 5-反光镜；6起偏镜；7一全波片；8一发散镜；9一台面玻璃；10一被测试样； 11一检偏镜试样干涉色与光程差的关系试样干涉色与光程差的关系颜颜 色色视程差视程差实有程差（实有程差（nm)应力应力黄黄黄绿黄绿绿绿蓝绿蓝绿浅蓝浅蓝900845770715685340285210155125张应力张应力紫红紫红5600红红橙黄橙黄金