玻璃应力测试

实验4 玻璃内应⼒测定1 ⽬的意义1.1 意义

由于⽣产⼯艺的特殊性，在制作完成后的玻璃制品中还或多或少地存在内应⼒。在玻璃成型过程中，由于外部机械⼒的作⽤或冷却时热不均匀所产⽣的应⼒称为热应⼒或宏观应⼒。在玻璃内部由于成分不均匀⽽形成的微不均匀区所造成的应⼒称为结构应⼒或微观应⼒。在玻璃内相当于晶胞⼤⼩的体积范围内所存在的应⼒称为超微观应⼒。由于玻璃的结构特性，其中的微观与超微观应⼒极⼩，对玻璃的机械强度影响不⼤。影响最⼤的是玻璃中的热应⼒，因为这种应⼒通常是极不均匀的，严重时会降低玻璃制品的机械强度和热稳定性，影响制品的安全使⽤，甚⾄会发⽣⾃裂现象。因此，为了保证使⽤时的安全，对各种玻璃制品都规定其残余的内应⼒不能超过某⼀规定值。对于光学玻璃，较⼤应⼒的存在将严重影响光透过和成像质量。因此，测量玻璃的内应⼒是控制质量的⼀种⼿段，特别是质量要求较⾼的贵重的或精密的产品尤其重要。1.2 ⽬的

① 进⼀步了解玻璃内应⼒产⽣的原因；② 掌握测定玻璃内应⼒的原理和⽅法。2 基本原理

2.1 玻璃中的内应⼒与光程差

包括玻璃与塑料在内的许多透明材料通常是⼀种均质体，具有各向同性的性质，当单⾊光通过其中时，光速与其传播⽅向和光波的偏振⾯⽆关，不会发⽣双折射现象。但是，由于外部的机械作⽤或者玻璃成型后从软化点以上的不均匀冷却，或者玻璃与玻璃封接处由于膨胀失配⽽使玻璃具有残余应⼒时，各向同性的玻璃在光学上就成为各向异性体，单⾊光通过玻璃时就会分离为两束光，如图4-1所⽰。O光在玻璃内的光速及其传播⽅向、光波的偏振⾯都不变，所以仍沿原来的⼊射⽅向前进，到达第⼆个表⾯时所需的时间较少，所经过的路程较短；E光在玻璃内的光速及其传播⽅向、光波的偏振⾯都发⽣变化，因此偏离原来的⼊射⽅向，到达第⼆个表⾯时所需的时间较多，所经过的路程较长。O光和E光的这种路程之差称为光程差。测出这种光程差的⼤⼩，就可计算玻璃的内应⼒。

布儒斯特(Brewster)等研究得出，玻璃的双折射程度与玻璃内应⼒强度成正⽐，即

R=Bσ (4-1) 式中R—光程差，nm；B—布儒斯特常数(应⼒光学常数)，布，1布=10-12Pa；σ—单向应⼒，Pa。

⽆应⼒玻璃有应⼒玻璃

图4-1 光线通过有应⼒玻璃时的双折射现象2.2 光程差的测量原理

光程差的测量⽅法有偏光仪观测法、⼲涉⾊法和补偿器测定法等⼏种。第⼀种⽅法可以粗略地估计光程差的⼤⼩，不便于定量测定。第⼆种能进⾏定量测定，但精度不⾼。只有第三种能进⾏⽐

较精密的测量，本实验采⽤这种⽅法。

补偿器测定法的基本原理如图4-2所⽰。由光源1发出的光经起偏镜2后，变成平⾯偏振光(假设其振动⽅向为垂直⽅向)，当旋转检偏镜5与之正交时，偏振光不能通过，⽤眼睛6观察时视场呈⿊⾊。若在光路中放⼈有应⼒的玻璃试样3时，该偏振光通过玻璃后被分解为具有程差的⽔平偏振光和垂直偏振光。当两束偏振光通过1／4波⽚4后，被合成为平⾯偏振光，但此时的平⾯偏振光的偏振⾯对起偏镜产⽣的平⾯偏振光的振动⽅向有⼀个⼝⾓的旋转。因此，在视场中就可看到两条⿊⾊条纹隔开的明亮区。旋转检偏镜，重新使玻璃中⼼变⿊，根据检偏镜的⾓度差\"，就可计算玻璃的光程差。

图4-2 补偿器测定法原理

1⼀光源；2⼀起偏镜；3⼀有应⼒的玻璃试样；4—1／4波⽚；5⼀检偏镜；6⼀眼睛由理论推导可知，玻璃试样的光程差与偏转⾓成正⽐，即：R=λθ/π (4-2)

式中R—玻璃的光程差，nm·cm-1；λ—照射光源的波长，nm；π—弧度，π=180°。当以⽇光灯为光源时，λ=540(nm)，则

R=3θ (4-3) 在精密测定时，以钠光灯为光源，λ=589.3(nm)，则R=3.27θ (4-4)

通常，⽤单位长度.的光程差来表⽰玻璃的内应⼒：δ=R／d (4-5)

式中：δ—单位长度的光程差，nm／cm；d—光在玻璃中的⾏程长度，cm。将以上结果代⼊布儒斯特公式，就可得玻璃内应⼒计算公式，即：σ=δ／Bd (4-6)

对于普通⼯业玻璃，B=2.55×10-12Pa。这样，就可由上式计算出玻璃的内应⼒值。3 实验器材

① 双折射仪⼀台。测定玻璃内应⼒最⼴泛的⽅法是采⽤偏光仪、即双折射仪来测定光程差。仪器由镇流器箱、光源及起偏⽚、载物台、检偏振⽚和⽬镜等组成。如图4-3所⽰。② 玻璃试体若⼲(10～20)mm×(100～120)mm长⽅条玻璃。

图4-3偏光仪测定玻璃内应⼒的装置图

1—镇流器；2⼀光源；3⼀起偏振⽚；4—试样；5⼀载物台；6—1／4波长⽚；7—1／4波长度盘；8⼀检偏振⽚度盘；9⼀检偏振⽚4 测定步骤

① 测定前将仪器检查⼀遍，接通电源，调节检偏振⽚与起偏振⽚成正交消光位置，使视野为⿊暗，此时检偏镜指针应当在刻度盘的“O”位，若有偏离应记下偏离⾓度φ0，1／4波长⽚也放在“O”位。

② 将具有内应⼒的玻璃试样放⼈载物台，(若

端⾯粗糙需抛光或浸在汽油或煤油⾥)，其定位应使偏振光束垂直通过试体的端⾯(⽚状试体)。

③ 观察检偏器的视场，可以看到⽚状试体端⾯

有两条平⾏的⿊线，如图4-4(a)，说明此位置不存在应⼒，⽽在⿊线两侧有灰⾊背景，这就是双折射引起的⼲涉⾊，沿两条线的外侧是压应⼒，内侧是张应⼒。慢慢向反⽅向旋转检偏镜，在两条暗线之间就会形成⼀⼩⼩间隙，然后接触，使两条⿊线集合成⼀条棕褐⾊的线[见图4-4(b)]，即由应⼒产⽣的双折射已被检偏镜补偿。记下旋转的⾓度φ。④ 应⼒测定的原始数据可按实验报告中表4-1的⽅式进⾏记录。单位长度的光程差可按下式计算：

δ=3(φ-φ0)/d (4-7)

式中：(φ-φ0)—在引⼈玻璃试样前后检偏镜的旋转⾓度之差，nm；d—光通过试体内的⾏程长度(即试体的宽度，⼀般测其三点，取平均值)，cm。根据光程差，按(4-6)式计算试体中⼼的最⼤残余应⼒值。5 思考题

(a)分离应⼒线 (b)集合应⼒线

(1) 什么叫应⼒?什么叫内应⼒?什么叫主应⼒?

(2) 本实验的原理是什么?为提⾼测试的准确性，实验过程中应注意哪些事项?