pl 480x100 AW Banner 201208

 20210102RT Digital

Pomiar naprężeń w wyrobach szklanych z użyciem elastooptyki
Data dodania: 07.09.14

Elastooptyka stanowi zbiór metod doświadczalnych przeznaczonych do badania stanu naprężeń i odkształceń w ciałach bezpostaciowych, normalnie izotropowych, takich jak szkliwa, polimer oraz celuloid, które wykazują pod obciążeniem cechy o charakterze anizotropowym. Właściwości w tym zakresie przejawiają się między innymi dwójłomnością optyczną.

 

Pod wpływem naprężeń materiały nabierają cech optycznych kryształu jednoosiowego o osi optycznej skierowanej równolegle do kierunku rozciągania lub ściskania i przy oświetleniu światłem spolaryzowanym. W wyniku zjawiska dwójłomności następuje rozszczepienie światła na dwie składowe i pojawienie się prążków interferencyjnych tworzących dwa charakterystyczne rodzaje linii, czyli izokliny i izochromy. W efekcie jest możliwe wyznaczanie naprężeń w dowolnym punkcie ciała.

 

Naprężenia szkła

 

Nie ma wątpliwości co do tego, że w przypadku wystąpienia skokowych zmian kształtu obciążanego elementu, a także zastosowania otworów, szczelin i wcięć oraz oddziaływań innych elementów o charakterze lokalnym dochodzi do zjawiska koncentracji naprężeń. Bardzo często maksymalne wartości naprężeń zdecydowanie przekraczają wartości dopuszczalne, które z reguły obliczane są z uwzględnieniem ich równomiernego lub wolnozmiennego charakteru rozkładu. Należy podkreślić, że miejsca występowania naprężeń stanowią zazwyczaj obszary powstawania pęknięć zmęczeniowych lub uszkodzeń doraźnych.

 

Istotne jest, że wytrzymałość szkła na rozciąganie jest stosunkowa niewielka. Dodatkowo znacznie zmniejszyć ją mogą wszelkie nierówności na powierzchni szkła, takie jak chociażby rysy. Szkło zachowuje się idealnie elastycznie co powoduje, że po przekroczeniu granicy plastyczności nie jest możliwe przekształcanie sił rozciągająco-ściskających w odkształcenie plastyczne, a co za tym idzie, szkło pęka. 

 

Do naprężeń szkła bardzo często dochodzi w przypadku nadmiernego zakrycia krawędzi szyby przez ramę oraz umieszczenia na zainstalowanym przeszkleniu folii, która absorbuje ciepło. Należy podkreślić, że w budynkach nieogrzewanych zjawisko pękania szkła w efekcie działania naprężeń termicznych może się nasilić. Do naprężeń termicznych szkła dochodzi również jeżeli przepływ powietrza wychodzącego z otworów instalacji grzewczej lub klimatyzacyjnej skierowany jest bezpośrednio na szkło. Niejednokrotnie zastosowanie wewnętrznych urządzeń zacieniających (kurtyny, zasłony, żaluzje) może powodować zwiększenie poziomu naprężeń termicznych. Stąd też montaż urządzeń zacieniających powinien być poprzedzony odpowiednio przeprowadzoną analizą termiczną. 

 

Szkło niejednokrotnie jest narażone na naprężenia termiczne podczas procesu przechowywania w magazynie jeszcze przed przetworzeniem czy też zamontowaniem. Ważne jest zatem, aby szkło było przechowywane w suchym i czystym pomieszczeniu, z ograniczonym działaniem promieniowania słonecznego. Naprężenia termiczne mogą powstać w ramach oszklenia o wysokim współczynniku przewodności lub stykające się z betonem lub innymi materiałami, które mogą sprzyjać obniżaniu temperatury na krawędziach szyb. 

 

W przypadku, gdy szkło jest częściowo zacienione, chociażby przez otaczające budynki, to cechuje się ono niższą temperaturą w obszarach zacienienia. W efekcie bardzo często dochodzi do naprężeń przyczyniających się do pęknięcia szkła. Należy podkreślić, że poziom nagrzania centralnego obszaru przeszklenia w dużej mierze zależy od stopnia absorpcji, która jest różna w zależności od rodzaju szkła. Ważne pozostaje zatem aby miejsca pęknięć powstałych w efekcie działania naprężeń termicznych poddać analizie celem ustalenia ewentualnej konieczności przeprowadzenia obróbki cieplnej przeszklenia poprzez wzmacnianie termiczne lub hartowanie.

 

2014 7-8 42 1

Metoda badania naprężeń na powierzchni szkła float

 

 

Założenia elastooptyki

 

Elastooptyka jako metoda badania stanu naprężeń na większych obszarach znajduje zastosowanie wyłącznie przy badaniu obiektów płaskich, cechujących się jednakową grubością, a więc dostarczane są informacje o płaskim stanie naprężeń. W metodzie badań bazujących na elastooptyce uwzględniane jest światło monochromatyczne. Wektor światła drga w płaszczyźnie prostopadłej w kierunku rozchodzenia się światła. Można powiedzieć, że kierunek tych drgań jest dowolny. Jednak niejednokrotnie orientacja jest uporządkowana i wtedy mówi się o świetle spolaryzowanym. Za jeden z takich przypadków uznaje się światło liniowo spolaryzowane, uzyskiwane dzięki przepuszczeniu wiązki światła przez specjalny filtr polaryzacyjny. Tym sposobem powstaje fala płaska z wektorem w jednym kierunku a drgania składowe są zgodne w fazie; zatem koniec wektora świetlnego przemieszcza się wzdłuż linii prostej. Oś filtru to kierunek wymuszonej polaryzacji światła a filtr zależnie od miejsca, jakie zajmuje w układzie, jest polaryzatorem (gdy jest przed modelem) lub analizatorem (gdy jest za modelem). 

 

Istotną rolę odgrywa izoklina, czyli miejsce grupy punktów modelu, gdzie kierunki naprężeń głównych są takie same. Kąt nachylenia jednego z kierunków głównych względem przyjętego układu odniesienia nazywany jest parametrem izokliny. Należy podkreślić, że obraz izokliny zależy od ustawień polaryzatora i analizatora. W momencie, gdy dojdzie do wzajemnego wygaszenia składowych promienia mówi się o izochromach. Takie przesunięcie fazowe składowych promienia jest krotnością okresu drgań. Izochroma stanowi miejsce grupy punktów modelu, gdzie różnica naprężeń głównych cechuje wartość stała. Stanowi ona jednocześnie warstwicę ekstremalnych naprężeń statycznych, nie zmieniających położenia w efekcie obrotu skrzyżowanego ze sobą polaryzatora i analizatora. 

 

Podczas badania używa się polaryskopów liniowych. Są to układy optyczne składające się ze źródła światła, polaryzatora oraz analizatora z osią optyczną prostopadłą do osi polaryzatora. W efekcie światło będące spolaryzowane liniowo po przejściu przez polaryzator będzie całkowicie wygaszone przez analizator. Sytuacja taka nie ulegnie zmianie w momencie, gdy między polaryzator zostanie wstawiony nieobciążony model. Wraz z obciążeniem w efekcie zachodzącej dwójłomności wymuszonej dojdzie do względnego przesunięcia składowych drgań a część światła zostanie przepuszczona przez analizator.

 

(...)

Przebieg badania

 

W urządzeniach o charakterze polaryzacyjno-optycznym zastosowanie znajdują filtry polaryzacyjne czyli polaryzator i analizator. Dzięki polaryzatorowi wytwarzane jest światło naturalne oraz światło liniowo spolaryzowane. Z kolei analizator pozwala na analizowanie światła, które przechodzi przez ciało dwójłomne. Należy podkreślić, że za najczęściej spotykane rozwiązania w polaryskopach uznaje się filtry polaryzacyjne z polaroidami a w mikroskopach polaryzacyjnych uwzględniane są pryzmaty Nicola. Budowa polaroidów bazuje na płytkach zbudowanych z herapatytu cechującego się występowaniem zjawiska dichroizmu polegającego na selektywnym pochłanianiu promieni. Pochłaniane są promienie zwyczajne a promienie nadzwyczajne są przepuszczane. Tym sposobem zyskuje się światło liniowo spolaryzowane. Filtry tego typu przepuszczają światło zgodnie z prawem Malusa, a więc następuje całkowite przepuszczanie światła w momencie, gdy drga ono w kierunku równoległym do kierunku drgań. Z kolei wygasza się całkowicie, kiedy te dwa kierunki są do siebie prostopadłe. W położeniach pośrednich przepuszczana jest tylko część promieniowania. 

 

Polaryskopy zazwyczaj bazują na skrzyżowanym układzie filtrów polaryzacyjnych a więc oś polaryzacji polaryzatora, czyli kierunek drgań, tworzy z osią polaryzacji analizatora kąt 90˚. W takim układzie światło nie przechodzi i zostaje wygaszone. Jeżeli w przestrzeni znajdującej się pomiędzy filtrami polaryzacyjnymi zostanie umieszczona płytka szklana, która wykaże naprężenia (optycznie dwójłomna) to pole widzenia rozjaśni się. Promień światła monochromatycznego wychodzący ze źródła światła pada na polaryzator o kierunku drgań zorientowanym pionowo i zostaje spolaryzowany liniowo. Drgania wektora elektrycznego światła spolaryzowanego odbywają się w płaszczyźnie wyznaczonej przez kierunek drgań polaryzatora i kierunek biegu promienia po czym przemieszczają się zgodnie z krzywą sinusoidalną. W efekcie, dzięki padaniu światła w sposób prostopadły na płytkę szklaną umieszczoną w przestrzeni pomiarowej polaryskopu w położeniu 45˚, poddaną jednokierunkowemu stanowi naprężenia, promień świetlny zostaje rozdzielony na dwa promienie. Z jednej strony jest to promień zwyczajny, zaś z drugiej, nadzwyczajny. Ich wektory elektryczne drgają w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych. Istotne jest, że drgania promienia nadzwyczajnego mają miejsce w płaszczyźnie w kierunku naprężenia głównego a drgania promienia zwyczajnego odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej. Oba promienie cechuje przemieszczanie w płytce z różnymi prędkościami w efekcie czego dochodzi między nimi do różnic optycznych.

 

2014 7-8 43 2

Polarymetr GASP do mierzenia naprężeń na powierzchni wyrobów szklanych

 

 

Promienie światła wychodzące z płytki szklanej przedstawiają dwa drgania wzajemnie prostopadłe o tym samym okresie, ale o różnych fazach – przez co mogą być rozpatrywane jako liniowe składowe wypadkowego drgania eliptycznego. Te z kolei przy wejściu do analizatora są rozdzielane, przez co w sumie dają cztery promienie. Dwa z nich drgają w płaszczyźnie zgodnie z kierunkiem drgań analizatora a pozostałe dwa w płaszczyźnie prostopadłej. Ważne jest, że analizator przepuszcza tylko składowe poziome, które są zgodne z kierunkiem drgań. Obie składowe po przejściu przez analizator nie ulegają względnemu opóźnieniu i zachowują różnicę dróg optycznych wytworzoną w próbce szklanej. Drgania mają charakter wspólny (koherentny) i leżą w jednej płaszczyźnie, ulegając zjawisku interferencji. Jednak warunek zachodzenia zjawiska interferencji w świetle spolaryzowanym ma charakter inny w porównaniu ze zwykłym nakładaniem się drgań harmonicznych. Do wygaszenia światła dochodzi przy różnicy dróg optycznych, która odpowiada całkowitej długości fali lub jej parzystej wielokrotności. Do maksymalnego wzmocnienia dochodzi przy różnicy dróg wynoszącej połowę długości fali świetlnej lub jej nieparzystej wielokrotności.

 

2014 7-8 43 1

Polaryskop SOFTECO do wizualnej inspekcji naprężeń w szkle hartowanym

 

 

Wyznaczanie kierunku i rodzaju naprężeń

 

Próbkę, którą się bada należy umieścić w przestrzeni pomiarowej polaryskopu pomiędzy polaryzator a analizator, pamiętając o ustawieniu równoległym względem ich przestrzeni. Próbkę obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zakreślając na szkle te miejsca, gdzie zmiana barwy jest największa, a więc występują największe naprężenia. W następnej kolejności próbka jest obracana i pozostawiana w położeniu, gdzie nie ma widocznej zmiany barwy szkła na zaznaczonych miejscach największych naprężeń. Kierunek naprężenia jest wówczas równoległy do jednej z osi polaryzacji aparatu i wtedy nakreślana jest prosta linia. Z tego położenia należy obrócić próbkę badanego szkła o kąt 45˚, a następnie zaobserwować zmianę barw interferencyjnych. W przypadku, gdy w tym położeniu kierunek naprężenia jest równoległy do kierunku drgań wolniejszych i w miejscu badanym obserwuje się zmianę barwy do niebieskozielonej – położenie addytywne – opóźnienie wzrastające (+), to naprężenie ma znak „+” i charakter naprężenia rozciągającego. Należy podkreślić, że takie szkło cechuje się zachowaniem zbliżonym do kryształu jednoosiowego, optycznie dodatniego. Z kolei, gdy w położeniu próbki nastąpi zmiana barwy do żółtej, to naprężenie jest ściskające ze znakiem ujemnym, a szkło zachowuje się jak kryształ jednoosiowy optycznie ujemny.

 

Damian Żabicki

 

Literatura:

Analiza stanu naprężenia metodą elastooptyczną, Instytut Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej, Wydział Mechaniczno-Technologiczny, Politechnika Śląska,
Wprowadzenie do zagadnienia elastooptyki,
http://brasil.cel.agh.edu.pl 

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2014

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik