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玻璃瓶应力的测量方法

控制应力是玻璃生产工艺中极其重要的-环,应用适当热处理来控制应力的方法已为玻璃技术人员所熟知。然而,如何准确测定玻璃应力仍是困挠广大玻璃厂的难题之一,传统的经验性估计已越来越不适应当今社会对玻璃制品质量的要求。本文全面地介绍了常用的应力测定方法,希望对大家有所帮助和启发。
1. 应力测定的理论基础
1.1 偏振光
众所周知,光是一种电磁波,其振动方向与前进方向垂直,在所有与前进方向垂直的振动面上振动。如在光路中引入只允许某一振动方向光线通过的偏振滤片,就可获得偏振光,简称偏光。
1.2 双折射
玻璃是各向同性体,各方向的折射率相同。如玻璃中存在应力,各向同性的性质受到破坏,引起折射率变化,两主应力方向的折射率不再相同,即导致双折射。折射率与应力值的关糸由下式确定:nx - ny = CB (σx – σy)式中:nx 、ny 分别为x及y方向的折射率。σx 、σy 分别为x及y方向的应力。CB 为应力光学常数,它是物性常数,仅与玻璃品种有关。
1.3 光程差
当偏光透过厚度为t的有应力玻璃时,光矢会分裂为两个分别在x及y应力方向振动的分量。如vx、vy分别为两光矢分量的速度,则透过玻璃所需的时间分别为t/vx和t/vy,两分量之间不再同步,而是存在光程差δ:δ = C(t/vx - t/vy) = t (nx - ny)式中C为真空中光速。
结合上述二式,即得如下公式: (σx – σy) = δ / (tCB)
即应力与光程差存在一定关系,一般借助光干涉原理测出光程差,从而计算出应力值。需要强调的是,得出的不是应力的绝对值,而是二主应力之差,有时虽然测出的应力为零,但实际上二主应力均存在,只不过二者相等而已。典型例子是平板玻璃,从平面上看,存在各向相等的表面压应力及板芯张应力,表面压应力在数值上等于2倍板芯张应力,但采用平面透射光并不能测出应力,原因就是σx
= σy 。必须取样,使光透过玻璃端面才能测定。因此,对不同制品,根据工艺情况,设计适当的应力测试方法是极为重要的。
1.4 干涉色
两光矢分量透过检偏器后,在同-平面内振动,且存在一定光程差,满足相干条件,会发生干涉。干涉作用产生的光强I 由下式决定:I = a2Sin22(β – α)Sin2 (pδ/λ)
式中各符号的意义见图1。由此式可得出如下结论:a) 当β = α 时,即两主应力方向分别与起偏器及检偏器方向一致时,I = 0。此黑条纹即是“等倾线”,线上所有点的应力具有相同的方向。此原理常用来确定应力的方向。b) 当 β – α = 45o时,即主应力方向与偏振方向成450,在δ = 0、1λ、2λ、3λ……Nλ处,I = 0。也就是光程差为波长的整数倍时,出现黑色条纹。c) 当 β – α = 45o时,下列波长的光能较好地透过:Sin2 (pδ/λ) = 1, 即λ = 2δ、2δ/3、2δ/5、2δ/7、……。而以下波长的光被阻:Sin2 (pδ/λ) = 0, 即λ = δ、δ/2、δ/3、δ/4、……。白光是波长从400—700nm范围内多种颜色光波的混合物,有效波长-般按565 nm计。 所以用白光作光源时,玻璃就出现多彩的干涉色,可用来估计应力值。相同的干涉色连成的色带称“等色线”,线上的应力值相等。
2. 常用的应力测量方法
2.1 定性、半定量测量方法
使用正交偏光观察玻璃中残余应力的方法为大家所熟知,此种方法广泛用于定性或半定量判定玻璃中的应力情况。
最简易的应力仪通常由一个白光光源及二片偏光片组成,偏光片的光轴互相垂直,玻璃样品置于两偏光片之间,主应力方向与偏振轴成450。如果玻璃中存在垂直于光线传播方向的非均匀应力,则可观察到黑、灰、白的干涉带,应力更高时,可见黄、红、蓝等彩色干涉条纹。无应力的玻璃只能观察到均匀的暗场。
对于退火玻璃制品,一般仅出现灰白干涉色,此时为提高分辨率,需增加一块灵敏色片。灵敏色片其实是一种光程差为565nm的人工双折射片,相当于人为将总光程差增加或减少565nm,使视域中出现彩色干涉色,提高肉眼对干涉色的分辩能力。
表1:干涉色与光程差对照表

 
















































































干涉色o:p>


无灵敏色片时的光程差 nm


灵敏色片时的光程差 nm



0


565



150


415


淡黄


250


315



300


265


桔黄


450


115



500


65



565


0



600



兰绿


650



绿黄


750




850




950




1050




1130



绿


1300



绿黄


1400



粉红


1500




1695



另一种较为精确的颜色对比法是采用一套至少包括6片的标准光程片组,将被测玻璃样品在偏光下与标准片对比干涉色,从而判断应力大小。
标准光程片是一种均匀的双折射片,每片的光程差人为控制在21.8 –23.8 nm之间,直径至少30mm,同-组内各片的光程差基本一致。
通过增减标准光程片数目,使玻璃样品的干涉色与标准片组的干涉色相同,根据标准片的片数及各片光程数据,就能计算出玻璃中的应力值。


2.2 Senarmont定量应力测定法


此种方法采用的光学元件及其方向匹配关系请参照图2。
起偏器及检偏器的偏振方向均须与水平线成45o,它们之间必须相互垂直。被测样品主应力之一的方向必须与水平线一致,即主应力方向须与偏振方向成45o,如样品是瓶子等圆柱形制品,则将瓶子水平放置、使瓶子轴线与水平线重合即可。


检偏器是可以旋转的,转动角度由刻度指示。使用时,先将检偏器转至0刻度处;然后放置被测样品,调整样品方向,使被测点主应力的方向与偏振方向成45o;再转动检偏器,直到被测点变得最暗;记下转角读数,每度相当于3.14
nm 光程差。


根据旋转方向可判断出是压应力还是张应力。如顺时针转动检偏器能使被测点变暗,则为张应力,反之为压应力。需要指出,如四分之一波片转动90o安装,则检偏器旋转方向所代表的应力性质正好相反,读数绝对值不变。如果对仪器有疑问,可取25
X 200mm的平板玻璃测其板芯应力,已知板芯应力是张应力,故能用来验证仪器的应力测试方向。


四分之一波片的精度对此方法的测定精度有较大影响,-般要求该波片的光程误差在+/- 2
nm之内。Senarmont法适用于测定己知应力方向的玻璃制品,如平板玻璃、瓶子、玻璃管等。对于应力方向复杂的制品,采用Tardy方法比较方便。


2.3 Tardy定量应力测试方法


与Senarmont法不同:Tardy法增加了-块四分之-波片,两块四分之一波片的光轴均与偏振方向成45o,两块波片均能从光路中移走;玻璃样品中的主应力方向与偏振方向重合。其余部分与Senarmont法类似。


测试时,先将两块四分之-波片撤离光路;然后放入被测样品,此时可从检偏器中看见样品上黑色的应力等倾线,即在此线上,应力方向均相同并与偏振方向一致;再调整样品的放置方向,使等倾线通过被测点;将二块四分之-波片推入光路,等倾线即消失;此时可旋转检偏器,直至被测点光线最弱;后面步骤同Senarmont法。


由于Tardy法要求应力方向与偏振方向一致,故可利用等倾线性质实现方向的相对调整,不必准确确定应力的实际方向。


二块四分之一波片的光轴相互垂直,对光程的作用互为补偿,所以波片的精度要求可低-些,只需控制二块波片之间的相对误差。故此方法的测量精度要好于Senarmont法。


2.4 Babinet补偿器法


Babinet补偿器是一种光程差可调的双折射元件,相当于在应力仪中加入一个应力值可调的人工应力片,其方向与被测玻璃样品中的应力方向相反,当两者数值相等时,应力相互抵消,在正交偏光下观察到消光黑条纹。


Babinet补偿器-般由两块石英楔构成,二者尺寸相同,光轴互相垂直。一块楔是固定的,另-块可滑动,滑动的位置由测微螺杆转换成读数,光程差值与楔滑动的距离成线性关糸。


此种方法操作较为简单,首先确定被测点的主应力方向,旋转补偿器测微螺杆,直至被测点为黑条纹所覆盖,记下测微螺杆读数并乘以补偿器常数即得到玻璃的应力值。应力的方向亦根据测微螺杆旋转方向加以确定。


此法操作简单,精度高。不足之处是补偿器价格昂贵。


3. 几个需注意的问题


3.1
所有方法测出的均是相互垂直的两主应力的差值。如果两主应力相等,即使应力值很大,测出的应力也是零,这种现象经常会产生误导,使人容易忽略实际存在的应力。因此,-般选择主应力之-为零的部位作为测量点。


3.2
只有垂直于光路的应力才能被测出。如果一维主应力平行于光透射方向,则也会得出不存在应力的错误结论。另-方面,此特性也常被用来解决上述3.1条所讨论的问题,如玻璃中存在二维应力,应使主应力之-平行于光路,从而准确测出另-主应力值。


3.3
测出的应力是光经过的玻璃内不同位置应力的代数和。如果-个玻璃瓶壁的外表面存在压应力、而内表面是张应力,光从瓶身一侧射进、从另-侧射出,则测得的应力是各处应力的平均值,各处的实际应力很可能远大于此平均值。


3.4
光的入射方向须与玻璃表面垂直。异型制品须浸入与玻璃折射率相同的液体中,以杜绝反射、折射等现象产生的光学作用,这些作用会干扰应力干涉色,影响应力测量精度。


4. 结束语


应力测定工作并不是一项高难度的工作,但它涉及的因素多,且容易混淆,稍不注意就会得出错误甚至相反的结果。在实际测定之前,一定要先分析造成玻璃制品失效的应力因素,理清思路,选择合理的测定方法与步骤。应力测定的目的是反馈给玻璃生产工段,为其采用更合适的热处理设备、制定更合理的热处理工艺提供依据。因此应力测定既是检验工序的工作,更重要的应该是工艺过程控制的-环,应力测定与生产工艺应紧密结合在-起。














































































干涉色o:p>


无灵敏色片时的光程差 nm


灵敏色片时的光程差 nm



0


565



150


415


淡黄


250


315



300


265


桔黄


450


115



500


65



565


0



600



兰绿


650



绿黄


750




850




950




1050




1130



绿


1300



绿黄


1400



粉红


1500




1695



另一种较为精确的颜色对比法是采用一套至少包括6片的标准光程片组,将被测玻璃样品在偏光下与标准片对比干涉色,从而判断应力大小。
标准光程片是一种均匀的双折射片,每片的光程差人为控制在21.8 –23.8 nm之间,直径至少30mm,同-组内各片的光程差基本一致。
通过增减标准光程片数目,使玻璃样品的干涉色与标准片组的干涉色相同,根据标准片的片数及各片光程数据,就能计算出玻璃中的应力值。


2.2 Senarmont定量应力测定法


此种方法采用的光学元件及其方向匹配关系请参照图2。
起偏器及检偏器的偏振方向均须与水平线成45o,它们之间必须相互垂直。被测样品主应力之一的方向必须与水平线一致,即主应力方向须与偏振方向成45o,如样品是瓶子等圆柱形制品,则将瓶子水平放置、使瓶子轴线与水平线重合即可。


检偏器是可以旋转的,转动角度由刻度指示。使用时,先将检偏器转至0刻度处;然后放置被测样品,调整样品方向,使被测点主应力的方向与偏振方向成45o;再转动检偏器,直到被测点变得最暗;记下转角读数,每度相当于3.14
nm 光程差。


根据旋转方向可判断出是压应力还是张应力。如顺时针转动检偏器能使被测点变暗,则为张应力,反之为压应力。需要指出,如四分之一波片转动90o安装,则检偏器旋转方向所代表的应力性质正好相反,读数绝对值不变。如果对仪器有疑问,可取25
X 200mm的平板玻璃测其板芯应力,已知板芯应力是张应力,故能用来验证仪器的应力测试方向。


四分之一波片的精度对此方法的测定精度有较大影响,-般要求该波片的光程误差在+/- 2
nm之内。Senarmont法适用于测定己知应力方向的玻璃制品,如平板玻璃、瓶子、玻璃管等。对于应力方向复杂的制品,采用Tardy方法比较方便。


2.3 Tardy定量应力测试方法


与Senarmont法不同:Tardy法增加了-块四分之-波片,两块四分之一波片的光轴均与偏振方向成45o,两块波片均能从光路中移走;玻璃样品中的主应力方向与偏振方向重合。其余部分与Senarmont法类似。


测试时,先将两块四分之-波片撤离光路;然后放入被测样品,此时可从检偏器中看见样品上黑色的应力等倾线,即在此线上,应力方向均相同并与偏振方向一致;再调整样品的放置方向,使等倾线通过被测点;将二块四分之-波片推入光路,等倾线即消失;此时可旋转检偏器,直至被测点光线最弱;后面步骤同Senarmont法。


由于Tardy法要求应力方向与偏振方向一致,故可利用等倾线性质实现方向的相对调整,不必准确确定应力的实际方向。


二块四分之一波片的光轴相互垂直,对光程的作用互为补偿,所以波片的精度要求可低-些,只需控制二块波片之间的相对误差。故此方法的测量精度要好于Senarmont法。


2.4 Babinet补偿器法


Babinet补偿器是一种光程差可调的双折射元件,相当于在应力仪中加入一个应力值可调的人工应力片,其方向与被测玻璃样品中的应力方向相反,当两者数值相等时,应力相互抵消,在正交偏光下观察到消光黑条纹。


Babinet补偿器-般由两块石英楔构成,二者尺寸相同,光轴互相垂直。一块楔是固定的,另-块可滑动,滑动的位置由测微螺杆转换成读数,光程差值与楔滑动的距离成线性关糸。


此种方法操作较为简单,首先确定被测点的主应力方向,旋转补偿器测微螺杆,直至被测点为黑条纹所覆盖,记下测微螺杆读数并乘以补偿器常数即得到玻璃的应力值。应力的方向亦根据测微螺杆旋转方向加以确定。


此法操作简单,精度高。不足之处是补偿器价格昂贵。


3. 几个需注意的问题


3.1
所有方法测出的均是相互垂直的两主应力的差值。如果两主应力相等,即使应力值很大,测出的应力也是零,这种现象经常会产生误导,使人容易忽略实际存在的应力。因此,-般选择主应力之-为零的部位作为测量点。


3.2
只有垂直于光路的应力才能被测出。如果一维主应力平行于光透射方向,则也会得出不存在应力的错误结论。另-方面,此特性也常被用来解决上述3.1条所讨论的问题,如玻璃中存在二维应力,应使主应力之-平行于光路,从而准确测出另-主应力值。


3.3
测出的应力是光经过的玻璃内不同位置应力的代数和。如果-个玻璃瓶壁的外表面存在压应力、而内表面是张应力,光从瓶身一侧射进、从另-侧射出,则测得的应力是各处应力的平均值,各处的实际应力很可能远大于此平均值。


3.4
光的入射方向须与玻璃表面垂直。异型制品须浸入与玻璃折射率相同的液体中,以杜绝反射、折射等现象产生的光学作用,这些作用会干扰应力干涉色,影响应力测量精度。


4. 结束语


应力测定工作并不是一项高难度的工作,但它涉及的因素多,且容易混淆,稍不注意就会得出错误甚至相反的结果。在实际测定之前,一定要先分析造成玻璃制品失效的应力因素,理清思路,选择合理的测定方法与步骤。应力测定的目的是反馈给玻璃生产工段,为其采用更合适的热处理设备、制定更合理的热处理工艺提供依据。因此应力测定既是检验工序的工作,更重要的应该是工艺过程控制的-环,应力测定与生产工艺应紧密结合在-起。

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