ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТВЕРДЫХ

ТЕЛАХ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы – изучить возникновение внутренних напряжений в деформированных аморфных телах методом интерференции поляризованных лучей.

Обнаружено, что оптически изотропное тело под влиянием механической деформации становится оптически анизотропным. Например, при одностороннем сжатии или растяжении стеклянной пластинки она приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением СС’ сжатия или растяжения (рис. 24).

Поместив деформированную стеклянную пластинку В между поляризатором и анализатором вместо кристаллической пластинки К (рис. 11), можно наблюдать интерференционную картину, аналогичную рассмотренной в разделе 3. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна при этом нормальному напряжению Т[3]:

где с - коэффициент, зависящий от свойств среды (константа фотоупругости). Согласно формуле (8), оптическая разность хода s этих лучей для пластины толщиной d будет равна

. (11)

(Предполагается, что при сжатии изменение толщины пластины несущественно.)

По виду изохромат интерференционной картины можно судить о распределении внутренних напряжений в образце. Каждая изохромата проходит через точки, в которых величины оптической разности хода s обыкновенного и необыкновенного лучей, а следовательно, и напряжений Т одинаковы. Таким образом, изохроматам с одинаковой окраской соответствуют одинаково деформированные области образца.

Явление интерференции поляризованного света в прозрачных деформированных материалах используется для обнаружения остаточных внутренних напряжений, которые могут возникнуть, например, вследствие нарушения технологии изготовления изделий. Данное явление используют также для изучения внутренних напряжений и в непрозрачных деталях (частях машин, сооружений). При этом интерференцию осуществляют на моделях исследуемых деталей, которые изготовляют из целлулоида или другого прозрачного материала. Модель подвергается действию нагрузок, подобных тем, которые испытывает сама деталь. Такой метод изучения деформаций на прозрачных моделях образцов, называемый «методом фотоупругости», получил широкой распространение. Он позволяет непосредственно увидеть распределение деформаций в образце.

Описание прибора

Исследование напряжений в прозрачных деталях проводится при помощи полярископа ПКС-56 (рис. 25), состоящего из осветителя 1, поляризатора (поляроида) 2, расположенного непосредственно за осветителем 1, корпуса 3, сектора с чувствительной пластинкой 4, головки анализатора 5 и предметного столика 6. Поляроидная пленка изготовлена из сернокислого йод-хинина, нанесенного на целлулоид. Свет от лампочки 1 попадает на поляроид 2, в котором осуществляется двойное лучепреломление. Вследствие характерного для материала поляроида явления дихроизма из него выходит только плоско поляризованный необыкновенный луч. Далее свет проходит через испытуемое тело, помещенное на предметный столик 6, и попадает на анализатор 5, функцию которого выполняет еще один поляроид. Перед анализатором укреплен сектор 4 с кварцевыми пластинками, которые обладают свойством двойного лучепреломления. При прохождении света через кварцевую пластинку обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают дополнительную разность хода, зависящую от толщины пластинки. Пластину вводят в том случае, если разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей в испытуемом образце недостаточна для наблюдения интерференционной картины в видимом свете. Введенная пластина искусственно увеличивает разность хода s лучей до величины, достаточной для выполнения условия максимума интерференции (s = ml, где m – целое число). По цвету интерференционной картины в принципе можно определить разность хода s обыкновенного и необыкновенного лучей, и при известных толщине образца d и константе фотоупругости с, по формуле 11 можно восстановить картину распределения напряжений в образце.

Порядок выполнения работы

1. Включить лампу осветителя полярископа в сеть 220 В.

2. Вращая головку анализатора 5, установить анализатор на нулевое деление, что соответствует скрещенному положению поляризатор-анализатор (темное поле зрения).

3. Установить сектор 4 в такое положение, при котором кварцевая пластина выведена из поля зрения. Для этого рукоятку сектора, расположенную под головкой анализатора 5, необходимо повернуть в крайнее правое положение.

4. Прозрачную модель №1 (рис. 26) установить в пресс для сжатия (рис. 27), не зажимая его, и поместить между поляризатором и анализатором на столик 6. Рассмотрите интерференционную картину в окуляр полярископа. Если наблюдаемая интерференционная картина размыта, то, повернув рукоятку сектора 4, вводят кварцевую пластину. При этом за счет увеличения разности хода s обыкновенного и необыкновенного лучей наблюдаемая картина должна стать более четкой.

5. Затем, слегка завинтив винт пресса, задайте нагрузку на образец. Направление деформации, которые следует задать с помощью винта, указаны с помощью стрелок на рис. 26(начинать с №2). Следите за тем, чтобы деформация не привела к разрушению образца!

6. Рассмотрите полученную интерференционную картину, и цветными карандашами зарисуйте изохроматические линии.

7. Выполните это задание и для других образцов № 3–5, укрепив их предварительно в пресс для сжатия.

Контрольные вопросы

1. Интерференция поляризованных лучей.

2. От чего зависит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей?

3. Какие линии называются изохроматическими?

4. Искусственная оптическая анизотропия.

5. Какую информацию содержит интерференционная картина о распределении напряжений в прозрачном твердом образце?

6. Для чего при наблюдении интерференционной картины в полярископе вводится кварцевая пластинка?

7. Что представляет собой поляризатор, используемый в данной работе? На чем основан принцип его действия?

[1] Другими словами, в оптически изотропной среде вектор D электрического смещения совпадает по направлению с вектором E и связан с ним соотношением D = ee₀E.

[2] У двуосных кристаллов (слюда, гипс, топаз) оба преломленных луча - необыкновенные.

[3] Напряжение определяется как модуль силы, приходящейся на единицу площади [2, c. 49].

1 2 34