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    玻璃瓶應力的測量方法

    來源:滄州明潔藥用包裝有限公司 發布時間:2023/8/1 23:05:46
    控制應力是玻璃生產工藝中極其重要的-環,應用適當熱處理來控制應力的方法已為玻璃技術人員所熟知。然而,如何準確測定玻璃應力仍是困撓廣大玻璃廠的難題之一,傳統的經驗性估計已越來越不適應當今社會對玻璃制品質量的要求。本文全面地介紹了常用的應力測定方法,希望對大家有所幫助和啟發。
    1. 應力測定的理論基礎
    1.1 偏振光
    眾所周知,光是一種電磁波,其振動方向與前進方向垂直,在所有與前進方向垂直的振動面上振動。如在光路中引入只允許某一振動方向光線通過的偏振濾片,_可獲得偏振光,簡稱偏光。
    1.2 雙折射
    玻璃是各向同性體,各方向的折射率相同。如玻璃中存在應力,各向同性的性質受到破壞,引起折射率變化,兩主應力方向的折射率不再相同,即導致雙折射。折射率與應力值的關糸由下式確定:nx - ny = CB (σx – σy)式中:nx 、ny 分別為x及y方向的折射率。σx 、σy 分別為x及y方向的應力。CB 為應力光學常數,它是物性常數,僅與玻璃品種有關。
    1.3 光程差
    當偏光透過厚度為t的有應力玻璃時,光矢會分裂為兩個分別在x及y應力方向振動的分量。如vx、vy分別為兩光矢分量的速度,則透過玻璃所需的時間分別為t/vx和t/vy,兩分量之間不再同步,而是存在光程差δ:δ = C(t/vx - t/vy) = t (nx - ny)式中C為真空中光速。
    結合上述二式,即得如下公式: (σx – σy) = δ / (tCB)
    即應力與光程差存在_關系,一般借助光干涉原理測出光程差,從而計算出應力值。需要強調的是,得出的不是應力的_值,而是二主應力之差,有時雖然測出的應力為零,但實際上二主應力均存在,只不過二者相等而已。典型例子是平板玻璃,從平面上看,存在各向相等的表面壓應力及板芯張應力,表面壓應力在數值_于2倍板芯張應力,但采用平面透射光并不能測出應力,原因_是σx
    = σy 。_取樣,使光透過玻璃端面才能測定。因此,對不同制品,根據工藝情況,設計適當的應力測試方法是極為重要的。
    1.4 干涉色
    兩光矢分量透過檢偏器后,在同-平面內振動,且存在_光程差,滿足相干條件,會發生干涉。干涉作用產生的光強I 由下式決定:I = a2Sin22(β – α)Sin2 (pδ/λ)
    式中各符號的意義見圖1。由此式可得出如下結論:a) 當β = α 時,即兩主應力方向分別與起偏器及檢偏器方向一致時,I = 0。此黑條紋即是“等傾線”,線上所有點的應力具有相同的方向。此原理常用來確定應力的方向。b) 當 β – α = 45o時,即主應力方向與偏振方向成450,在δ = 0、1λ、2λ、3λ……Nλ處,I = 0。也_是光程差為波長的整數倍時,出現黑色條紋。c) 當 β – α = 45o時,下列波長的光能較好地透過:Sin2 (pδ/λ) = 1, 即λ = 2δ、2δ/3、2δ/5、2δ/7、……。而以下波長的光被阻:Sin2 (pδ/λ) = 0, 即λ = δ、δ/2、δ/3、δ/4、……。白光是波長從400—700nm范圍內多種顏色光波的混合物,有效波長-般按565 nm計。 所以用白光作光源時,玻璃_出現多彩的干涉色,可用來估計應力值。相同的干涉色連成的色帶稱“等色線”,線上的應力值相等。
    2. 常用的應力測量方法
    2.1 定性、半定量測量方法
    使用正交偏光觀察玻璃中殘余應力的方法為大家所熟知,此種方法廣泛用于定性或半定量判定玻璃中的應力情況。
    _簡易的應力儀通常由一個白光光源及二片偏光片組成,偏光片的光軸互相垂直,玻璃樣品置于兩偏光片之間,主應力方向與偏振軸成450。如果玻璃中存在垂直于光線傳播方向的非均勻應力,則可觀察到黑、灰、白的干涉帶,應力_時,可見黃、紅、藍等彩色干涉條紋。無應力的玻璃只能觀察到均勻的暗場。
    對于退火玻璃制品,一般僅出現灰白干涉色,此時為提高分辨率,需增加一塊靈敏色片。靈敏色片其實是一種光程差為565nm的人工雙折射片,相當于人為將總光程差增加或減少565nm,使視域中出現彩色干涉色,提高肉眼對干涉色的分辯能力。
    表1:干涉色與光程差對照表

     
















































































    干涉色o:p>


    無靈敏色片時的光程差 nm


    靈敏色片時的光程差 nm



    0


    565



    150


    415


    淡黃


    250


    315



    300


    265


    桔黃


    450


    115



    500


    65



    565


    0



    600



    蘭綠


    650



    綠黃


    750




    850




    950




    1050




    1130




    1300



    綠黃


    1400



    粉紅


    1500




    1695



    另一種較為_的顏色對比法是采用一套至少包括6片的標準光程片組,將被測玻璃樣品在偏光下與標準片對比干涉色,從而判斷應力大小。
    標準光程片是一種均勻的雙折射片,每片的光程差人為控制在21.8 –23.8 nm之間,直徑至少30mm,同-組內各片的光程差基本一致。
    通過增減標準光程片數目,使玻璃樣品的干涉色與標準片組的干涉色相同,根據標準片的片數及各片光程數據,_能計算出玻璃中的應力值。


    2.2 Senarmont定量應力測定法


    此種方法采用的光學元件及其方向匹配關系請參照圖2。
    起偏器及檢偏器的偏振方向均須與水平線成45o,它們之間_相互垂直。被測樣品主應力之一的方向_與水平線一致,即主應力方向須與偏振方向成45o,如樣品是瓶子等圓柱形制品,則將瓶子水平放置、使瓶子軸線與水平線重合即可。


    檢偏器是可以旋轉的,轉動角度由刻度指示。使用時,先將檢偏器轉至0刻度處;然后放置被測樣品,調整樣品方向,使被測點主應力的方向與偏振方向成45o;再轉動檢偏器,直到被測點變得_暗;記下轉角讀數,每度相當于3.14
    nm 光程差。


    根據旋轉方向可判斷出是壓應力還是張應力。如順時針轉動檢偏器能使被測點變暗,則為張應力,反之為壓應力。需要指出,如四分之一波片轉動90o安裝,則檢偏器旋轉方向所代表的應力性質正好相反,讀數_值不變。如果對儀器有疑問,可取25
    X 200mm的平板玻璃測其板芯應力,已知板芯應力是張應力,故能用來驗證儀器的應力測試方向。


    四分之一波片的精度對此方法的測定精度有較大影響,-般要求該波片的光程誤差在+/- 2
    nm之內。Senarmont法適用于測定己知應力方向的玻璃制品,如平板玻璃、瓶子、玻璃管等。對于應力方向復雜的制品,采用Tardy方法比較方便。


    2.3 Tardy定量應力測試方法


    與Senarmont法不同:Tardy法增加了-塊四分之-波片,兩塊四分之一波片的光軸均與偏振方向成45o,兩塊波片均能從光路中移走;玻璃樣品中的主應力方向與偏振方向重合。其余部分與Senarmont法類似。


    測試時,先將兩塊四分之-波片撤離光路;然后放入被測樣品,此時可從檢偏器中看見樣品上黑色的應力等傾線,即在此線上,應力方向均相同并與偏振方向一致;再調整樣品的放置方向,使等傾線通過被測點;將二塊四分之-波片推入光路,等傾線即消失;此時可旋轉檢偏器,直至被測點光線_弱;后面步驟同Senarmont法。


    由于Tardy法要求應力方向與偏振方向一致,故可利用等傾線性質實現方向的相對調整,不必準確確定應力的實際方向。


    二塊四分之一波片的光軸相互垂直,對光程的作用互為補償,所以波片的精度要求可低-些,只需控制二塊波片之間的相對誤差。故此方法的測量精度要好于Senarmont法。


    2.4 Babinet補償器法


    Babinet補償器是一種光程差可調的雙折射元件,相當于在應力儀中加入一個應力值可調的人工應力片,其方向與被測玻璃樣品中的應力方向相反,當兩者數值相等時,應力相互抵消,在正交偏光下觀察到消光黑條紋。


    Babinet補償器-般由兩塊石英楔構成,二者尺寸相同,光軸互相垂直。一塊楔是固定的,另-塊可滑動,滑動的位置由測微螺桿轉換成讀數,光程差值與楔滑動的距離成線性關糸。


    此種方法操作較為簡單,首先確定被測點的主應力方向,旋轉補償器測微螺桿,直至被測點為黑條紋所覆蓋,記下測微螺桿讀數并乘以補償器常數即得到玻璃的應力值。應力的方向亦根據測微螺桿旋轉方向加以確定。


    此法操作簡單,精度高。不足之處是補償器價格昂貴。


    3. 幾個需注意的問題


    3.1
    所有方法測出的均是相互垂直的兩主應力的差值。如果兩主應力相等,即使應力值很大,測出的應力也是零,這種現象經常會產生誤導,使人容易忽略實際存在的應力。因此,-般選擇主應力之-為零的部位作為測量點。


    3.2
    只有垂直于光路的應力才能被測出。如果一維主應力平行于光透射方向,則也會得出不存在應力的錯誤結論。另-方面,此特性也常被用來解決上述3.1條所討論的問題,如玻璃中存在二維應力,應使主應力之-平行于光路,從而準確測出另-主應力值。


    3.3
    測出的應力是光經過的玻璃內不同位置應力的代數和。如果-個玻璃瓶壁的外表面存在壓應力、而內表面是張應力,光從瓶身一側射進、從另-側射出,則測得的應力是各處應力的平均值,各處的實際應力很可能遠大于此平均值。


    3.4
    光的入射方向須與玻璃表面垂直。異型制品須浸入與玻璃折射率相同的液體中,以杜絕反射、折射等現象產生的光學作用,這些作用會干擾應力干涉色,影響應力測量精度。


    4. 結束語


    應力測定工作并不是一項高難度的工作,但它涉及的因素多,且容易混淆,稍不注意_會得出錯誤甚至相反的結果。在實際測定之前,_要先分析造成玻璃制品失效的應力因素,理清思路,選擇合理的測定方法與步驟。應力測定的目的是反饋給玻璃生產工段,為其采用更合適的熱處理設備、制定更合理的熱處理工藝提供依據。因此應力測定既是檢驗工序的工作,更重要的應該是工藝過程控制的-環,應力測定與生產工藝應緊密結合在-起。














































































    干涉色o:p>


    無靈敏色片時的光程差 nm


    靈敏色片時的光程差 nm



    0


    565



    150


    415


    淡黃


    250


    315



    300


    265


    桔黃


    450


    115



    500


    65



    565


    0



    600



    蘭綠


    650



    綠黃


    750




    850




    950




    1050




    1130




    1300



    綠黃


    1400



    粉紅


    1500




    1695



    另一種較為_的顏色對比法是采用一套至少包括6片的標準光程片組,將被測玻璃樣品在偏光下與標準片對比干涉色,從而判斷應力大小。
    標準光程片是一種均勻的雙折射片,每片的光程差人為控制在21.8 –23.8 nm之間,直徑至少30mm,同-組內各片的光程差基本一致。
    通過增減標準光程片數目,使玻璃樣品的干涉色與標準片組的干涉色相同,根據標準片的片數及各片光程數據,_能計算出玻璃中的應力值。


    2.2 Senarmont定量應力測定法


    此種方法采用的光學元件及其方向匹配關系請參照圖2。
    起偏器及檢偏器的偏振方向均須與水平線成45o,它們之間_相互垂直。被測樣品主應力之一的方向_與水平線一致,即主應力方向須與偏振方向成45o,如樣品是瓶子等圓柱形制品,則將瓶子水平放置、使瓶子軸線與水平線重合即可。


    檢偏器是可以旋轉的,轉動角度由刻度指示。使用時,先將檢偏器轉至0刻度處;然后放置被測樣品,調整樣品方向,使被測點主應力的方向與偏振方向成45o;再轉動檢偏器,直到被測點變得_暗;記下轉角讀數,每度相當于3.14
    nm 光程差。


    根據旋轉方向可判斷出是壓應力還是張應力。如順時針轉動檢偏器能使被測點變暗,則為張應力,反之為壓應力。需要指出,如四分之一波片轉動90o安裝,則檢偏器旋轉方向所代表的應力性質正好相反,讀數_值不變。如果對儀器有疑問,可取25
    X 200mm的平板玻璃測其板芯應力,已知板芯應力是張應力,故能用來驗證儀器的應力測試方向。


    四分之一波片的精度對此方法的測定精度有較大影響,-般要求該波片的光程誤差在+/- 2
    nm之內。Senarmont法適用于測定己知應力方向的玻璃制品,如平板玻璃、瓶子、玻璃管等。對于應力方向復雜的制品,采用Tardy方法比較方便。


    2.3 Tardy定量應力測試方法


    與Senarmont法不同:Tardy法增加了-塊四分之-波片,兩塊四分之一波片的光軸均與偏振方向成45o,兩塊波片均能從光路中移走;玻璃樣品中的主應力方向與偏振方向重合。其余部分與Senarmont法類似。


    測試時,先將兩塊四分之-波片撤離光路;然后放入被測樣品,此時可從檢偏器中看見樣品上黑色的應力等傾線,即在此線上,應力方向均相同并與偏振方向一致;再調整樣品的放置方向,使等傾線通過被測點;將二塊四分之-波片推入光路,等傾線即消失;此時可旋轉檢偏器,直至被測點光線_弱;后面步驟同Senarmont法。


    由于Tardy法要求應力方向與偏振方向一致,故可利用等傾線性質實現方向的相對調整,不必準確確定應力的實際方向。


    二塊四分之一波片的光軸相互垂直,對光程的作用互為補償,所以波片的精度要求可低-些,只需控制二塊波片之間的相對誤差。故此方法的測量精度要好于Senarmont法。


    2.4 Babinet補償器法


    Babinet補償器是一種光程差可調的雙折射元件,相當于在應力儀中加入一個應力值可調的人工應力片,其方向與被測玻璃樣品中的應力方向相反,當兩者數值相等時,應力相互抵消,在正交偏光下觀察到消光黑條紋。


    Babinet補償器-般由兩塊石英楔構成,二者尺寸相同,光軸互相垂直。一塊楔是固定的,另-塊可滑動,滑動的位置由測微螺桿轉換成讀數,光程差值與楔滑動的距離成線性關糸。


    此種方法操作較為簡單,首先確定被測點的主應力方向,旋轉補償器測微螺桿,直至被測點為黑條紋所覆蓋,記下測微螺桿讀數并乘以補償器常數即得到玻璃的應力值。應力的方向亦根據測微螺桿旋轉方向加以確定。


    此法操作簡單,精度高。不足之處是補償器價格昂貴。


    3. 幾個需注意的問題


    3.1
    所有方法測出的均是相互垂直的兩主應力的差值。如果兩主應力相等,即使應力值很大,測出的應力也是零,這種現象經常會產生誤導,使人容易忽略實際存在的應力。因此,-般選擇主應力之-為零的部位作為測量點。


    3.2
    只有垂直于光路的應力才能被測出。如果一維主應力平行于光透射方向,則也會得出不存在應力的錯誤結論。另-方面,此特性也常被用來解決上述3.1條所討論的問題,如玻璃中存在二維應力,應使主應力之-平行于光路,從而準確測出另-主應力值。


    3.3
    測出的應力是光經過的玻璃內不同位置應力的代數和。如果-個玻璃瓶壁的外表面存在壓應力、而內表面是張應力,光從瓶身一側射進、從另-側射出,則測得的應力是各處應力的平均值,各處的實際應力很可能遠大于此平均值。


    3.4
    光的入射方向須與玻璃表面垂直。異型制品須浸入與玻璃折射率相同的液體中,以杜絕反射、折射等現象產生的光學作用,這些作用會干擾應力干涉色,影響應力測量精度。


    4. 結束語


    應力測定工作并不是一項高難度的工作,但它涉及的因素多,且容易混淆,稍不注意_會得出錯誤甚至相反的結果。在實際測定之前,_要先分析造成玻璃制品失效的應力因素,理清思路,選擇合理的測定方法與步驟。應力測定的目的是反饋給玻璃生產工段,為其采用更合適的熱處理設備、制定更合理的熱處理工藝提供依據。因此應力測定既是檢驗工序的工作,更重要的應該是工藝過程控制的-環,應力測定與生產工藝應緊密結合在-起。

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