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玻璃瓶應(yīng)力的測量方法-滄州明潔藥用包裝

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玻璃瓶應(yīng)力的測量方法

來源:滄州明潔藥用包裝有限公司 發(fā)布時間:2023/8/1 23:05:46
控制應(yīng)力是玻璃生產(chǎn)工藝中極其重要的-環(huán),應(yīng)用適當(dāng)熱處理來控制應(yīng)力的方法已為玻璃技術(shù)人員所熟知。然而,如何準確測定玻璃應(yīng)力仍是困撓廣大玻璃廠的難題之一,傳統(tǒng)的經(jīng)驗性估計已越來越不適應(yīng)當(dāng)今社會對玻璃制品質(zhì)量的要求。本文全面地介紹了常用的應(yīng)力測定方法,希望對大家有所幫助和啟發(fā)。
1. 應(yīng)力測定的理論基礎(chǔ)
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(yīng)力,各向同性的性質(zhì)受到破壞,引起折射率變化,兩主應(yīng)力方向的折射率不再相同,即導(dǎo)致雙折射。折射率與應(yīng)力值的關(guān)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(yīng)力。CB 為應(yīng)力光學(xué)常數(shù),它是物性常數(shù),僅與玻璃品種有關(guān)。
1.3 光程差
當(dāng)偏光透過厚度為t的有應(yīng)力玻璃時,光矢會分裂為兩個分別在x及y應(yīng)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(jié)合上述二式,即得如下公式: (σx – σy) = δ / (tCB)
即應(yīng)力與光程差存在_關(guān)系,一般借助光干涉原理測出光程差,從而計算出應(yīng)力值。需要強調(diào)的是,得出的不是應(yīng)力的_值,而是二主應(yīng)力之差,有時雖然測出的應(yīng)力為零,但實際上二主應(yīng)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(yīng)力及板芯張應(yīng)力,表面壓應(yīng)力在數(shù)值_于2倍板芯張應(yīng)力,但采用平面透射光并不能測出應(yīng)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(jù)工藝情況,設(shè)計適當(dāng)?shù)膽?yīng)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(nèi)振動,且存在_光程差,滿足相干條件,會發(fā)生干涉。干涉作用產(chǎn)生的光強I 由下式?jīng)Q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(jié)論:a) 當(dāng)β = α 時,即兩主應(yīng)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(yīng)力具有相同的方向。此原理常用來確定應(yīng)力的方向。b) 當(dāng) β – α = 45o時,即主應(yīng)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(shù)倍時,出現(xiàn)黑色條紋。c) 當(dāng) 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(nèi)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(xiàn)多彩的干涉色,可用來估計應(yīng)力值。相同的干涉色連成的色帶稱“等色線”,線上的應(yīng)力值相等。
2. 常用的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力情況。
_簡易的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力,則可觀察到黑、灰、白的干涉帶,應(yīng)力_時,可見黃、紅、藍等彩色干涉條紋。無應(yīng)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(xiàn)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(dāng)于人為將總光程差增加或減少565nm,使視域中出現(xiàn)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(yīng)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(nèi)各片的光程差基本一致。
通過增減標準光程片數(shù)目,使玻璃樣品的干涉色與標準片組的干涉色相同,根據(jù)標準片的片數(shù)及各片光程數(shù)據(jù),_能計算出玻璃中的應(yīng)力值。


2.2 Senarmont定量應(yīng)力測定法


此種方法采用的光學(xué)元件及其方向匹配關(guān)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(yīng)力之一的方向_與水平線一致,即主應(yīng)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(zhuǎn)的,轉(zhuǎn)動角度由刻度指示。使用時,先將檢偏器轉(zhuǎn)至0刻度處;然后放置被測樣品,調(diào)整樣品方向,使被測點主應(yīng)力的方向與偏振方向成45o;再轉(zhuǎn)動檢偏器,直到被測點變得_暗;記下轉(zhuǎn)角讀數(shù),每度相當(dāng)于3.14
nm 光程差。


根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向可判斷出是壓應(yīng)力還是張應(yīng)力。如順時針轉(zhuǎn)動檢偏器能使被測點變暗,則為張應(yīng)力,反之為壓應(yīng)力。需要指出,如四分之一波片轉(zhuǎn)動90o安裝,則檢偏器旋轉(zhuǎn)方向所代表的應(yīng)力性質(zhì)正好相反,讀數(shù)_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(yīng)力,已知板芯應(yīng)力是張應(yīng)力,故能用來驗證儀器的應(yīng)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(nèi)。Senarmont法適用于測定己知應(yīng)力方向的玻璃制品,如平板玻璃、瓶子、玻璃管等。對于應(yīng)力方向復(fù)雜的制品,采用Tardy方法比較方便。


2.3 Tardy定量應(yīng)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(yīng)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(yīng)力等傾線,即在此線上,應(yīng)力方向均相同并與偏振方向一致;再調(diào)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(zhuǎn)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(yīng)力方向與偏振方向一致,故可利用等傾線性質(zhì)實現(xiàn)方向的相對調(diào)整,不必準確確定應(yīng)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(diào)的雙折射元件,相當(dāng)于在應(yīng)力儀中加入一個應(yīng)力值可調(diào)的人工應(yīng)力片,其方向與被測玻璃樣品中的應(yīng)力方向相反,當(dāng)兩者數(shù)值相等時,應(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)換成讀數(shù),光程差值與楔滑動的距離成線性關(guān)糸。


此種方法操作較為簡單,首先確定被測點的主應(yīng)力方向,旋轉(zhuǎn)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(shù)并乘以補償器常數(shù)即得到玻璃的應(yīng)力值。應(yīng)力的方向亦根據(jù)測微螺桿旋轉(zhuǎn)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(yīng)力的差值。如果兩主應(yīng)力相等,即使應(yīng)力值很大,測出的應(yīng)力也是零,這種現(xiàn)象經(jīng)常會產(chǎn)生誤導(dǎo),使人容易忽略實際存在的應(yīng)力。因此,-般選擇主應(yīng)力之-為零的部位作為測量點。


3.2
只有垂直于光路的應(yīng)力才能被測出。如果一維主應(yīng)力平行于光透射方向,則也會得出不存在應(yīng)力的錯誤結(jié)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(yīng)力,應(yīng)使主應(yīng)力之-平行于光路,從而準確測出另-主應(yīng)力值。


3.3
測出的應(yīng)力是光經(jīng)過的玻璃內(nèi)不同位置應(yīng)力的代數(shù)和。如果-個玻璃瓶壁的外表面存在壓應(yīng)力、而內(nèi)表面是張應(yīng)力,光從瓶身一側(cè)射進、從另-側(cè)射出,則測得的應(yīng)力是各處應(yīng)力的平均值,各處的實際應(yīng)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(xiàn)象產(chǎn)生的光學(xué)作用,這些作用會干擾應(yīng)力干涉色,影響應(yīng)力測量精度。


4. 結(jié)束語


應(yīng)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(jié)果。在實際測定之前,_要先分析造成玻璃制品失效的應(yīng)力因素,理清思路,選擇合理的測定方法與步驟。應(yīng)力測定的目的是反饋給玻璃生產(chǎn)工段,為其采用更合適的熱處理設(shè)備、制定更合理的熱處理工藝提供依據(jù)。因此應(yīng)力測定既是檢驗工序的工作,更重要的應(yīng)該是工藝過程控制的-環(huán),應(yīng)力測定與生產(chǎn)工藝應(yīng)緊密結(jié)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(yīng)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(nèi)各片的光程差基本一致。
通過增減標準光程片數(shù)目,使玻璃樣品的干涉色與標準片組的干涉色相同,根據(jù)標準片的片數(shù)及各片光程數(shù)據(jù),_能計算出玻璃中的應(yīng)力值。


2.2 Senarmont定量應(yīng)力測定法


此種方法采用的光學(xué)元件及其方向匹配關(guān)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(yīng)力之一的方向_與水平線一致,即主應(yīng)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(zhuǎn)的,轉(zhuǎn)動角度由刻度指示。使用時,先將檢偏器轉(zhuǎn)至0刻度處;然后放置被測樣品,調(diào)整樣品方向,使被測點主應(yīng)力的方向與偏振方向成45o;再轉(zhuǎn)動檢偏器,直到被測點變得_暗;記下轉(zhuǎn)角讀數(shù),每度相當(dāng)于3.14
nm 光程差。


根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向可判斷出是壓應(yīng)力還是張應(yīng)力。如順時針轉(zhuǎn)動檢偏器能使被測點變暗,則為張應(yīng)力,反之為壓應(yīng)力。需要指出,如四分之一波片轉(zhuǎn)動90o安裝,則檢偏器旋轉(zhuǎn)方向所代表的應(yīng)力性質(zhì)正好相反,讀數(shù)_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(yīng)力,已知板芯應(yīng)力是張應(yīng)力,故能用來驗證儀器的應(yīng)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(nèi)。Senarmont法適用于測定己知應(yīng)力方向的玻璃制品,如平板玻璃、瓶子、玻璃管等。對于應(yīng)力方向復(fù)雜的制品,采用Tardy方法比較方便。


2.3 Tardy定量應(yīng)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(yīng)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(yīng)力等傾線,即在此線上,應(yīng)力方向均相同并與偏振方向一致;再調(diào)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(zhuǎn)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(yīng)力方向與偏振方向一致,故可利用等傾線性質(zhì)實現(xiàn)方向的相對調(diào)整,不必準確確定應(yīng)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(diào)的雙折射元件,相當(dāng)于在應(yīng)力儀中加入一個應(yīng)力值可調(diào)的人工應(yīng)力片,其方向與被測玻璃樣品中的應(yīng)力方向相反,當(dāng)兩者數(shù)值相等時,應(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)換成讀數(shù),光程差值與楔滑動的距離成線性關(guān)糸。


此種方法操作較為簡單,首先確定被測點的主應(yīng)力方向,旋轉(zhuǎn)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(shù)并乘以補償器常數(shù)即得到玻璃的應(yīng)力值。應(yīng)力的方向亦根據(jù)測微螺桿旋轉(zhuǎn)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(yīng)力的差值。如果兩主應(yīng)力相等,即使應(yīng)力值很大,測出的應(yīng)力也是零,這種現(xiàn)象經(jīng)常會產(chǎn)生誤導(dǎo),使人容易忽略實際存在的應(yīng)力。因此,-般選擇主應(yīng)力之-為零的部位作為測量點。


3.2
只有垂直于光路的應(yīng)力才能被測出。如果一維主應(yīng)力平行于光透射方向,則也會得出不存在應(yīng)力的錯誤結(jié)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(yīng)力,應(yīng)使主應(yīng)力之-平行于光路,從而準確測出另-主應(yīng)力值。


3.3
測出的應(yīng)力是光經(jīng)過的玻璃內(nèi)不同位置應(yīng)力的代數(shù)和。如果-個玻璃瓶壁的外表面存在壓應(yīng)力、而內(nèi)表面是張應(yīng)力,光從瓶身一側(cè)射進、從另-側(cè)射出,則測得的應(yīng)力是各處應(yīng)力的平均值,各處的實際應(yīng)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(xiàn)象產(chǎn)生的光學(xué)作用,這些作用會干擾應(yīng)力干涉色,影響應(yīng)力測量精度。


4. 結(jié)束語


應(yīng)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(jié)果。在實際測定之前,_要先分析造成玻璃制品失效的應(yīng)力因素,理清思路,選擇合理的測定方法與步驟。應(yīng)力測定的目的是反饋給玻璃生產(chǎn)工段,為其采用更合適的熱處理設(shè)備、制定更合理的熱處理工藝提供依據(jù)。因此應(yīng)力測定既是檢驗工序的工作,更重要的應(yīng)該是工藝過程控制的-環(huán),應(yīng)力測定與生產(chǎn)工藝應(yīng)緊密結(jié)合在-起。

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