Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Поляризационно-оптический метод исследования напряжений представляет собой экспериментальный способ определения напряжённо-деформированного состояния элементов конструкций на основе анализа оптических эффектов в прозрачных материалах. Метод основан на явлении искусственного двойного лучепреломления, которое возникает в изотропных прозрачных материалах при их нагружении или наличии остаточных напряжений.
Когда линейно-поляризованный свет проходит через напряжённое стекло, луч разлагается на два взаимно перпендикулярных луча, распространяющихся с различными скоростями. Плоскости колебаний преломлённых лучей совпадают с плоскостями главных напряжений. Возникающая при этом оптическая разность хода в пределах упругих деформаций пропорциональна разности главных напряжений.
δ = C × d × (σ₁ - σ₂)
где: δ — относительная оптическая разность хода лучей, нм C — оптический коэффициент напряжений материала, (Па)⁻¹ d — толщина образца, мм σ₁, σ₂ — главные нормальные напряжения, МПа
Для натрий-кальций-силикатного стекла оптический коэффициент напряжений составляет порядка 2,5-3,0×10⁻¹² Па⁻¹. Этот параметр зависит от химического состава стекла и длины волны используемого света.
Закалённое стекло получают путём контролируемого нагрева листового стекла до температуры 650-680°C с последующим быстрым равномерным охлаждением холодным воздухом. В результате термической обработки в объёме стекла формируется специфическое распределение остаточных механических напряжений.
При быстром охлаждении наружные слои стекла остывают и затвердевают раньше внутренних. Когда внутренние слои начинают охлаждаться и уменьшаться в объёме, они оказываются зажатыми уже затвердевшими поверхностными слоями. Это приводит к возникновению сбалансированной системы напряжений: в поверхностных слоях формируются напряжения сжатия, во внутренних слоях возникают напряжения растяжения.
Распределение остаточных напряжений определяет особые свойства закалённого стекла. При приложении внешней нагрузки опасные напряжения растяжения на поверхности частично или полностью компенсируются закалочными напряжениями сжатия. Поскольку разрушение стекла инициируется с поверхности, где расположены микротрещины Гриффитса, наличие сжимающих напряжений существенно повышает несущую способность материала.
Однако та же система напряжений обеспечивает характерный безопасный характер разрушения. При нарушении целостности поверхностного слоя высокие растягивающие напряжения в центральной зоне приводят к мгновенному распространению трещин по всему объёму стекла с образованием множества мелких осколков с тупыми гранями.
Поляризационно-оптический метод является основным неразрушающим способом контроля напряжений в закалённом стекле. Метод позволяет как качественно оценить наличие и распределение напряжений по интерференционной картине, так и количественно измерить их величину.
При качественном анализе исследуемое изделие помещают между скрещенными поляризатором и анализатором. В напряжённых участках стекла наблюдается характерная интерференционная окраска, по которой можно судить о распределении и характере напряжений. Линии одинаковой окраски представляют собой изохромы — геометрические места точек с одинаковой разностью главных напряжений.
Количественное определение величины напряжений производят с помощью компенсатора Сенармона. Метод основан на измерении угла поворота анализатора, необходимого для достижения минимальной освещённости в контролируемой точке после введения четвертьволновой пластинки.
σ₁ - σ₂ = (α × λ) / (180 × C × d)
где: α — угол поворота анализатора, градусы λ — длина волны света (для зелёного светофильтра λ = 546 нм) C — оптический коэффициент напряжений стекла d — толщина образца
В соответствии с ГОСТ 7329-91 контроль остаточных напряжений в стекле проводят в местах с максимальными напряжениями. Стандарт устанавливает методику измерения разности хода лучей с использованием полярископа-поляриметра. Измерения проводят на участках, максимально приближенных к плоскому образцу, при освещённости не менее 300 лк.
Характер дробления при разрушении является объективным критерием качества закалки стекла. Метод основан на связи между уровнем остаточных напряжений и количеством осколков при разрушении образца.
Согласно действующему стандарту ГОСТ 30698-2014 (пункт 5.1.5), при разрушении закалённого стекла должны соблюдаться следующие условия:
Источник: ГОСТ 30698-2014, таблица 7
Испытание на характер разрушения проводят в соответствии с ГОСТ 33002-2014. Образцы размером не менее 300×300 мм разрушают ударом заострённого стального инструмента массой около 75 г. Для листового стекла удар наносят в середину длинного края образца, для других форм — в центр. Подсчёт осколков проводят в квадрате 50×50 мм, выделенном с наиболее крупными осколками, через 3-5 минут после разрушения.
Термовыдержка или тест на термостарение (Heat Soak Test, HST) представляет собой дополнительную термическую обработку закалённого стекла, направленную на выявление изделий с критическими включениями сульфида никеля, способными вызвать самопроизвольное разрушение в процессе эксплуатации.
Включения сульфида никеля (NiS) могут попадать в стекломассу в процессе производства флоат-стекла из загрязнённого сырья или компонентов оборудования. Размер таких включений составляет от 50 до 350 мкм. При температуре закалки включения NiS находятся в высокотемпературной α-фазе. При быстром охлаждении они не успевают перейти в низкотемпературную β-фазу и остаются в метастабильном состоянии.
Со временем, под воздействием температуры эксплуатации и солнечного излучения, происходит медленный фазовый переход α→β, сопровождающийся увеличением объёма включения на 2-4%. Если включение достаточно велико и расположено в центральной зоне растягивающих напряжений, то создаваемые им дополнительные напряжения могут превысить прочность стекла и вызвать его разрушение.
Процесс термовыдержки регламентируется европейским стандартом EN 14179-1 и включает следующие этапы:
Термовыдержка особенно рекомендуется или требуется для следующих применений:
Для поляризационно-оптического контроля напряжений в стекле используются специализированные приборы — полярископы и полярископы-поляриметры.
Серия приборов ПКС (полярископ-поляриметр с компенсатором Сенармона) производства ОАО ЗОМЗ получила широкое применение в промышленности и лабораториях. Основные модели:
Прибор состоит из следующих основных узлов:
Современные автоматизированные поляриметры позволяют получать детальные карты распределения напряжений с высоким разрешением. Системы оснащены видеокамерами и программным обеспечением для автоматической обработки изображений, что исключает субъективность оператора и обеспечивает документирование результатов.
Принцип работы автоматизированных систем основан на измерении угла поляризации для каждого пикселя изображения с последующим расчётом разности хода и распределения напряжений по всей площади образца. Результаты представляются в виде цветовых карт, где различным уровням напряжений соответствуют различные цвета.
Визуальный осмотр не позволяет достоверно оценить уровень и распределение остаточных напряжений в закалённом стекле. Напряжения являются внутренним состоянием материала и не проявляются визуально без использования специальных оптических методов. Поляризационно-оптический контроль необходим для количественной оценки напряжений, которые определяют механические свойства и безопасность стекла. Кроме того, характер дробления при разрушении напрямую связан с уровнем напряжений и является объективным критерием качества термической обработки.
Количество осколков при разрушении прямо пропорционально уровню остаточных напряжений в стекле. Чем выше напряжения сжатия в поверхностных слоях и растяжения в центральной зоне, тем больше образуется осколков при разрушении. Согласно ГОСТ 30698-2014, для листового стекла толщиной 4-12 мм минимальное количество осколков должно составлять 40 штук в квадрате 50×50 мм. Стекло с количеством осколков выше минимальных требований обладает более высокой механической прочностью на изгиб и лучшими характеристиками безопасности.
Термовыдержка HST не является обязательной для всех применений закалённого стекла. Её проведение рекомендуется в случаях, когда требуется минимизировать риск самопроизвольного разрушения из-за включений сульфида никеля. Это особенно актуально для фасадного остекления высотных зданий, структурных стеклянных конструкций и труднодоступных участков, где замена разрушенного стекла связана с высокими затратами. В соответствии с EN 14179-1, процесс HST снижает вероятность самопроизвольного разрушения, что существенно повышает надёжность остекления.
Да, поляризационно-оптический метод является неразрушающим способом контроля качества закалки. Используя полярископ-поляриметр, можно количественно измерить разность главных напряжений и оценить равномерность их распределения по площади изделия. Метод позволяет выявить недостаточную или неравномерную закалку до разрушения образца. Дополнительно можно контролировать термостойкость закалённого стекла испытанием на термошок, что также является неразрушающим методом оценки качества термической обработки.
Температура оказывает влияние на точность измерений через изменение оптического коэффициента напряжений материала и возникновение временных термических напряжений. Для получения достоверных результатов контроль проводят при стабильной температуре окружающей среды. Согласно ГОСТ 7329-91, перед проведением измерений образцы должны выдерживаться при комнатной температуре для стабилизации теплового состояния. Нагрев образца источником света прибора минимизируется использованием теплового фильтра, который поглощает инфракрасное излучение.
Характер разрушения определяется распределением остаточных напряжений в стекле. В закалённом стекле высокие растягивающие напряжения в центральной зоне создают значительный запас упругой энергии деформации. При нарушении целостности поверхностного сжатого слоя эта энергия высвобождается, вызывая быстрое распространение множества трещин во всех направлениях. Процесс разрушения развивается настолько быстро, что трещины не успевают слиться в крупные фрагменты. В отожжённом стекле отсутствуют остаточные напряжения, поэтому разрушение развивается медленнее, формируя крупные осколки с острыми краями.
Да, требования к минимальному количеству осколков зависят от толщины стекла. Согласно ГОСТ 30698-2014 (таблица 7), для листового стекла толщиной 3 мм требуется не менее 15 осколков в квадрате 50×50 мм, для стекла 4-12 мм — не менее 40 осколков, а для стекла 15-25 мм — не менее 30 осколков. Различие требований связано с изменением соотношения между поверхностными и объёмными напряжениями при увеличении толщины стекла.
Радужные пятна представляют собой оптический эффект, возникающий из-за явления двойного лучепреломления в зонах напряжений закалённого стекла. Они видны под определённым углом обзора и особенно заметны при отражении поляризованного света неба. Согласно ГОСТ 30698-2014 (пункт 5.1.1), радужные пятна являются нормальным проявлением анизотропии закалённого стекла и не относятся к дефектам. Они не влияют на механические характеристики, безопасность или долговечность стекла.
Данная статья носит исключительно информационно-ознакомительный характер и не является руководством к действию, технической инструкцией или нормативным документом. Материал подготовлен на основе доступных технических источников и стандартов, актуальных на момент публикации.
Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные последствия, возникшие в результате использования информации, содержащейся в данной статье. Все проектные расчёты, выбор материалов, технологий и оборудования должны выполняться квалифицированными специалистами в соответствии с действующими нормативными документами, стандартами и требованиями безопасности.
Перед применением любых методов контроля, испытаний или технологических процессов необходимо ознакомиться с актуальной редакцией соответствующих ГОСТов, технических регламентов и получить консультацию компетентных специалистов.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.