玻璃應(yīng)力的測量

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(zhǔn)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(jìn)方向垂直，在所有與前進(jìn)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，就可獲得偏振光，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)力與光程差存在一定關(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(qiáng)調(diào)的是，得出的不是應(yīng)力的絕對值，而是二主應(yīng)力之差，有時雖然測出的應(yīng)力為零，但實(shí)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)值上等于2倍板芯張應(yīng)力，但采用平面透射光并不能測出應(yīng)力，原因就是σx = σy 。必須取樣，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，且存在一定光程差，滿足相干條件，會發(fā)生干涉。干涉作用產(chǎn)生的光強(qiáng)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(diǎn)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。也就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，玻璃就出現(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。 最簡易的應(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)力更高時，可見黃、紅、藍(lán)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(shí)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

另一種較為精確的顏色對比法是采用一套至少包括6片的標(biāo)準(zhǔn)光程片組，將被測玻璃樣品在偏光下與標(biāo)準(zhǔn)片對比干涉色，從而判斷應(yīng)力大小。 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)光程片數(shù)目，使玻璃樣品的干涉色與標(biāo)準(zhǔn)片組的干涉色相同，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)片的片數(shù)及各片光程數(shù)據(jù)，就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，它們之間必須相互垂直。被測樣品主應(yīng)力之一的方向必須與水平線一致，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(diǎn)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(diǎn)變得最暗；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(diǎn)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)絕對值不變。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(diǎn)；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(diǎn)光線最弱；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(shí)現(xiàn)方向的相對調(diào)整，不必準(zhǔn)確確定應(yīng)力的實(shí)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(bǔ)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(bǔ)償器法

Babinet補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)的主應(yīng)力方向，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測微螺桿，直至被測點(diǎn)為黑條紋所覆蓋，記下測微螺桿讀數(shù)并乘以補(bǔ)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(bǔ)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(shí)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(diǎn)。

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(zhǔn)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(jìn)、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(shí)際應(yīng)力很可能遠(yuǎn)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，稍不注意就會得出錯誤甚至相反的結(jié)果。在實(shí)際測定之前，一定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。