Неруйнівний спосіб визначення гартувальних напружень на поверхні листових скловиробів

Неруйнівний спосіб визначення гартувальних напружень на поверхні листових скловиробів, який полягає в просвічуванні виробу поляризованим світлом, визначенні нульової інтерференційної смуги, підрахунку КІЛЬКОСТІ та порядку інтерференційних смуг і розрахунку на цій основі напружень, що діють на поверхні, який відрізняється тим, що просвічування здійснюють біля краю листа у напрямку, нормальному до поверхонь, на яких визначають гартувальні напруження, вибирають ширину зони просвічування не меншою товщини Винахід відноситься до області вимірювальної техніки, а саме - до вимірювання гартувальних напружень на поверхні виробів і може бути використаний для визначення загартованості автомобільного скла в процесі виробництва, а також для відпрацювання технологічних режимів зміцнюючої термообробки Однією З ГОЛОВНИХ проблем контролю якості загартованого скла є визначення гартувальних напружень на його поверхні Це необхідно для визначення МІЦНОСТІ скловиробів Відомий спосіб визначення гартувальних напружень, який реалізують на спеціально виготовлених зразках (Борулько В И и Мищенко Н А Определение остаточных напряжений в стеклах и стеклокристаллических матеріалах // Стекло и керамика - 1984, №3 - С 1 2 - 1 3 ) Метод полягає у послідовному стравлюванні плавиковою кислотою шарів скла на одній із поверхонь взірця та вимірюванні його прогинів За результатами цих вимірювань, з використанням співвідношень теорії пружності тонких пластин, обчислюються гартува листа, знаходять порядок інтерференційної смуги, найближчої до краю листа, і вимірюють відстані до першої і наступної за нею смуги від краю листа, визначають гартувальні напруження GQ на поверхні за формулою х х 2 -х 1 HP0 + Y — ) де X - довжина хвилі просвічування, п - порядок інтерференційної смуги, найближчої до краю листа, хі та Х2 - відстані до першої та другої інтерференційної смуги від краю листа, Н - товщина листа, Р - постійна фотопружності скла, v - коефіцієнт Пуассона, у - коефіцієнт, який залежить від характеру розподілу гартувальних напружень по товщині, для квадратичного розподілу у =0,75 льні напруження, що діяли у видалених шарах Однак, цей спосіб є руйнівним і його не можна реалізувати на готових виробах для їх індивідуального контролю в процесі виробництва Внаслідок цього виникають похибки обумовлені ВІДМІННІСТЮ умов гартування взірця і реального об'єкту, впливом геометрії взірця на його прогини Найбільш близьким до винаходу за технічною суттю є поляризаційно-оптичний метод вимірювання гартувальних напружень у склі, який також реалізується на взірцях, що мають форму пластин-смуг (Бартеньев Г М Исследование закалки стекла//ЖТФ, 1949 -Т 19 -№12 - С 1423) За цим методом здійснюється вимірювання різниці ходу поляризованого світла при просвічуванні в торець пластинки, тобто в напрямку, паралельному до поверхонь, де визначаються гартувальні напруження Визначення розподілу напружень по товщині пластини зводиться при цьому до визначання нульової смуги та порядку інтерференційних смуг, які при цьому виникають і їх віддалі від поверхні пластини Зазначимо, що інтерференційна 00 со ю 53284 картина залежить не тільки від розподілу гартувальних напружень по товщині але і від оптичного шляху, тобто від ширини пластини Ширина ж зразка повинна у декілька разів перевищувати II товщину, щоб мінімізувати вплив геометрії на розподіл напружень Внаслідок цього при високому рівні гартування не вдається відокремити смуги біля поверхні пластини Тому за цим методом неможливо визначити гартувальні напруження, що діють на досліджуваних поверхнях, а лише встановити напруження розтягу, у внутрішній області зразка, на деякій віддалі від цих поверхонь Поверхневі гартувальні напруження доводиться розраховувати виходячи із умови самозрівноваженості гартувальних напружень, припускаючи той чи інший характер розподілу гартувальних напружень по їх товщині При цьому похибка вимірювань може бути значною (від 6% до 19%) Іншим недоліком цього методу є неможливість його реалізації для індивідуального контролю загартованості готових виробів, бо він реалізується тільки на зразках визначеної геометрії Реалізація цього методу можлива завдяки тому, що напруження, обумовлені гартуванням, практично незмінні вздовж шляху поширення зондувального променя, а зміна поляризації світла на одиничній відстані пропорційна напруженням, що діють в площині поширення світла, паралельній загартованим поверхням, у напрямках, перпендикулярних до променя Метою винаходу є забезпечення можливості індивідуального визначення гартувальних напружень на поверхні готових листових скловиробів неруйнівним поляризаційно-оптичним методом Поставлена задача вирішується тим, що просвічування виробу поляризованим світлом здійснюється біля краю листа в нормальному до його поверхні напрямку (фіг 1) і визначаються значення різниці ходу 5(х), яку здобуває світло на різних віддалях х від торця При цьому, хоч гартувальні напруження на поверхні ізотропні, тобто складові напружень, перпендикулярні й паралельні краю листа на віддалях х, більших за товщину Н листа, практично однакові, біля краю листа на віддалях 0 < х < Н, складова напружень ахх, нормальна до краю, стає меншою за паралельну a x z На торці листа нормальна складова зникає, що випливає із умови ненавантаженості поверхні торця Паралельна ж складова залишається при цьому практично такою ж, як і далеко від краю Внаслідок цього біля краю листа, в зоні, ширина якої співмірна з товщиною листа, виникає анізотропний напружений стан, який, у свою чергу, обумовлює оптичну анізотропію Тому, поляризоване світло, проходячи крізь лист у напрямках, нормальних до його серединної поверхні, набуватиме у цій зоні різниці ходу 5(х), величина, якої залежатиме від відстані до краю - безпосередньо на краю ця різниця буде максимальною за абсолютною величиною, а з віддаленням від краю прямуватиме до нуля Розподіл різниці ходу біля краю листа залежить від розподілу гартувальних напружень по товщині листа Тож, вимірюючи різницю ходу, отримуємо інформацію про гартувальні напруження У результаті проведених досліджень було встановлено, що у випадку, коли загартовані лише бічні поверхні листа, а торець незагартований при наближенні до торця (х прямує до значення 0 ) різниця ходу 5(х) J (1) X1-vде Р - фотопружна стала матеріалу, v - коефіцієнт Пуассона, ao - гартувальні напруження на поверхні, X - довжина хвилі зондувального світла, у - коефіцієнт, який залежить від розподілу гартувальних напружень по товщині листа При квадратичному розподілі, зокрема, у = 0,75 Розглянемо тепер випадок, коли торець листа загартований Нехай сгоі - складова напружень а х у на торці, обумовлена його гартуванням Тоді, оскільки складова напружень а х х на торці дорівнює нулю (умова ненавантаженості), то промінь світла, проходячи через шар скла, що знаходиться безпосередньо на торці, набуде додаткової різниці ходу 2л - — Н Р а 0 1 Таким чином, отримуємо остаточну X формулу, яка пов'язує різницю ходу світла 5(0) з гартувальними напруженнями (2) При загартуванні на повітрі та в рідинах сгоі = ao, при цьому формула (2) набуває вигляду 9 ( \ s(o) = Y 1+ У Т^7 НРа ° (3) Для визначення 5(0) вибирають ширину зони просвічування більшою за товщину листа, отримують у цій зоні інтерференційну картину, яка складається із темних та світлих смуг Визначають порядок смуг та вимірюють відстані хі та Х2 від краю листа до першої та другої темних смуг За цими даними, шляхом лінійної екстраполяції, визначають різницю фаз безпосередньо на краю листа х1 (4) х2-х1 де п - порядок першої від краю листа смуги Гартувальні напруження ao на поверхні скла розраховують за формулою 5 0 = 2л п Xп а0 = HP 1 х х2-х1 1-v Розглянемо реалізацію винаходу на прикладі Досліджували чотири загартованих у воді прямокутні пластини зі скла для скло ізоляторів розмірами a = 46мм, 2Ь = 118мм, Н = 10,2мм Сталу фотопружності для скла цього типу брали Р = 2,1 10 12 м 2 /Н, коефіцієнт Пуассона v =0,22 Для отримання інтерференційної картини використовували стандартний поляриметр ПКС-250 з компенсатором Сенармона Діаметр поля зору поляриметра складав 250мм, довжина хвилі зондувального світла X = А-зелене - 540нм Підрахунок смуг здійснювали візуально при збільшенні поля зору в 4 або 7 крат Нульову смугу визначали за допомогою компенсатора Сенармона на підставі зміни знаку різниці ходу при переході через цю смугу Відстань 53284 Таблиця від торця пластини до першої хі та другої Х2 смуги визначали з допомогою мірної шкали Результати вимірювань наведені в таблиці Використання запропонованого способу підвищує точність визначення гартувальних напружень при контролі листових скловиробів і внаслідок цього підвищує ефективність технологічних режимів зміцнюючої термообробки скла та надійність листових скловиробів № пластини 1 2 3 4 п 6 5 5 6 Хі MM Х2 M M 0,5 1,5 0,3 1,3 0,3 1,5 0,25 1,0 Зондувальний промінь Довжина хвилі х X Фіг. ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 ао МПа -135,3 -110,3 -109,3 -131,8