Визначення залишкових внутрішніх напружень

 

Мета роботи: експериментально визначити залишкові внутрішні напруження для дослідних зразків за допомогою полярископа.

Прилади та обладнання: полярископ – поляриметр ПКС – 250; шість досліджуваних моделей з оргскла.

 

Призначення.

 

Полярископ – поляриметр ПКС-250 призначений для визначення різниці хода світлових променів викликаної двійним променезаламленням, в прозорих зразках із безкольорового та слабофарбованого скла. Визначена різниця хода характеризує залишкові напруження, в зразку. Оцінка залишкових внутрішніх напружень в зразку виконується двома способами:

1. Приблизна оцінка по інтерференційному кольору малюнка, що спостерігається.

2. Кількісною оцінкою різниці хода звичайного і незвичайного променів компенсатором Сенармона.

Полярископ застосовується при масовому виробництві для контролю деталей, виробів та заготовок із плоских прозорих матеріалів.

Працюють з прибором у напівзатемненому приміщенні при температурі повітря від +10 до +35⁰С, відносній вологості до 80%, атмосферному тиску 750 ± 30 мм. рт. ст.

 

2. Принцип дії (Рис. 10.1)

 

Принцип дії прибору основано на явищі подвійного променезаломлення в анізотропних середовищах (кристали, прозорі матеріали з внутрішніми напруженнями).

Світло від джерела 1 проходить через конденсорну систему 2, 3, дзеркало 4, поляризатор 5, пластинку l 6 і матове скло 7, з розташованим на ньому досліджуваним зразком, в якому поляризоване світло зазнає подвійного променезаломлення.

Площини коливань двох променів звичайного і незвичайного – взаємно-перпендикулярні. Самі коливання зсунуті по фазі в залежності від величини напружень і довжини хода в досліджуваному зразку.

Аналізатор 8 приводить коливання звичайного і незвичайного променів в одну площину, в результаті чого виникає інтерференція світла. Додавання коливань приводить до збільшення інтенсивності світла для одних довжин хвиль і до ослаблення для других довжин хвиль, внаслідок цього виникає фарбування поля зору. Колір інтерференційної картини залежить від величини різниці хода, яку набувають промені в даному зразку.

Пластинка l вводить різницю хода променів 572 нм і встановлена таким чином, що напрямок швидких коливань пластинки становить кут 45⁰ з напрямком коливань електричного вектора поляризатора.

Знаючи різницю хода Г і товщину досліджуваного зразка L в сантиметрах, визначаємо (n₁-n₂) за формулою: (n₁-n₂)= ,

L – для всіх досліджуємих зразків 4 10^-3 см, тоді:

Г – визначаємо використовуючи табл. 1.

Для кожного зразка вибираємо найбільшу різницю (n₁-n₂) із одержаних. Таким чином, чим більша різниця (n₁- n₂), тим більші залишкові внутрішні напруження.

Висновок: залишкові внутрішні напруження виникають в місцях різкої зміни площі поперечного перерізу деталі (галтелі, фаски і т.д.). Чим більше кут між площинами, тобто наявність або відсутність заокруглень, тим більші напруження. Залишкові внутрішні напруження є важливим фактором, який впливає на роботу деталі і цей фактор слід обов’язково враховувати.

В цьому випадку в полі зору пристрою спостерігається чутливість пурпурно-фіолетового кольору. Незначна зміна різниці хода (на 12-15нм) в більшу або меншу сторону викликає різку зміну кольорів в синю або червону область. Оптична різниця хода визначається за формулою: Г=(n₁-n₂)×L, де

n₁, n₂ – показники заломлення скла для звичайного і незвичайного променей; L – товщина зразка.

Величину Г знаходять з таблиці, яка визначає залежність інтерференційно­го кольору від різниці хода. Таким чином пристрій працює як полярископ.

Порядок роботи

 

Працювати з прибором в напівзатемненому приміщенні. Вимірювання на приборі, коли він працює як полярископ, необхідно виконувати у такому порядку: ввімкнути лампу освітлення в мережу змінного струму 220 В. В робоче положення ввести аналізатор Æ 250 мм і пластинку l поворотом ручки 43 до упора в сторону напису "Спостереження". Покласти досліджуваний зразок на середину матового скла.

Спостерігаємо через аналізатор і обертаємо матове скло з досліджуваним зразком до отримання кольору, що відповідного найбільшій різниці хода. За отриманим кольором знаходимо різницю хода Г в нм, користуючись таблицею:

Таблиця 10.1. – Значення різниці ходу в залежності від кольору

Кольори	Різниця хода Г, нм
Жовтий
Жовто-зелений
Зелений
Блакитно-зелений
Блакитний
Пурпурно-фіолетовий
Червоний
Помаренчевий
Світло-жовтий
Жовтий
Білий

 

Знаючи різницю хода Г і товщину досліджуваного зразка L в сантиметрах, визначимо (n₁-n₂) за формулою: (n₁-n₂) = . За різницею (n₁-n₂) знаходимо категорію скла за подвійним променезаломленням.

Таким чином, чим більша різниця (n₁-n₂), тим більші залишкові внутрішні напруження у зразку.

 

Приклад розрахунку

 

Зразок: №1 (n₁-n₂) = =287,5 – для блакитного кольору;

(n₁-n₂) = 325 – для помаранчевого кольору;

Зразок: №2 (n₁-n₂) = = – для жовтого кольору

(n₁-n₂) = = – для жовтого кольору

Зразок: №3 (n₁-n₂) = =287,5 – для блакитного кольору

(n₁-n₂) = =325 – для помаранчевого кольору

Зразок: №4 (n₁-n₂) = = – для жовтого кольору

(n₁-n₂) = =325 – для помаранчевого кольору

 

Зразок: №5 (n₁-n₂) = =287,5 – для блакитного кольору

(n₁-n₂) = =325 – для помаранчевого кольору

Зразок: №6 (n₁-n₂) = = – для жовтого кольору

(n₁-n₂) = =325 – для помаранчевого кольору

 

Рис. 10.4. Схеми навантаження

 

Контрольні запитання

 

1. На чому засновано принцип дії полярископа-поляриметра ПКС-250?

2. Чим характеризується величина внутрішніх напружень при дослідженні на полярископі?

3. Як впливають концентратори напружень на розподіл та величину внутрішніх напружень, а також на міцність деталей?

4. Назвіть шляхи зменшення концентрації напружень у місцях різкої зміни форми.

5. Які особливості концентраторів напру­жень при дії циклічно змінних навантажень?

Рис. 10.3 Приклади