Поляризационно-оптический метод исследования

        напряжении, метод изучения напряжений в деталях машин и строительных конструкциях на прозрачных моделях. Основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов (стекло, целлулоид, желатин, пластмассы — оптически чувствительные или пьезооптические материалы) становиться при деформации оптически анизотропными, т. е. на возникновении искусственного двойного лучепреломления (См. Двойное лучепреломление) (т. н. пьезооптического эффекта). Главные значения тензора диэлектрической проницаемости линейно связаны с главными напряжениями. Так, например, для пластинки, нагруженной в своей плоскости, одно главное напряжение σ_з, направленное нормально к пластинке (рис. 1, а), равно нулю и одна из главных плоскостей оптической симметрии совпадает с плоскостью пластинки. Если на пластинку D в круговом полярископе (рис. 2) падает свет перпендикулярно к её плоскости, то оптическая разность хода равна: Δ = d (n₁ — n₂) или Δ = cd (σ₁ — σ₂), где d — толщина пластинки, (σ₁ и σ₂ — главные напряжения, с — т. н. относительный оптический коэффициент напряжений. Это уравнение (т. н. уравнение Вертгейма) — основное при решении плоских задач П.-о. м. и. При просвечивании монохроматическим светом в точках интерференционного изображения модели, в которых Δ = mλ (m — целое число), наблюдается погашение света; в точках, где Δ = (2m + 1)λ/2, — максимальная освещённость. На изображении модели (рис. 3) получаются светлые и тёмные полосы разных порядков m (картина полос). Точки, лежащие на одной и той же полосе, имеют одинаковую Δ, т. е. одинаковые σ₁ — σ₂ = 2τ_мах = Δ/cd (гдеτ_мах — максимальные скалывающие напряжения). При белом свете точки с одинаковыми τ_max соединяются линиями одинаковой окраски — изохромами.

         Для определения σ₁ — σ₂ (или τ_max) в данной точке достаточно определить с для материала модели и измерить компенсатором Δ или можно определить (σ₀ модели и подсчитать порядок полосы m (σ₀ = λ/cd — разность главных напряжений в модели, вызывающих разность хода Δ = λ; с и σ₀ получают при простом растяжении, сжатии или чистом изгибе на образцах из материала модели). Т. к. при нормальном просвечивании плоской модели можно получить только разность главных напряжений и их направление, то для определения (σ₁ и σ₂ в отдельности существуют дополнительные физико-механические способы измерения (σ₁ + σ₂, а также графовычислительные методы разделения (σ₁ и σ₂ по известным σ₁ — σ₂ и их направлению, использующие уравнения механики сплошной среды.

         Для исследования напряжений на объёмных моделях применяется более сложная техника эксперимента. Объёмная модель часто исследуется с применением метода «замораживания» деформаций. Модель из материала, обладающего свойством «замораживания» (отверждённые эпоксидные, фенолформальдегидные смолы и др.), нагревается до температуры высокоэластического состояния, нагружается и под нагрузкой охлаждается до комнатной температуры (температуры стеклования). После снятия нагрузки деформации, возникающие в высокоэластическом состоянии, и сопровождающая их оптическая анизотропия фиксируются. Наглядно описать это явление можно при помощи условной двухфазной модели материала. При нагреве до 80—120 °С (высокоэластическое состояние) одна часть материала размягчается, другая остаётся упругой. Нагрузке, приложенной к нагретой модели, противостоит неразмягчающийся скелет. При охлаждении нагруженной модели до комнатной температуры размягчающаяся часть снова застывает («замораживается») и удерживает деформацию в скелете после снятия нагрузки. «Замороженную» модель распиливают на тонкие пластинки (срезы) толщиной 0,6— 2 мм, которые исследуют в обычном полярископе.

         Применяется также метод рассеянного света, при котором тонкий пучок параллельных лучей поляризованного света пропускается через объёмную модель и даёт в каждой точке на своём пути рассеянный свет, который наблюдается в направлении, перпендикулярном к пучку. Состояние поляризации по линии каждого луча от точки к точке меняется соответственно напряжениям в этих точках. Существует метод, при котором в изготовленную из оптически нечувствительного к напряжениям прозрачного материала (специальные органические стекла) объёмную модель вклеивают тонкие пластинки из оптически чувствительного материала. Измерения во вклейках проводят, как на плоской модели, — с просвечиванием нормально или под углом к поверхности вклейки.

         Описанный П.-о. м. и. применяется для изучения напряжений в плоских и объёмных деталях в пределах упругости в тех случаях, когда применение вычислительных методов затруднено или невозможно. П.-о. м. и. напряжений используется для изучения пластических деформаций (фотопластичность), динамических процессов, температурных напряжений (фототермоупругость), для моделирования при решении задач ползучести (фотоползучесть) и др. нелинейных задач механики деформируемого тела.

         Разработан также метод оптически чувствительных наклеек (слоев), наносимых на поверхности натурных деталей. Слой оптически чувствительного материала наносится на поверхность металлической детали или её модели в жидком виде и затем подвергается полимеризации или наклеивается на деталь в виде пластинки; это обеспечивает равенство деформаций нагруженной детали и покрытия. Деформации в покрытии определяются по измеренной в нём разности хода в отражённом свете при помощи односторонних полярископов.

         Так как П.-о. м. и. напряжений ведутся на моделях, то они заканчиваются переходом от напряжений в модели к напряжениям в детали. В простейшем случае σ_дет = σ_мод β/α², где α и β — масштабы геометрического и силового подобий.

         Лит.: Пригоровский Н. И., Поляризационно-оптический метод исследования распределения напряжений, в кн.: Справочник машиностроителя, т. 3, М., 1962; Александров А. Я., Ахметзянов М. Х., Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела, М., 1973.

         В. И. Савченко

        

        Рис. 1. Схемы: а — пластинки, нагруженной в своей плоскости; б — элемента объёма в напряжённом состоянии; σ — нормальные; τ — касательные напряжения.

        

        Рис. 2. Схема кругового полярископа: S — источник света, Р — поляризатор; D — пластинка; λ/4 — компенсирующие пластинки; А — анализатор; Э — экран.

        

        Рис. 3. Картина полос при равномерном растягивании пластинки с круглым отверстием.