Метода и явления, происходящие в полярископе

В поляризационно-оптическом методе напряженное состояние де­талей исследуют на прозрачных моделях из оптически чувствительных материалов. Материалы эти без значительных погрешностей можно счи­тать изотропными, кроме того, они в довольно широких пределах сле­дуют закону Гука. Поэтому результаты опытов на моделях из опти­чески активных материалов могут быть перенесены на случай деталей машин, элементов сооружений любой формы и размера изготовленных из таких распространённых строительных материалов, как сталь.

Поляризационно-оптический метод основан на свойстве большин­ства прозрачных материалов (стекло, целлулоид, отвержденные эпок­сидные смолы и др.) приобретать под действием напряжений способ­ность двойного лучепреломления. Материалы, обладающие таким свой­ством, называют оптически чувствительными.

Изотропные прозрачные материалы становятся при нагружении оп­тически анизотропными и начинают вести себя как двояко преломляю­щая кристаллическая пластинка. Величина двойного лучепреломления, связанная с величиной напряжений, может быть измерена оптическим методом при просвечивании модели поляризованным светом. Поляризо­ванный свет создается в специальном приборе - полярископе. На рис. 5.17 представлена схема прохождения поляризованного монохрома­тического луча света с длиной волны  в полярископе через нагруженную модель.

В любой точке модели и там, где проходят луч света, напря­женное состояние определено величиной и направлением двух взаимно перпендикулярных главных напряжений  и , действующих в плоскости модели.

Рис. 5.17. Разложение линейно-поляризоваиного луча света:

1 - модель; 2 - поляризатор; 3 - анализатор

Наклон главных напряжений к вертикали или горизонтали равен . В напряжённой модели распространение света подчиняется закону Брюстара, согласно которому вектор света  разделяется по двум перпендикулярным направлениям на составляющие  и . Эти составляющие проходят напряженную модель с раз­личными скоростями, пропорциональными  и  соответственно. Вследствие различия скоростей векторы  и  после прохождения через модель получают разность хода  (рис. 5.17).

В дальнейшем обе линейно поляризованные волны  и  проходят через анализатор. Анализатор установлен в перекрест по­ляризатору и поэтому пропускает только горизонтальные составляю­щие Н  и Н . Конечный оптический эффект создается равнодействующей обеих волн Н  и Н . При помощи параллелограмма, на котором показано разложение вектора  на составляющее  и , можно установить, что амплитуды Н  и Н  равны. Пропус­тит или нет анализатор свет, зависит от сдвига фаз , т.е. от разности главных напряжений . Если в рас­сматриваемой точке модели , то и , Н  и Н  будет в противофазе, и эта точка модели будет тёмной. Представим теперь, что  выросла до . Тогда сдвиг фаз составит половину длины волны.. Происходит сложение колебаний - и получаем максимум яркости.

При дальнейшем возрастании  яркость убывает, пока при  обе волны снова окажутся в противофазе и взаимно погасятся. Последующее увеличение  приводит к повторению этого процесса, так что при целом  всегда происходит полное затем­нение, a в промежутках - увеличение яркости. Так как эта зависи­мость в равной мере действительна для любых точек модели, то все точки, в которых  имеет одинаковую величину, сое­диняются тёмными линиями. Эти линии называют изохромами. В зави­симости от того, равна ли  и т.д., говорят об изохромах 0,1,2 и т.д. порядков.

Основной закон упругости запишется в виде:

                                ,                             (5.48)

или

,                                 (5.49)

Обозначив  через , получим:

,                                (5.50)

где - постоянная, зависящая от материала, толщины модели, длины волны света, применяемого в поляризационной установке.

 Следовательно, для того чтобы определить значение  в той или иной точке модели по картине изохром, необходимо знать порядковый номер полосы пи цену полосы материала , которая определяется на тарировочном образце.

Для правильного определения величины () необходи­мо знать начало отчета порядка полос. Наиболее распространены следующие два метода определения порядка полос:

      1. Метод наблюдения за образованием картины полос в процес­се нагружения (с регистрацией полосы первого порядка).

      2. В моделях, имеющих свободно выступающие углы, начало от­счёта следует вести от них (так как углы, как правило, не напря­жены и порядок полос п. в них равен нулю).

Кроме изохром, в напряжённой модели в линейно поляризованном свете появляются ещё и другие тёмные линии. Так, если одно ив на­правлений главных напряжений совпадает с направлением поляризации, то есть  = 0 (см. рис. 5.17), то при разложении вектора света по главным направлениям одна из составляющих становится равной нулю. Поэтому луч света проходит модель, не разлагаясь, и анализа­тор поглощает его полностью. Все точки модели, в которых главные напряжения имеют одинаковые направления, соединены темными линия­ми. Эти линии называют изоклинами.

Таким образом, при просвечивании модели монохроматическим светом на экране полярископа будут видны две серии темных линий - изохромы и изоклины. Без известного навыка эти линии трудно от­личить друг от друга. Для уверенного отличия изоклин и изохром можно воспользоваться тем, что при синхронном повороте поляроидов картина изохром не меняется, а положение изоклины меняется. Для получения картины только изохром без изоклин применяют круговые полярископы. В круговом полярископе после поляризатора (перед мо­делью) и перед анализатором (после модели) помещают две пластинки из слюды, называемые пластинками в четверть волны (). Это такая кристаллическая пластинка, которая создаёт сдвиг фаз  = 1/2. Изоклины в плоском полярископе устраняют двойной экспози­цией при фотографировании картины изохром. Для этого вторую экспо­зицию производят при синхронном повороте поляризатора и анализато­ра на 45 град. относительно первой экспозиции.