Поляризационно-оптический метод исследования

Определение «Поляризационно-оптический метод исследования» по БСЭ:
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 (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, c - 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 c 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; c 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°C (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/αІ, 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.

Поляризационная микроскопия    Поляризационно-оптический метод исследования    Поляризация вакуума