玻璃内应力和退火温度测定

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1—光源；2—起偏镜；3—有应力的玻璃试样；4—1/4波长片；5—检偏镜；6—眼睛
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由光源1发出的光经起偏镜2后，变成平面偏振光（假设其振动方向为垂直
方向），当旋转检偏镜5与之正交时，偏振光不能通过，用眼睛6观察时视
场呈黑色。若在光路中放入有应力的玻璃试样3时，该偏振光通过玻璃后被
即可得σ=δ/B
对于普通工业玻璃，B=2.55*10-12Pa-1.
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1、双折射仪一台。 仪器由镇流器箱、光源及起偏镜、载物台、检偏 振镜和目镜等组成。
2、玻璃试体若干（10~20）mm*（100~120）mm 长方条玻璃。
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1、测定前将仪器检查一遍，接通电源，调节检偏振片与起偏 振片成正交消光位置，使视野为黑暗，此时检偏镜指针应当 在刻度盘的“O”位，若有偏离应记下偏离角度Φ0,1/4波片长 也放在“O”位。 2、将具有内应力的玻璃试样放入载物台，其定位应使偏振光 束垂直通过试体的端面（片状试体）。 3、观察检偏器的现场，可以看到片状试体端面有两条平行黑 线，说明此位置不存在应力，而在黑线两侧有灰色背景，这 就是双折射引起的干涉色，沿两条线的外侧是压应力，内侧 是张应力。慢慢向反方向旋转检偏镜，在两条暗线之间就会 形成一个小小的间隙，然后接触，使两条黑线集合成一条棕 褐色的线，即由应力产生的双折射已被检偏镜补偿。记下旋 转角度Φ。
分解为具有程差的水平偏振光和垂直偏振光。当两束偏振光通过1/4玻片4
后，被合成为平面偏振光，但此时的平面偏振光的偏振面对起偏镜产生的
平面偏振光的振动方向有一个θ角的旋转。因此，在现场中就可看到两条
黑色条纹隔开的明亮区。旋转检偏镜，重新使玻璃中心变黑，根据检偏镜
的角度差θ，就可计算出玻璃的光程差。
由理论推导可知，玻璃试样的光程差与偏转角成正比，即：
R=λθ/Π
式中 R—玻璃的光程差，nm
λ—照射光源的波长，nm
Π—弧度，180°
当以白光灯为光源时， λ=540nm，则：R=3θ
在精密测定时，以钠光灯为光源， λ=589.3nm，则：R=3.27 θ
通常，用单位长度的光程差来表示玻璃的内应力：δ=R/d
式中 δ—单位长度的光程差，nm/cm
d—光在玻璃中的行程长度，cm
目的：
① 进一步了解玻璃内应力产生的原因 ② 掌握测定玻璃内应力的原理和方法
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1、玻璃中的内应力与光程差
包括玻璃与塑料在内的许多透明材料通常是一种均质体， 具有各向同性的性质，当单色光通过其中时，光速与其传播 方向与光波的偏振面无关，不会发生双折射现象。但由于内 应力的作用，各项同性的玻璃在光学上就变成了各项异性， 单色光通过玻璃时就会变成两束光。
目的：
① 进一步了解玻璃退火的实质 ② 掌握测定玻璃退火温度的原理和方法
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玻璃中内应力的消除与玻璃的粘度有关，粘度越小，应力松弛 越快，应力消除也越快，退火处理的安全温度，常称为最高退火温度或 退火点，它是指在此温度下维持3min能使玻璃内的应力消除95%，相当于 玻璃粘度为1012Pa*s时的温度。最低退火温度是指在此温度下维持3min 仅能使应力消除5%，即相当于玻璃粘度为1015Pa*s时的温度。玻璃退火 温度与化学组成有关，普通工业玻璃的最高退火温度为400~600℃，一般 采用的最低退火温度比这个温度低50~150℃。
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试样
试样尺寸（cm）
检偏镜刻度盘读数 （°）
单位光程
差 （nm*cm-1）
应力值 （Pa）
编号 厚度
h 1 2 3
宽度 d
无试样 Φ0
有试样 δ=3（Φ-Φ0） σ=δ/B*
d
10-7
Φ
测试结果
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➢目的意义 ➢基本原理 ➢实验器材 ➢测定步骤 ➢测试数据及数据处理
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主讲：高晨晓
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➢目的意义 ➢基本原理 ➢实验器材 ➢测定步骤 ➢测试记录与数据处理
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意义：由于生产工艺的特殊性，在制作完成后的玻璃制品中还或
多或少地存在内应力。在玻璃成形过程中，由于外部机械力的作用或冷却 时热不均匀所产生的应力称为热应力或宏观应力。在玻璃内部由于成分不 均匀而形成的微不均匀区所造成的应力称为结构应力或微观应力。在玻璃 内相当于晶胞大小的体积范围内所存在的应力称为超微观应力。由于玻璃 的结构特性，其中的微观与超微观应力极小，对玻璃的机械强度影响不大。 影响最大的是玻璃中的热应力，因为这种应力通常是极不均匀的，严重时 会降低玻璃制品的机械强度和热稳定性，影响制品的使用安全，甚至会发 生自裂现象。因此，为了保证使用时的安全，对各种玻璃制品都规定其残 余的内应力不能超过某一规定值。对于光学玻璃，较大的应力的存在将严 重影响光透过和成像质量。因此，测量玻璃的内应力是控制质量的一种手 段，特别是质量要求较高的、贵重的或精密的产品尤为重要。
入射光
O光
出射光
入射光
E光
无应力的玻璃
有应力的玻璃
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O光 入射光
有应力的玻璃
O光在玻璃内的光速及其传播方向、光波的偏振面都 不变，所以沿原来方向传播，到达低二个表面时所 需的时间较少，所经过的路程较短；E光在玻璃内的 光速及其传播方向、光波的偏振面都发生变化，因 此偏离原来的入射方向，到达第二个面的时间较多， 所经过的路程较长。O光和E光的这种路程之差称为 光程差。测出这种光程差的大小，就可计算玻璃的 内应力。
布儒斯特（Brewster）等研究得出，玻璃的双折射程度与玻 璃内应力强度成正比，即：
R=Bσd* 10-5
式中 R—光程差 B—布儒斯特常数（应力光学常数），布，1布=10-12Pa-1 σ—单向应力 ，Pa d—光在玻璃中的行程长度，cm
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2、光程差的测量原理
本实验采用补偿器测定法测量。
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意义：为了消除热不均匀所产生的热应力，在生产中绝大多数
玻璃制品都需作退火处理（少数薄壁的小件制品，有时省去退火工具）， 以期减少或消除玻璃中的内应力，提高制品的机械强度和热稳定性，减 少生产过程中的破损，提高产品质量。测定玻璃的退火温度上、下限， 可以合理地确定退火工艺制度，对生产控制有很大作用。