玻璃应力测试

实验4 玻璃内应力测定

1 目的意义

1.1 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。在玻璃成型过

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，影响制品的安全使用，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其重要。

1.2 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。

2 基本原理

2.1 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，光速与其传播方向和光波的偏振面无关，不会发生双折射现象。但是，由于外部的机械作

用或者玻璃成型后从软化点以上的不均匀冷却，或者玻璃与玻璃封接处由于膨胀失配而使玻璃具有

残余应力时，各向同性的玻璃在光学上就成为各向异性体，单色光通过玻璃时就会分离为两束光，

如图4-1所示。O光在玻璃内的光速及其传播方向、光波的偏振面都不变，所以仍沿原来的入射方

向前进，到达第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，到达第二个表面时所需的时间较多，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=Bσ (4-1) 式中R—光程差，nm；B—布儒斯特常数(应力光学常数)，布，1布=10-12Pa；σ—单向应力，Pa。

无应力玻璃有应力玻璃

图4-1 光线通过有应力玻璃时的双折射现象

2.2 光程差的测量原理

光程差的测量方法有偏光仪观测法、干涉色法和补偿器测定法等几种。第一种方法可以粗略地

估计光程差的大小，不便于定量测定。第二种能进行定量测定，但精度不高。只有第三种能进行比

较精密的测量，本实验采用这种方法。

补偿器测定法的基本原理如图4-2所示。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。若在光路中放人有应力的玻璃试样3时，该偏振光通过玻璃后被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波片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口角的旋转。因此，在视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"，就可计算玻璃的

光程差。

图4-2 补偿器测定法原理

1一光源；2一起偏镜；3一有应力的玻璃试样；4—1／4波片；5一检偏镜；6一眼睛

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 (4-2)

式中R—玻璃的光程差，nm·cm-1；λ—照射光源的波长，nm；π—弧度，π=180°。当以日光灯为

光源时，λ=540(nm)，则

R=3θ (4-3) 在精密测定时，以钠光灯为光源，λ=589.3(nm)，则

R=3.27θ (4-4)

通常，用单位长度.的光程差来表示玻璃的内应力：

δ=R／d (4-5)

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。

将以上结果代入布儒斯特公式，就可得玻璃内应力计算公式，即：

σ=δ／Bd (4-6)

对于普通工业玻璃，B=2.55×10-12Pa。这样，就可由上式计算出玻璃的内应力值。

3 实验器材

① 双折射仪一台。测定玻璃内应力最广泛的方法是采用偏光仪、即双折射仪来测定光程差。仪

器由镇流器箱、光源及起偏片、载物台、检偏振片和目镜等组成。如图4-3所示。

② 玻璃试体若干(10～20)mm×(100～120)mm

长方条玻璃。

图4-3偏光仪测定玻璃内应力的装置图

1—镇流器；2一光源；3一起偏振片；4—试样；5一载物台；

6—1／4波长片；7—1／4波长度盘；8一检偏振片度盘；9一检偏振片

4 测定步骤

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波长片也放在“O”位。

② 将具有内应力的玻璃试样放人载物台，(若

端面粗糙需抛光或浸在汽油或煤油里)，其

定位应使偏振光束垂直通过试体的端面(片

状试体)。

③ 观察检偏器的视场，可以看到片状试体端面

有两条平行的黑线，如图4-4(a)，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小小间隙，然后接触，使两条黑线集合成一条棕褐色的线[见图4-4(b)]，即由应力产生的双折射已被检偏镜补偿。记下旋转的角度φ。

④ 应力测定的原始数据可按实验报告中表4-1的方式进行记录。单位长度的光程差可按下式计

算：

δ=3(φ-φ0)/d (4-7)

式中：(φ-φ0)—在引人玻璃试样前后检偏镜的旋转角度之差，nm；d—光通过试体内的行程长度(即试体的宽度，一般测其三点，取平均值)，cm。根据光程差，按(4-6)式计算试体中心的最大残余应力值。

5 思考题

(a)分离应力线 (b)集合应力线