Оптические голографические приборы - Морозов А.М.
ISBN 5-217-00074-0
Скачать (прямая ссылка):
В общем случае система пленка-подложка находится в изогнутом состоянии. Продолжая аналогию с пружиной, можно представить себе, что пленка ведет себя как сжатая, а подложка как растянутые пружины, закрепленные параллельно друг другу между двумя стенками. В свободном состоянии пленка в этой системе стремится распрямиться, а подложка наоборот сжаться, чтобы высвободить запасенную упругую энергию. Но этому мешают стенки, на которые со стороны пружин действуют сжимающие и растягивающие усилия, т. е. возникает изгибающий момент, способный повернуть стенки на некоторый угол. Такие моменты сил приводят к значительному изгибу пластин с нанесенной пленкой. Если, например, пленку каким-либо способом снять с подложки (в нашей модели это означает разрезать одну из пружин), то, как мы видим, исчезнет изгибающий момент, действовавший ранее на систему пленка-подложка, и ставшая свободной от усилий оставшаяся часть выпрямится. Из приведенных рассуждений следует два важных 114 вывода, на основе которых базируются так называемые механические методы определения остаточных напряжений:
в исходном состоянии остаточные напряжения в системе пленка-подложка самоуравновешены, т. е. суммы всех внутренних сил и внутренних моментов соответственно равны нулю; это является условием равновесия системы;
при удалении слоя пленки происходит упругая деформация подложки в результате нарушения условий равновесия.
В механических методах используют образцы прямоугольной или круглой формы. Измеряется деформация подложки после снятия покрытия и затем проводится расчет остаточных напряжений.
Рассмотрим прямоугольную пластинку системы пленка-подложка (толщина пленки й, толщина подложки //, длина /)". Образец жестко закреплен с одного края в виде консоли. При выводе расчетной формулы предполагается, что остаточные напряжения Gr одинаковы во всех точках покрытия. Удаление покрытия приводит к деформации образца под действием изгибающего момента M=EH2/ (12R), где E — модуль упругости материала подложки, R — радиус кривизны пластины до изгиба. Измерив максимальный прогиб консоли / можно вычислить радиус кривизны: R=I2/2f. С другой стороны изгибающий момент М* связан с остаточными напряжениями формулой M*= 1/2 • ог* ИН. Приравнивая M к М* как эквивалентные нагрузки получим выражение для расчета остаточных напряжений:
EH2 1
Or=--
6 HR
или
EH
2
Or--- f
I ~ .9 . / .
3 Vh
4
Анализ полученных расчетных формул показывает, что для определения остаточных напряжений необходимо измерить либо радиус кривизны пластины R, либо ее максимальный прогиб /.
Для этих целей можно использовать различные методы измерения: оптические, индуктивные, емкостные и т. д. Метод голографической интерферометрии обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами. Например, чувствительность к напряжениям составляет 0,005 МПа — для голографической интерферометрии и 2,5 МПа — для оптических методов. Кроме того, большая информационная емкость и наглядность получаемых результатов позволяют проводить более достоверные измерения.
Для регистрации прогибов консольной пластины используют оптическую схему Лейта, а в случае с малыми размерами объектов удобно применять голографическую интерферометрию сфокусированных изображений (см. гл. I, § 2).
Контроль остаточных напряжений в однослойном покрытии. Рассмотрим метод определения остаточных напряжений на примере оптической схемы получения голограмм сфокусированных изображений. Фотообъектив, помещенный между фотопластинкой и образцом, фокусирует изображение поверхности объекта на плоскость фотопластинки. Причем их плоскости должны быть параллельны. В этом случае достигается наибольшая чувствительность к нормальной компоненте вектора перемещения (т. е. к прогибу образца /). Существенным преимуществом голограмм сфокусированных изображений является возможность получения увеличенного изображения объекта, а следовательно и большего оптического разрешения интерференционных полос. Кроме того, при восстановлении интерферо-грамм можно пользоваться источником естественного света.
В методе двухэкспозиционной голографической интерферометрии для регистрации деформации подложек во время первой экспозиции на фотопластинке фиксируется исходное состояние их поверхности с той стороны, где нет пленки. После удаления пленки, например с помощью химического травления, производится временная выдержка для установления термодинамического равновесия и осуществляется вторая экспозиция той же поверхности подложки. В результате, при восстановлении интерферограммы наблюдается интерференционная картина, которая характеризует прогиб образца W(x) в зависимости от координаты X N-Pi темной полосы:
W(X)=^L- х
1+COSU
где X — координата N-й полосы
N — номер N-Pi темной полосы, считая от основания
консольного закрепления; X — длина волны источника излучения;
16 (X — угол между нормалью к поверхности образца и направлением освещения.
Расчет остаточных напряжений проводится по формуле
EH2 W(X)
Or=- . -
