Справочник технолога-оптика - Окатов М.А.
ISBN 5-7325-0236-Х
Скачать (прямая ссылка):
45
1.17. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
1.17.1. ПРОЧНОСТЬ
Прочностью называют способность материала сопротивляться разрушающим нагрузкам. Количественно прочность определяется значением предельных механических напряжений, приводящих к разрушению материала.
Характерное для оптических материалов хрупкое разрушение происходит при значениях прочности а = (1 + 100) 107 Н/м2, что значительно меньше теоретических значений прочности твердых тел, рассчитанных по прочности межатомных связей а ~ ОДЕ =
Для хрупких оптических материалов наибольший интерес представляет их стойкость к растягивающим напряжениям, однако из-за сложности изготовления образцов гантельного типа для испытаний на разрыв наибольшее распространение приобрели испытания на изгиб.
Для оптических материалов применяют в основном два метода измерения прочности при поперечном изгибе: центрально-кольцевой изгиб (ЦКИ) и четырехточечный изгиб.
При центрально-кольцевом изгибе материал в виде круглой пластины свободно опирается на круглую опору и разрушается с помощью кольцевого пуансона меньшего диаметра, к которому с постоянной скоростью прикладывается нагрузка.
Прочность рассчитывают по формуле
где Р —• нагрузка на пуансон в момент разрушения; h — толщина пластины; v — коэффициент Пуассона; а, г0 — радиусы кольцевой опоры и пуансона; b — радиус образца.
Чтобы исключить влияние дефектных краев на прочность, предусмотрено, чтобы края образца выступали за контур опоры с каждой стороны на величину, не менее чем в шесть раз превышающую толщину образца, поэтому можно сказать, что измерения по методу ЦКИ характеризуют прочность поверхности. ЦКИ широко применяют для стекол и поликристаллов. В монокристаллах, отличающихся анизотропией механических свойств, этот метод дает некоторое приближенное значение разрушающих напряжений, «усредненных» по различным кристаллографическим направлениям в плоскости образца.
При четырехточечном («чистом») изгибе, образец квадратного или прямоугольного сечения укладывают на опоры и нагружают
= (0,4 -г- 0,5) Ю10 Н/м2.
+ (1 + v) In — , ПЭ
46
двумя перерезывающими силами. Под пуансоном создается область равномерных напряжений. Благодаря этому значения разрушающих напряжений, рассчитанные по формуле а = 3Pa/(bh?), получаются близкими к истинным (b — ширина; h — высота; а — расстояние от неподвижной опоры до точки приложения перерезывающей силы). В этом методе заметное влияние оказывают дефекты краев образца.
При температурах, существенно меньших температуры размягчения, разрушение стекла происходит без пластической деформации при полном соблюдении закона Гука. Прочность стекла зависит от состава стекла, состояния поверхности (качества полирования), наличия дефектов на поверхности (царапин, трещин, заколов) и в объеме (свилей, пузырей), а также от условий испытаний (температуры, скорости нагружения, размера образцов, окружающей среды) и от самого метода измерения.
Как следует из табл. 1.26-1.27, прочность полированных по стандартной технологии стекол различных марок составляет: силикатных — 90-160 МН/м2, кварцевых — 80-110 МН/м2, халькогенид-ных — 20-25 МН/м2, ситаллов — 150-200 МН/м2 (1 кг/мм2 = = 9,81 • 106 Н/м2 = 9,81 • 106 Па).
Прочность стекла увеличивает наличие следующих оксидов: Si02, А1203, В203, MgO, ВаО, ТЮ2, а понижает — наличие щелочных оксидов и РЬО.
Прочность стекла кг/мм2 можно ориентировочно рассчитать по формулам аддитивности:
прочность на растяжение — = f±P± + ... + fnPn\
прочность на сжатие — а2 = F1P1 + ... +FnPn, где fi и — расчетные коэффициенты (табл. 1.28); Рг — содержание оксида в стекле, %.
Возможность резкого снижения разрушающих напряжений за счет микротрещин делает особо уязвимой поверхность образца, где помимо микротрещин Гриффитса возникает множество трещин, связанных с механической обработкой поверхности различными абразивами и появлением царапин уже после обработки. Концентрация опасных микротрещин на поверхности образца увеличивается при грубой обработке (шлифовании) и уменьшается при полировании. Поэтому прочность полированных образцов почти вдвое выше прочности шлифованных (табл. 1.29, 1.30). В то же время полированные стекла имеют больший разброс значений прочности, характеризующийся коэффициентом вариации значений предела прочности V, % (см. табл. 1.30). Прочность образцов зависит и от состояния краев (особенно при резке алмазом). Прочность выше в тех случаях, когда поврежденная поверхность подвергается при изгибе не растяжению, а сжатию (табл. 1.31). Если же проводить испытания по методу ЦКИ (где исключается влияние дефектного края), то полученные результаты (табл. 1.32) сопоставимы с результатами, полученными при сжатии (см. табл. 1.31).
47
Таблица 1.26.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКОЛ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК
Марка стекла Е- 10 \ Н/м2 G- 10 7, Н/м2 «с ГПа V г/см3 с, ГПа в ю12, м2/Н Фотоупругая постоянная С ¦ 1013, м2/Н (А = 550 нм)
-с, -с2
Легкий крон (ЛК)
ЛК1 4012 1615 0,71 - 0,242 2,33 - 3,01 23,5 56,1
лкз 6317 2572 0,85 - 0,228 2,46 - 2,86 11,2 41,8
