Материал подготовила Ксения Бунатян, руководитель направления контрольного оборудования компании «Диполь»
kb@dipaul.ru
Муаровая интерферометрия — это высокоточный метод исследования деформаций конструкционных материалов. Он требует очень стабильных условий окружающей среды и применяется главным образом в лабораториях.
Методы муара — общее название методов измерения полного поля, в которых используется явление интерференции между решеткой, присутствующей в определенной форме на исследуемом образце, и эталонной решеткой, для увеличения поверхностных деформаций и построения карты рельефа отражающей сдвиг поверхности — муар-интерференционной картины, или интерферограммы. Для измерения относительно больших значений сдвига применяется механический метод муара, в котором применяется интерференция линейных решеток. Чувствительность этого метода достигает 25 мкм. В оптическом методе муара, или муаровой интерферометрии, дифракционная решетка освещается лазером, за счет чего чувствительность повышается до субмикрометрового уровня. Это позволяет измерять упругие деформации конструкционных материалов.
Муаровый узор показывает относительный сдвиг решеток в представлении полного поля. Это свойство делает его великолепным инструментом для исследования и количественного определения градиентов локальных деформаций. На практике решетка прикрепляется к поверхности исследуемого объекта. Она деформируется вместе с ним, а при наложении на нее недеформированной (эталонной) решетки появляется муаровый узор, позволяющий судить о природе и величине поля деформаций. Каждая муаровая полоса представляет собой линию постоянного сдвига в направлении, перпендикулярном направлению эталонной решетки (обратите внимание, что полосы на рис. 1, обусловленные поворотом, не содержат сдвиговой составляющей). Сдвиг U муаровой полосы определяется формулой:
U = N×p,
где N — номер полосы относительно известного нулевого сдвига, а p — шаг эталонной решетки, то есть расстояние между ее линиями.
Описанный выше эффект называют механическим муаром, при котором полосы образуются в результате физического наложения двух решеток. Явление механического муара ограничено периодом используемой решетки (величиной, обратной шагу). Максимальное значение периода для решеток этого типа составляет обычно около 40 линий/мм; выше этого предела преобладают дифракционные эффекты. Это означает, что при использовании решеток с периодом 40 линий/мм для возникновения одной муаровой полосы потребуется деформация величиной не менее 0,025 мм. Этого вполне достаточно при исследовании крупных деформаций, но для измерения малых упругих деформаций требуются гораздо более мелкие и чувствительные решетки. Оптический метод муара, более известный под названием муаровой интерферометрии, обеспечивает более высокую чувствительность за счет использования явлений интерференции и дифракции света.
На рис. 2 показан простой муаровый интерферометр, в котором образец с решеткой помещен в двухлучевую интерферометрическую систему. В результате дифракции входящие пучки света расщепляются решеткой на множество пучков, ориентированных в предпочтительных направлениях. Если решетка не деформирована, пучки дифрагированных световых волн –1 и +1 порядка оказываются перпендикулярными поверхности решетки и интерференции не возникает. Если образец деформирован, дифракционные пучки –1 и +1 порядка излучаются под разными углами и интерферируют друг с другом. В результате возникает муаровый узор, характеризующий плоскостной сдвиг. Расшифровывается этот узор аналогично механическому муару.
Примеры
Остаточные механические напряжения в сваренных встык пластинах из алюминиевого сплава
В данном примере муаровая интерферометрия применена для исследования структурной целостности деталей из алюминиевого сплава, соединенных методом сварки трением с перемешиванием. Дифракционная решетка наносилась на шлиф образца, охватывающий весь сварной шов и зону термического влияния в центре образца. При такой схеме усилие растяжения прикладывалось по нормали к линии сварного шва. На рис. 3c видно, что образец претерпевает пластическую деформацию, которая ограничена областью в окрестности зоны термического влияния, где в процессе сварки имело место интенсивное течение материала. Полученные сведения позволяют делать выводы о величине и распределении остаточных напряжений в области сварного шва.
Внеплоскостная сдвиговая деформация трещины типа I
Муаровая интерферометрия — очень эффективный метод определения высоких градиентов деформации. На рис. 4b показана интерференционная картина в окрестности вершины трещины. Здесь полосы представляют линии равного сдвига, очень напоминающие контуры на географических картах. При такой схеме каждая полоса соответствует разнице высот в 0,417 мм. Используя фазовые оптические методы, можно также определить значения сдвига между полосами. Таким образом, чувствительность к сдвигу возрастает до уровня выше 50 нм (рис. 4c).
