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.
![3.jpg 3.jpg](/upload/medialibrary/452/3.jpg)
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.
![4.jpg 4.jpg](/upload/medialibrary/174/4.jpg)
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.
![5.jpg 5.jpg](/upload/medialibrary/bed/5.jpg)
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).
![6.jpg 6.jpg](/upload/medialibrary/ed2/6.jpg)