אפיון חומרים קצב למתח ביניים עם המתאם תמונה דיגיטלי
Summary
כאן אנו מציגים מתודולוגיה אפיון דגימות מתיחה דינמית במחירים למתח ביניים באמצעות מסגרת עומס הידראולי-servo במהירות גבוהה. נהלים זן מד מכשור וניתוח, כמו גם עבור תמונות דיגיטליות מתאם המתח המידות דגימות, גם מוגדרים.
Abstract
התגובה מכני של חומר תחת עומס דינמי היא בדרך כלל שונה ההתנהגות שלה בתנאים סטטי; לכן, הציוד quasistatic ואת הנהלים המשמש אפיון חומרים אינם ישימים עבור חומרים תחת עומסים דינאמיים. התגובה דינמי של חומר תלוי קצב דפורמציה שלה, היא מחולקת באופן כללי גבוה (קרי, גדול מ- 200/s), בינוני (קרי, 10−200/s), מתח נמוך דרג משטרים (קרי, להלן 10/s). כל שיחות משטרים כאלה עבור מתקנים ספציפיים והפרוטוקולים בדיקות להבטיח את המהימנות של הנתונים נרכשים. בשל גישה מוגבלת פרוטוקולי בדיקה המאומת ומתקני סרוו-הידראולי במהירות גבוהה, יש פער בולט בתוצאות בקצב למתח ביניים. כתב היד הנוכחי מציג פרוטוקול המאומת על אפיון חומרים שונים במחירים האלה למתח ביניים. מד מתח מכשור ופרוטוקולים המתאם תמונה דיגיטלי כלולים גם כמו מודולים ללא תשלום כדי לחלץ את הרמה עליונה של נתונים מפורטים של כל בדיקה בודדת. דוגמאות של נתונים גולמיים, המתקבל מגוון רחב של חומרים והתקנות הבדיקה (למשל, מתיחה והטיה של) מוצג מתואר ההליך ניתוח ישמש לעיבוד נתוני הפלט. לבסוף, נדונים האתגרים של אפיון דינאמיים באמצעות פרוטוקול הנוכחי, יחד עם המגבלות של המתקן ודרכי התגברות על בעיות פוטנציאליות.
Introduction
לרוב החומרים להפגין מידה מסוימת של זן שיעור התלות שלהם התנהגות מכני1 ו, לכן, בדיקות מכניות שנערך רק במחירים זן quasistatic אינה מתאימה לקבוע את מאפייניו גשמי דינאמי יישומים. התלות של קצב זן של חומרים ייחקר בדרך כלל באמצעות חמישה סוגים של מערכות בדיקה מכאנית: קונבנציונאלי בורג נסיעה עומס מסגרות, מערכות סרוו-הידראולי, מערכות סרוו-הידראולי ברמה גבוהה, ההשפעה בודקי ומערכות בר Hopkinson 1. פיצול Hopkinson ברים היה מתקן נפוצות עבור אפיון חומרים עבור העבר דינמי 50 שנה2. היו גם המאמץ המושקע Hopkinson ברים לבחון במחירים למתח ביניים ותחתון. עם זאת, מתקנים אלה הם בדרך כלל יותר מתאים אפיוני קצב למתח גבוה של החומר (קרי, בדרך כלל גדול מ- 200/s). יש פער הספרות על קצב זן אפיון תכונות החומר במחירים למתח ביניים בטווח של 10−200/s (קרי, בין זן quasistatic וגבוה קצב תוצאות המתקבל פיצול Hopkinson ברים3), שבו הוא אמור גישה מוגבלת מתקנים וחוסר הליכים אמין למתח ביניים קצב הבדיקות גשמי.
מסגרת עומס הידראולי-servo במהירות גבוהה חל עומס הדגימה במהירות קבועה ומוגדרות מראש. אלה לטעון לטובת מסגרות של מתאם מרווח, בדיקות מתיחה, מאפשר גלגל נוהג להגיע המהירות הרצויה לפני מתחיל ההעמסה. מתאם מרווח מאפשר בראש לנסוע מרחק מסויים (למשל, 0.1 m) כדי להגיע את מהירות יעד ולאחר מכן מפעיל החלה את העומס על הדגימה. מסגרות עומס הידראולי-servo במהירות גבוהה בדרך כלל לבצע בדיקות תחת הזחה לשלוט במצב ולתחזק מהירות קבועה למפעיל לייצר קבוע הנדסה זן המחירים3.
שיטות למדידת הדגימה התארכות מסווגים בדרך כלל קשר או טכניקות אסטמה של4. טכניקות ליצירת קשר כוללים שימוש בכלים כגון extensometers על הבגד, בעוד extensometers לייזר מועסקים למדידות ללא מגע. מאז extensometers קשר נוטים השפעות אינרציה, הם אינם מתאימים עבור ניסוים דינמיים; אסטמה של extensometers אינם סובלים מהבעיה.
תמונה דיגיטלית מתאם (DIC) הוא שיטת מדידה אופטי, ללא מגע, שדה מלא מתח, אשר היא גישה חלופית המתח מודד למדוד את המתח/לטעון ולהתגבר על כמה מן האתגרים (למשל, תופעת מצלצל) הקשורים עם אפיון חומרים דינמי5. מאבחנים המתח התנגדות עלולים לסבול ממגבלות כגון אזור מוגבל של מדידה, מגוון מוגבל של התארכות, שיטות הרכבה מוגבל, ואילו DIC הוא תמיד מסוגל לספק מידה מלא-שדה זן מהמשטח הדגימה במהלך הניסוי.
ההליך הציג המתאר את השימוש מסגרת עומס הידראולי-servo במהירות גבוהה יחד עם DIC והוא יכול לשמש כמסמך משלימים פיתחה לאחרונה הנחיות תקן6 כדי להבהיר את פרטי ההליך ניסיוני. המקטע על המסגרת עומס סרוו-הידראולי ניתן בעקבות למגוון רחב של מבחן setups (למשל, מתיחה, compressive, והטיה של), אפילו עם עומס quasistatic נפוצות מסגרות גם כן, ולכן מכסה מגוון רחב של מתקנים. יתר על כן, בסעיף DIC ניתן להחיל בנפרד לכל סוג של בדיקות מכניות או תרמית, עם שינויים מזעריים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הנתונים הגולמיים המתקבל מהניסוי מושפעת הדגימה גאומטריה ו מאבחנים המתח על המיקום הדגימה. הנתונים העומס למתח נמוך קצב ניסוים דינמיים שרכשה דסקית עומס חשמלי piezo שולבו המסגרת עומס במחירים למתח גבוה יותר (ברוס et al. 3 המוצע > 10/s, בעוד שלגבי וואנג ואח. 9 דיווחה על…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים להכיר את הסיוע הגדול Dmitrii Klishch, מישל Delannoy, טיילר Musclow, קירבי פרייזר, יהושע אילזה, אלכס Naftel. תמיכה כספית מאת נבחרת מחקר המועצה קנדה (NRC) דרך התוכנית טכנולוגיה חומרים אבטחה (SMT) מוערך בנוסף.
Materials
| Camera Lens | Opto Engineering | Telecentric lens 23-64 | |
| High Speed Camera | SAX Photron Fastcam | ||
| High Speed DAQ | National Instruments | USB-6259 | |
| High Speed Servo-Hydraulic Load Frame | MTS Systems Corporation | Custom Built | |
| Jab Bullet Light with diffuser | AADyn JAB BULLET | 15° diffusers | |
| Strain gauge | Micro-Measurements | Model EA-13-062AQ-350 |
References
- Xiao, X. Dynamic tensile testing of plastic materials. Polymer Testing. 27 (2), 164-178 (2008).
- Nemat-Nasser, S., Isaacs, J. B., Starrett, J. E. Hopkinson techniques for dynamic recovery experiments. Proceedings of Royal Society of London A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 435 (1894), 371-391 (1991).
- Bruce, D., Matlock, D., Speer, J., De, A. Assessment of the strain-rate dependent tensile properties of automotive sheet steels. SAE World Congress. , (2004).
- Rahmat, M. Dynamic mechanical characterization of aluminum: analysis of strain-rate-dependent behavior. Mechanics Time-Dependent Materials. , (2018).
- Gray, G., Blumenthal, W. R. . Split-Hopkinson pressure bar testing of soft materials. 8, 1093-1114 (2000).
- . . ISO 26203-2:2011; Metallic materials-Tensile testing at high strain rates-Part 2: Servo-hydraulic and other test systems. , 15 (2011).
- Rahmat, M., Naftel, A., Ashrafi, B., Jakubinek, M. B., Martinez-Rubi, Y., Simard, B. Dynamic Mechanical Characterization of Boron Nitride Nanotube – Epoxy Nanocomposites. Polymer Composites. , (2018).
- . SAE, High strain rate testing of polymers. SAE International. , 27 (2008).
- Wang, Y., Xu, H., Erdman, D. L., Starbuck, M. J., Simunovic, S. Characterization of high-strain rate mechanical behavior of AZ31 magnesium alloy using 3D digital image correlation. Advanced Engineering Materials. 13 (10), 943-948 (2011).
- Mansilla, R. A., García, D., Negro, A. Dynamic tensile testing for determining the stress-strain curve at different strain rate. 6th International Conference on Mechanical and Physical Behaviour of Materials Under Dynamic Loading. 10 (9), 695-700 (2000).
- Zhu, D., Mobasher, B., Rajan, S. D., Peralta, P. Characterization of Dynamic Tensile Testing Using Aluminum Alloy 6061-T6 at Intermediate Strain Rates. Journal of Engineering Mechanics. 137 (10), 669-679 (2011).
- Schossig, M., Bieroegel, C., Grellmann, W., Bardenheier, R., Mecklenburg, T. Effect of strain rate on mechanical properties of reinforced polyolefins. 16th European Conference of Fracture. , 507-508 (2006).
- Xia, Y., Zhu, J., Wang, K., Zhou, Q. Design and verification of a strain gauge-based load sensor for medium-speed dynamic tests with a hydraulic test machine. International Journal of Impact Engineering. 88, 139-152 (2016).
- Yang, X., Hector, L. G., Wang, J. A Combined Theoretical/Experimental Approach for Reducing Ringing Artifacts in Low Dynamic Testing with Servo-hydraulic Load Frames. Experimental Mechanics. 54 (5), 775-789 (2014).
- Xia, Y., Zhu, J., Zhou, Q. Verification of a multiple-machine program for material testing from quasi-static to high strain-rate. International Journal of Impact Engineering. 86, 284-294 (2015).
- Yan, B., Kuriyama, Y., Uenishi, A., Cornette, D., Borsutzki, M., Wong, C. Recommended Practice for Dynamic Testing for Sheet Steels – Development and Round Robin Tests. SAE International. , (2006).
- Borsutzki, M., Cornette, D., Kuriyama, Y., Uenishi, A., Yan, B., Opbroek, E. Recommendations for Dynamic Tensile Testing of Sheet Steels. International Iron and Steel Institute. , (2005).
- Rusinek, A., Cheriguene, R., Bäumer, A., Klepaczko, J. R., Larour, P. Dynamic behaviour of high-strength sheet steel in dynamic tension: Experimental and numerical analyses. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 43 (1), 37-53 (2008).
- Diot, S., Guines, D., Gavrus, A., Ragneau, E. Two-step procedure for identification of metal behavior from dynamic compression tests. International Journal of Impact Engineering. 34 (7), 1163-1184 (2007).
- LeBlanc, M. M., Lassila, D. H. A hybrid Technique for compression testing at intermediate strain rates. Experimental Techniques. 20 (5), 21-24 (1996).
- Xiao, X. Analysis of dynamic tensile testing. 11th International Congress and Exhibition on Experimental and Applied Mechanics. , (2008).
- Othman, R., Guégan, P., Challita, G., Pasco, F., LeBreton, D. A modified servo-hydraulic machine for testing at intermediate strain rates. International Journal of Impact Engineering. 36 (3), 460-467 (2009).
- Kwon, J. B., Huh, H., Ahn, C. N. An improved technique for reducing the load ringing phenomenon in tensile tests at high strain rates. Annual Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics. Costa Mesa, United States. , (2016).
- Pan, W., Schmidt, R. Strain rate effect in material testing of bulk adhesive. 9th International Conference on Structures Under Shock and Impact. 87, 107-116 (2006).
- Zhang, D. N., Shangguan, Q. Q., Xie, C. J., Liu, F. A modified Johnson-Cook model of dynamic tensile behaviors for 7075-T6 aluminum alloy. Journal of Alloys and Compounds. 619, 186-194 (2015).
- Fitoussi, J., Meraghni, F., Jendli, Z., Hug, G., Baptiste, D. Experimental methodology for high strain-rates tensile behaviour analysis of polymer matrix composites. Composites Science and Technology. 65 (14), 2174-2188 (2005).
