Caracterización de materiales de tipo cepa intermedia con correlación Digital de imágenes
Summary
Aquí presentamos una metodología para la caracterización dinámica de muestras de resistencia a la tracción en las tasas de tensión intermedio utilizando un marco de carga servo-hidráulico de alta velocidad. También se definen los procedimientos para la instrumentación de la galga de tensión y análisis, así como para medidas de tensión de correlación digital de imágenes en las muestras.
Abstract
La respuesta mecánica de un material bajo carga dinámica es típicamente diferente de su comportamiento en condiciones estáticas; por lo tanto, el equipo cuasiestático común y procedimientos utilizados para la caracterización de materiales no son aplicables para materiales bajo cargas dinámicas. La respuesta dinámica de un material depende de su velocidad de deformación y se categoriza ampliamente en alto (es decir, mayor que 200/s), intermedio (es decir, 10−200/s) y baja tensión tarifa regímenes (es decir, por debajo de 10/s). Cada uno de estos regímenes requiere instalaciones específicas y protocolos de pruebas asegurar la confiabilidad de los datos adquiridos. Debido al acceso limitado a instalaciones de servo-hidráulico de alta velocidad y protocolos de prueba validados, hay una brecha notable en los resultados en el grado de deformación intermedias. El manuscrito actual presenta un protocolo validado para la caracterización de diferentes materiales a estas tasas de esfuerzo intermedio. Galgas extensométricas instrumentación y protocolos de correlación digital de imágenes también están incluidos como módulos de conexión para extraer el máximo nivel de datos detallados de cada prueba individual. Ejemplos de datos en bruto, obtenida de una variedad de materiales y configuraciones de prueba (por ejemplo,, resistencia a la tracción y cizallamiento) se presenta y se describe el procedimiento de análisis utilizado para procesar los datos de salida. Finalmente, se discuten los retos de caracterización dinámica mediante el protocolo actual, junto con las limitaciones de las instalaciones y métodos de superación de problemas potenciales.
Introduction
Mayoría de los materiales demuestra algún grado de dependencia del tipo de cepa en su comportamiento mecánico1 y, por lo tanto, no es adecuado para determinar las propiedades del material para dinámica pruebas mecánicas realizadas sólo en las tasas de deformación cuasiestática aplicaciones. La dependencia del tipo de cepa de materiales típicamente se investiga utilizando cinco tipos de sistemas de prueba mecánicos: marcos de carga de disco tornillo convencional, sistemas servo-hidráulico, sistemas servo-hidráulico de alta velocidad, probadores de impacto y sistemas de barra Hopkinson 1. barras Hopkinson de fractura han sido una facilidad para la caracterización dinámica de materiales durante los últimos 50 años2. También ha habido esfuerzos para modificar barras Hopkinson para probar en las tasas de tensión intermedio e inferior. Sin embargo, estas instalaciones son típicamente más convenientes para las caracterizaciones de la tarifa de alta tensión del material (es decir, suele ser mayor que 200/s). Existe un vacío en la literatura en la caracterización de tipo de cepa de propiedades del material en las tasas de tensión intermedio en la gama de 10−200/s (es decir, entre deformación cuasiestática y alta tasa de split Hopkinson bares3), que es debido a el acceso limitado a servicios y la falta de procedimientos confiables de tensión intermediaria tasa prueba material.
Un marco de carga servo-hidráulico de alta velocidad aplica carga al espécimen a una velocidad constante y predefinido. Éstos cargan Marcos beneficio de un adaptador de flojos, que, en ensayos de tracción, permite la cruceta alcanzar la velocidad deseada antes de que la carga comience. El adaptador de holgura permite la cabeza viajar una cierta distancia (por ejemplo, 0,1 m) para llegar a la velocidad del blanco y luego comienza a aplicar la carga a la muestra. Marcos de carga servo-hidráulico alta velocidad típicamente realizan pruebas bajo modo de control de desplazamiento y mantienen una velocidad constante de actuador para producir constante ingeniería tensión tipos3.
Técnicas para la medición de elongación de la muestra se clasifican generalmente como contacto o sin contacto técnicas4. Técnicas de contacto incluyen el uso de instrumentos como extensómetros con clip, mientras que el extensómetro láser se emplea para mediciones sin contacto. Extensómetro de contacto es propenso a las influencias de la inercia, no son adecuados para ensayos dinámicos; Extensómetro sin contacto no sufre de este problema.
Correlación de imagen digital (CID) es una técnica de medición de tensión óptico, sin contacto, campo completo, que es una alternativa a la tensión de medición para medir tensión/carga y superar algunos de los retos (por ejemplo, el fenómeno llamado) asociados con caracterización de materiales dinámica5. Galgas extensométricas de resistencia pueden sufrir de limitaciones como un área limitada de la medida, una gama limitada de elongación y métodos de montaje limitada, mientras que CID es siempre capaz de proporcionar una medición de tensión de campo completo de la superficie del espécimen durante la experimento.
El procedimiento presentado describe el uso de un marco de carga servo-hidráulico alta velocidad junto con DIC y puede utilizarse como un documento complementario al desarrollado recientemente directrices estándar6 para aclarar los detalles del procedimiento experimental. La sección en el marco de carga servo-hidráulico puede seguirse para una variedad de configuraciones de prueba (p. ej., resistencia a la tracción, resistencia a la compresión y cortantes) y aun con carga cuasiestático común Marcos así y, por tanto, cubre una amplia gama de instalaciones. Además, la sección DIC se puede aplicar por separado a cualquier tipo de pruebas mecánicas o térmicas, con modificaciones menores.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los datos crudos obtenidos en el experimento está influenciados por la ubicación de geometría y galgas de espécimen en el espécimen. Los datos de la carga en pruebas dinámicas de baja tensión tarifa adquiridas por una lavadora de carga de piezo-eléctrico incorporaron en el marco de carga a tasas más altas de tensión (Bruce et al. 3 sugerido > 10/s, mientras que para Wang et al. 9 registrados este límite a 100/s) por lo general sufren oscilacione…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen la gran ayuda de Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse y Alex Naftel. También se aprecia el apoyo financiero por el Canadá de Consejo de investigación nacional (NRC) a través del programa de tecnología de materiales de seguridad (SMT).
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 |
Referenzen
- 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).
