Mellanliggande stam takt materialkarakterisering med Digital bild korrelation
Summary
Här presenterar vi en metod för dynamisk karakterisering av draghållfasthet exemplar på mellanliggande töjningshastigheter använder en höghastighets servohydrauliska belastning ram. Förfaranden för töjningsmätaren instrumentering och analys samt för digital bild korrelation stam mätningar på exemplar, definieras också.
Abstract
Ett material under dynamisk belastning mekaniska svar är oftast annorlunda än dess beteende under statiska förhållanden; Därför, den gemensamma kvasistatiska utrustning och förfaranden som används för materialkarakterisering är inte tillämpliga för material under dynamisk belastning. Det dynamiska svaret i ett material beror på dess deformation och är i stora drag kategoriseras i hög (dvs. större än 200/s), mellanliggande (dvs. 10−200/s) och låg stam Betygsätt regimer (dvs. under 10/s). Var och en av dessa regimer efterlyser särskilda faciliteter och testprotokoll att säkerställa tillförlitligheten i de förvärvade data. På grund av begränsad tillgång till höghastighets servohydrauliska faciliteter och validerade testprotokoll finns det en märkbar lucka i resultaten i mellanliggande stam takt. Det nuvarande manuskriptet presenterar ett validerat protokoll för karakterisering av olika material vid dessa mellanliggande töjningshastigheter. Anstränga mätinstrumentet instrumentering och digital bild korrelation protokoll ingår också som avgiftsfritt moduler till extraktet den yttersta nivån av detaljerade data från varje enskild test. Exempel på rådata, erhålls från en mängd olika material och testa inställningar (t.ex., draghållfasthet och skjuvhållfasthet) presenteras och analysförfarandet används för att bearbeta utdata beskrivs. Slutligen diskuteras utmaningarna som dynamiska karakterisering med hjälp av det nuvarande protokollet, tillsammans med begränsningarna av anläggningen och metoder för att övervinna potentiella problem.
Introduction
De flesta material demonstrera en viss stam takt beroende på deras mekaniska beteende1 och, därför, mekanisk provning utförs endast vid kvasistatiska töjningshastigheter inte är lämplig att bestämma de materiella egenskaperna för dynamiska applikationer. Stam takt beroende av material undersöks vanligen med fem typer av mekaniska tester system: konventionella skruv köra load ramar, servo-hydrauliska system, hög ränta servohydrauliska system, inverkan testare och Hopkinson bar system 1. Split Hopkinson barer har varit en gemensam anläggning för dynamisk karakterisering av material för senaste 50 åren2. Det har också förekommit ansträngningar att ändra Hopkinson barer att testa vid mellanliggande och lägre töjningshastigheter. Dessa anordningar är dock vanligen mer lämpade för de hög stam takt karakteriseringar av materialet (dvs oftast större än 200/s). Det finns en lucka i litteraturen om stam takt karakterisering av materialegenskaper vid mellanliggande töjningshastigheter i spänna av 10−200/s (dvs. mellan kvasistatiska och hög stam takt resultat Hopkinson erhållits från split och barer3), vilket beror på att begränsad tillgång till faciliteter och brist på tillförlitliga förfaranden av mellanliggande stam takt materiellt testa.
En höghastighets servohydrauliska belastning ram gäller belastning provexemplaret i en konstant och fördefinierade hastighet. Dessa laddar ramar förmån från en slak adapter, som, i dragprov, tillåter krysspårskruvar att nå den önska hastigheten innan inläsningen startar. Slack adaptern tillåter huvudet att resa ett visst avstånd (t.ex. 0,1 m) för att nå målet hastigheten och sedan börjar tillämpa belastningen på preparatet. Höghastighetståg servohydrauliska belastning ramar vanligtvis utföra tester enligt deplacement styrsätt och upprätthålla en konstant ställdonets hastighet för att producera konstant engineering stam priser3.
Tekniker för att mäta preparatet töjning är i allmänhet klassificeras som antingen kontakt eller beröringsfri teknik4. Kontakta tekniker inkluderar användning av instrument såsom clip-on extensometrar, medan laser extensometrar är anställda för beröringsfri mätning. Eftersom kontakt extensometrar är benägna att tröghet influenser, är de inte lämpade för dynamiska tester; beröringsfri extensometrar lider inte av detta problem.
Digital bild korrelation (DIC) är en optisk, icke-kontakt, full-fältet stam mätmetod, som är en alternativ strategi för stam mätning för att mäta stam/belastning och övervinna några av utmaningarna (t.ex. ringsignaler fenomenet) associerade med dynamiska Materialkarakteriseringen5. Motstånd töjningsgivare kan lida av begränsningar såsom ett begränsat område av mätning, ett begränsat utbud av töjning och begränsad montering metoder, DIC är alltid kan ge en full-fältstammar mätning från preparatytan under den experimentera.
Presenterade förfarandet beskrivs användningen av en höghastighets servohydrauliska belastning ram tillsammans med DIC och kan användas som ett kompletterande dokument till den nyligen utvecklade standardriktlinjer6 att klargöra detaljerna i det experimentella förfarandet. Avsnittet om ramen servohydrauliska belastning kan följas för en mängd olika test uppställningar (t.ex., drag, tryckkraft, och skjuvhållfasthet) och även med vanliga kvasistatiska belastning ramar också, och, därför, täcker ett stort utbud av faciliteter. Vidare kan avsnittet DIC tillämpas separat till någon typ av mekanisk eller termisk tester, med smärre ändringar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Raw data från experimentet är influerad av preparatet geometri och töjningsgivare platsen på preparatet. Load data i låg stam takt dynamiska tester förvärvas av en piezo-elektriska belastning bricka införlivas ramen belastning på stam högre (Bruce et al. 3 föreslagna > 10/s, medan för Wang et al. 9 rapporterade denna gräns vara 100/s) vanligtvis lider stor amplitud svängningar på grund av dynamiska vågor är associerad med lastning. Som vis…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner den stor hjälpen från Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse och Alex Naftel. Ekonomiskt stöd av National Research Council Kanada (NRC) genom programmet säkerhet material Technology (SMT) uppskattas också.
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).
