منهج في دراسة الاعتماد درجة الحرارة من ديناميك الكسر والتفتيت
Summary
Fracture and fragmentation are late stage phenomena in dynamic loading scenarios and are typically studied using explosives. We present a technique for driving expansion using a gas gun which uniquely enables control of both loading rate and sample temperature.
Abstract
كسر الديناميكي للهيئة هو ظاهرة في مرحلة متأخرة درس عادة في ظل ظروف المبسطة، التي مشوها عينة تحت الضغط موحد ومعدل الضغط. يمكن أن تنتج هذه عن طريق تحميل بالتساوي على السطح الداخلي للاسطوانة. بسبب التماثل المحوري، مع توسع اسطوانة يتم وضع جدار إلى إجهاد الشد طارة يكون موحدا حول محيط. في حين أن هناك تقنيات مختلفة لتوليد هذا التوسع مثل المتفجرات، محرك الكهرومغناطيسي، وتقنيات مدفع الغاز الموجودة أنهم جميعا محدودة في حقيقة أن العينة اسطوانة يجب أن يكون في درجة حرارة الغرفة. نقدم طريقة جديدة باستخدام بندقية الغاز التي تسهل تجارب على اسطوانات من 150 إلى 800 K K مع ثابت والتحميل للتكرار. وتستخدم هذه التجارب تشخيص للغاية لدراسة تأثير درجة الحرارة على آليات كسر المسؤولة عن الفشل، وما ينجم عن ذلك من تأثير على إحصاءات التجزئة. وتوظف الهندسة التجريبية لالقوس القوطي الصلب يقع داخل الاسطوانة الهدف، مع غيض تقع في منتصف المسافة تقريبا في. ثم يتم استخدام واحد مدفع الغاز ضوء المرحلة لإطلاق قذيفة البولي في الاسطوانة في 1000 م / ثانية -1. آثار قذيفة وتدفقات حول القوس القوطي جامدة، والقيادة الاسطوانة عينة من الداخل. استخدام إدراج القوس القوطي غير تشويه، يسمح لنا لتثبيت أجهزة التحكم في درجة الحرارة داخل الجزء الخلفي من الاسطوانة. ويستخدم النيتروجين السائل (LN 2) لتبريد وحمولة الحالية المرتفعة مقاوم للتدفئة. قنوات متعددة من upshifted الفوتون دوبلر velocimetry (PDV) تتبع سرعة التوسع على طول اسطوانة تمكين المقارنة المباشرة للالمحاكاة الحاسوبية، في حين يستخدم التصوير عالي السرعة لقياس الضغط عليها بالفشل. شظايا اسطوانة تعافى تخضع لالمجهر الضوئي والإلكترون للتأكد من آلية فشل أيضا.
Introduction
فشل الديناميكي للمادة هو جانب هام من جوانب سلوكها الميكانيكية الشامل، وله أهمية في العديد من الصناعات بما في ذلك السيارات والطائرات والجيش على سبيل المثال لا الحصر. في حين فشل في انخفاض الضغط في أسعار عادة ما درست من خلال اختبارات التوتر التقليدية، حيث يتم تحميل عينة رقيقة طويلة في التوتر من الطرفين، وبأسعار سلالة عالية يتطلب مثل هذه الهندسة / تكوين عينة لتكون صغيرة للغاية من أجل الحفاظ على شبه الميكانيكية التوازن طوال فترة الاختبار. في ظهور صدع واحد، وسوف تكون مريحة المواد المحيطة بها، وإلقاء القبض على نحو فعال في تطوير أي مواقع فشل المجاورة. وهذا يحد من عدد من الكسور التي يمكن ملاحظتها في وقت واحد في أي تجربة واحدة، ويمنع معلومات هامة بشأن إحصاءات الفشل يحدد لاحقا.
اختبار اسطوانة توسيع هي تقنية راسخة لوصف الطريقة التي الماديهليرة سورية تفشل وجزء تحت عال سرعة التحميل. في الاختبار، اسطوانة مصنوعة من مادة الفائدة يتم تحميل بشكل موحد على طول محيطها الداخلي، وإطلاق موجة التوتر من خلال الجدار والتسبب في اسطوانة للتوسع. قريبا هذه الموجة شعاعي تبدد وإجهاد الشد طارة موحد حول محيط يهيمن. كما أن معدل الضغط العصبي والتوتر هو نفسه في جميع أنحاء اسطوانة يحكم سلوك كسر والتفتت فقط من خصائص مادة. اختبار يخفف المشكلة المذكورة أعلاه كما العينة محيطات كبيرة وعادة ما تروج الشروع في مواقع الفشل متعددة تحت الضغط موحد 1.
وكان الهدف الرئيسي في تطوير هذه التقنية التجريبية لتمكين دراسة دور درجة الحرارة في السلوك كسر وتفتت اسطوانة التوسع. سوف السيطرة على درجة حرارة العينة يسمح للتحقيق في كيفية الشد ديناميكية، وآلية الكسر، وfragmيتأثر سلوك entation للمادة. على سبيل المثال في المعادن، وزيادة في درجة الحرارة يمكن أن يسبب تحولا من التقصف لكسر الدكتايل، واستيعاب المزيد من العمل البلاستيك قبل أن تفشل في نهاية المطاف. بعض المواد مثل تي-6AL-4V يمكن أيضا يحمل القص ثابت الحرارة توطين 2. في حين تشوه العينة، والعمل البلاستيك يولد حرارة. إذا كان معدل تليين نتيجة لهذه الزيادة في درجة الحرارة أكبر من معدل تصلب العمل من التشوه، يمكن لعدم الاستقرار تشكل فيها كمية كبيرة من تشوه البلاستيك يحدث في فرقة محلية جدا (الفرقة القص ثابت الحرارة). ويتم تشجيع هذا الرد في تي-6AL-4V بسبب التوصيل الحراري الفقراء، ويمكن أن تحد من فعاليتها لتطبيقات مثل خفيفة الوزن دروع.
هذا النهج اختبار جديد يجب أن يرضي معيارين رئيسيين. أولا، يجب أن طريقة إنتاج معدل الضغط شعاعي بناء على أمر من 10 ثانية 4 -1، وينظر عادة في الباليستية وأحداث الأثر، للسماح بالمقارنة مع الدراسات السابقة التي توظف المزيد من برامج تحميل التقليدية. ثانيا، تحتاج آلية حملة للن تتأثر درجة حرارة العينة لضمان الاتساق بين التجارب. آليات التوسع اسطوانة الأولية المستخدمة عبوات ناسفة، إما ببساطة ملء نموذج اسطوانة 3-5 مباشرة أو باستخدام برنامج متوسطة. في الحالة الأخيرة يتم استخدام منطقة عازلة 6، حيث يتم وضع العينة على اسطوانة الصلب الذي بدوره يحتوي على عبوة ناسفة. القيد وضوحا هو أن مثل اسطوانة عينة تحتوي على مواد محرك الأقراص (في شكل المتفجرات) تسخين الاسطوانة وأيضا حرارة هذه التهمة. في حين أن هذا قد لا يسبب الشروع في تهمة مباشرة العديد من أنواع المتفجرات تحتوي على مواد الموثق البوليمر التي سوف تذوب الخروج من عينة اسطوانة. وبالمثل، فإن بعض المتفجرات تصبح حساسة للغاية عندما تبرد. وهذا يعني أن محركات الأقراص المتفجرة ليست مناسبة لدراسة درجة الحرارة. بديل يستخدم أسلوب قوة لورنتز للتوسع – يتم وضع العينة على لفائف سائق 7، 8 يتم حقن الحالية المرتفعة إلى هذا الملف سائق (الثقيل عادة سلك قياس النحاس)، وحمل التيار المعاكس في العينة. وترتبط هذه التيارات المتعارضة المجالات المغناطيسية التي تعمل ضد بعضها البعض، والضغط المغناطيسي يقود عينة الخارج من الوجه الداخلي. مرة أخرى، تسخين المواد سيؤثر سلبا على لفائف محرك النحاس داخل العينة. وقد استخدمت بنادق الغاز للتوسع اسطوانة منذ أواخر 1970s 9. في هذه التجارب على المواد المستخدمة للإدراج في الاسطوانة هو البوليمر، محرك يأتي نتيجة كل من قذيفة وإدراج تشويه في الأثر. هذا الإدراج هو عادة من المطاط أو البلاستيك 10، وقوة وليونة من التي ستتأثر بشدة من جراء درجات الحرارة. سوف التدفئة جعل إدراج لينة جدا، وسوف التبريد جعلها تتصرف بطريقة هشة لذلك فشل قبل الأوان.
<p cمعشوقة = "jove_content"> وخلافا للتقنيات توسيع اسطوانة السابقة، فإن الطريقة الموصوفة هنا هو الأول لتوفير محرك التحميل للتكرار على نطاق واسع من درجات الحرارة (100-1،000 K). تقنية لدينا هي فريدة من نوعها في حقيقة أن المواد المستخدمة لقيادة التوسع (في حالتنا القذيفة) منفصلة عن الاسطوانة حتى نقطة التأثير. وبناء على ذلك، فإنه لا يتأثر درجة الحرارة الأولية من العينة اسطوانة ويوفر حمولة تكرار.تتكون هندسة التجريبية من الصلب القوس القوطي شنت داخل الاسطوانة الهدف، مع تلميح تقع في منتصف المسافة تقريبا على طول الاسطوانة. ثم يتم استخدام بندقية واحدة الغاز ضوء المرحلة لإطلاق قذيفة البولي مع وجه مقعر في الاسطوانة بسرعات تصل إلى 1000 م / ثانية -1. محور الهدف هو تلاؤمه اسطوانة بعناية لمحور برميل الغاز بندقية لتسهيل الحمل للتكرار وموحدة. تدفق تأثير واللاحق للصقذيفة lycarbonate حول الصلب القوس القوطي شبه جامدة، ويدفع الاسطوانة إلى التوسع من الجدار الداخلي. هندسة إدراج القوس القوطي ووجه مقعر من قذيفة تم بعناية الأمثل باستخدام المحاكاة الحاسوبية المائية رمز لتوليد التوسع المطلوب من الاسطوانة. باستخدام 4340 سبائك الصلب لالقوس القوطي تمكن التجريب مع اسطوانة في درجة حرارة كما قوتها هي أعلى بكثير من قذيفة البولي على درجات حرارة تتراوح بين الفائدة وضمان تبقى آلية محرك متسقة. Ogives تعافى من التجارب ساخنة وتبريد يحمل سوى الحد الأدنى تشوه نتيجة لتأثير.
ويتم إنجاز التدفئة والتبريد من العينة اسطوانة من خلال تركيب أجهزة التحكم في درجة الحرارة في عطلة تشكيله في الجزء الخلفي من إدراج القوس القوطي. لتبريد العينة لدرجات الحرارة المبردة (~ 100 K)، وختم عطلة في القوس القوطي مع غطاء الألومنيوم والنيتروجين السائل وlowed من خلال تجويف. كما الاسطوانة المستهدفة لديها مساحة كبيرة اتصال مع القوس القوطي يتم تبريد العينة من خلال التوصيل. لتسخين الاسطوانة هدف لدرجات حرارة تقترب من 1000 K، يتم وضع سخان الخزف ونيتشروم مقاوم في عطلة القوس القوطي. ويوفر العرض عالية الطاقة الحالية تصل إلى 1 كيلو واط، تسخين القوس القوطي والاسطوانة. الاسطوانة والقوس القوطي معزولة حراريا من الهدف جبل في واحد مرحلة الغاز بندقية من خلال استخدام MACOR الفواصل السيراميك. يقام للدبابات أيضا في ظل فراغ معتدل (<0.5 عربة) خلال التجربة التي تساعد التلاعب الحراري.
من أجل تشخيص عملية تفتيت الاسطوانة، التصميم التجريبي يتضمن قنوات متعددة للتردد من تحويل PDV، لقياس سرعة التوسع في نقاط على طول الاسطوانة. PDV هو جديد نسبيا 11، والألياف البصرية القائمة على تقنية التداخل الذي يمكن قياس سرعات السطح خلال أحداث ديناميكية للغاية. خلال قياس PDV، تحول دوبلر الضوء المنعكس من سطح تتحرك من الاهتمام باستخدام وجنبا إلى جنب مع المنزاحة الامم المتحدة ضوء التحقيق الألياف الضوئية، وخلق فازت تردد أن يتناسب طرديا مع سرعة سطح متحرك. أساسا، وهو نظام PDV هو نيكلسون تداخل سريع باستخدام التقدم في الأشعة تحت الحمراء القريبة (1550 نانومتر) تكنولوجيا الاتصالات لتسجيل الترددات فاز في نطاق غيغاهرتز. النظام المتصاعدة ل100 مم البعد البؤري للتحقيقات PDV المستخدمة في الدراسة الحالية يضمن أنهم معزولون عن درجة حرارة الاسطوانة، ويقدم تشكيلة سهلة. ميزة إضافية لاستخدام 100 ملم تحقيقات البعد البؤري هو أنها توفر الوصول البصرية يكفي لتمكين عالية السرعة والتصوير الفوتوغرافي لقياس الشخصية توسيع اسطوانة كاملة. يظهر ترتيب ومكان أربعة تحقيقات، AD، جنبا إلى جنب الاسطوانة في الشكل 1 يتم توظيف اثنين من الكاميرات عالية السرعة هنا؛ كاميرا فيديو عالية السرعة فانتوم V16.10 تعمل على 250،000 إطارا في الثانية وIVV UHSi كاميرا 12/24 تأطير، واستولت على 24 صورة. والخلفية الكاميرا IVV بحيث الاسطوانة يضيء في صورة ظلية تمكين حافة توسيع شعاعيا من الاسطوانة لتعقبها بدقة. الكاميرا الوهمية هي الجبهة مضيئة تصوير عملية بدء الفشل والتشرذم. ويمكن بعد ذلك أن يرتبط سرعة التصوير العالية مع velocimetry لإعطاء سلالة ومعدل الضغط على عينة كاملة. التصوير فائق السرعة يسمح أيضا لقياس دقيق من سلالة الفشل وأنماط كسر طول السطح.
تقنية التجريبية المعروضة في القسم التالي بروتوكول توفر وسيلة للتحكم في درجة حرارة العينة في تجربة اسطوانة التوسع، والتي من خلالها آليات كسر مختلفة يمكن تفعيلها أو قمعها. وهذا الأسلوب يؤدي إلى فهم أشمل لدور درجة الحرارة في السيناريوهات تحميل الديناميكي.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذه الطريقة يمكن التحقيق في المواد بمعدلات عالية من الشد تحميل على نطاق واسع من درجات الحرارة، من التجميد إلى ~ 1000 K، فريدة من نوعها لهذا التصميم. ومع ذلك، وهذا يضيف تحديات معينة إلى الإعداد التجريبية والتنفيذ. أولا، لتحسين التحكم في درجة الحرارة يحتاج إدراج القوس الق…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge continued funding and support for the project from the Atomic Weapons Establishment, AWE Plc. (UK) and Imperial College London.
Materials
| Item | Company / Manufacturer | Part Number | Comments / Description |
| 1550 nm CW Laser | NKT Photonics | Koheras Adjustik | x 2 |
| 1550 nm Power Amplifier | NKT Photonics | Koheras Boostik HPA | |
| Delay Generators | Quantum Composers | 9500+ Digital Delay Pulse Generator | 8 output version |
| Stanford Research Systems | DG535 Digital Delay Generator | ||
| 16 Channel Digitiser | Agilent Technologies | U1056B Chassis + 4 X U1063A Digitiser | |
| High Bandwidth Oscilloscopes | Teledyne LeCroy | WaveMaster 816Zi-A | Expansion Velocity, Gen 3 PDV |
| Tektronix | DPO71604C | Projectile Velocity, Gen 1 PDV | |
| High Speed Imaging Systems | Vision Research | Phantom v16.10 | |
| Invisible Vision | IVV UHSi-24 | ||
| Zeiss Optics | Planar T* 1,4/85 | 85mm Prime Lens | |
| Nikon | AF-S Nikkor 70-200mm f/2.8 ED VR II | 70-200mm Telephoto Lens | |
| Flash Lamp | Bowens | Gemini Pro 1500W | x 2 |
| PDV Probe | Laser 2000 | LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3 | x 4 (Custom order) |
| PDV System | Built in-house by the Institute of Shock Physics | Custom Build | 3rd Generation (Upshifted) 8 Channel Portable PDV System |
| Control Software | National Instruments | LabVIEW 2013 | |
| Control Hardware for heating | National Instruments | NI-DAQ 6009 USB | |
| Heating Power Supply | BK Precision | BK1900 | |
| Thermocouple Logger | Pico Technology | TC-08 | |
| 100 mm Single Stage Light Gas Gun | Physics Applications, Inc. (PAI) | Custom Build | Capable of at least 1000 meters per second with ~ 2 kg projectile |
| Image analysis software | National Institutes of Health | ImageJ | Open source, free |
| Image analysis software | Mathworks | MATLAB r2014a | With image processing toolboxes |
| Material sectioning saw | Struers | Accutom-50 | |
| Electron Microscope | Zeiss | Auriga | |
| Electron Backscatter Diffraction | Bruker | e-Flash 1000 | |
| EBSD software | Bruker | eSprit |
Referências
- Jones, D. R., Chapman, D. J., Eakins, D. E. A gas gun based technique for studying the role of temperature in dynamic fracture and fragmentation. J. Appl. Phys. 114, 173508 (2013).
- Liao, S. C., Duffy, J. Adiabatic shear bands in a Ti-6Al-4V titanium alloy. J. Mech. Phys. Solids. 46 (11), 2201-2231 (1998).
- Mott, N. F. Fragmentation of shell cases. Proc. R. Soc. Lond. A. 189 (1018), 300-308 (1947).
- Hoggatt, C. R., Recht, R. F. Fracture behavior of tubular bombs. J. Appl. Phys. 39 (3), 1856-1862 (1968).
- Banks, E. E. The fragmentation behavior of thin-walled metal cylinders. J. Appl. Phys. 40 (1), 437-438 (1969).
- Warnes, R. H., Duffey, T. A., Karpp, R. R., Carden, A. E. Improved technique for determining dynamic metal properties using the expanding ring. Los Alamos Scientific Laboratory Report. , (1980).
- Niordson, F. I. A unit for testing materials at high strain rates. Exp. Mech. 5 (1), 29-32 (1965).
- Grady, D. E., Benson, D. A. Fragmentation of metal rings by electromagnetic loading. Exp. Mech. 23 (4), 393-400 (1983).
- Winter, R. E., Prestidge, H. G. A technique for the measurement of the high strain rate ductility of metals. J. Mat. Sci. 13 (8), 1835-1837 (1978).
- Vogler, T. J., et al. Fragmentation of materials in expanding tube experiments. Int. J. Imp. Eng. 29, 735-746 (2003).
- Strand, O. T., Goosman, D. R., Martinez, C., Whitworth, T. L., Kuhlow, W. W. Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques. Rev. Sci. Inst. 77, 083108 (2006).
- Ao, T., Dolan, D. H. SIRHEN: A data reduction program for photonic Doppler velocimetry measurements. Sandia National Laboratories Report. , (2010).
