Un metodo per studiare la dipendenza dalla temperatura della dinamica Frattura e frammentazione
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
La frattura dinamica di un corpo è un fenomeno in fase avanzata tipicamente studiato in condizioni semplificate, in cui un campione è deformata sotto uniforme e velocità di deformazione. Questo può essere prodotto da caricare uniformemente la superficie interna di un cilindro. A causa della simmetria assiale, come si espande il cilindro la parete viene inserito in un cerchio trazione stress che è uniforme lungo la circonferenza. Mentre ci sono varie tecniche per generare questa espansione, come esplosivi azionamento elettromagnetico, e tecniche pistola gas esistenti sono tutti limitati nel fatto che il cilindro campione deve essere a temperatura ambiente. Presentiamo un nuovo metodo che utilizza una pistola a gas che facilita esperimenti su cilindri da 150 K a 800 K con una costante, carico ripetibile. Questi esperimenti altamente diagnosticati sono utilizzati per esaminare l'effetto della temperatura sui meccanismi di frattura responsabili per il fallimento, e la loro influenza sulla conseguente frammentazione statistiche. La geometria sperimentale impiega unogiva acciaio trova all'interno del cilindro di destinazione, con la punta si trova circa a metà strada. Una singola pistola gas leggero fase viene quindi utilizzato per lanciare un proiettile policarbonato nel cilindro a 1.000 m / sec -1. Gli impatti proiettile e fluisce intorno dell'ogiva rigida, guida il cilindro campione dall'interno. L'uso di un inserto ogiva indeformabile ci permette di installare hardware di controllo della temperatura all'interno della parte posteriore del cilindro. L'azoto liquido (LN 2) è usato per il raffreddamento ed un carico resistivo corrente elevata per il riscaldamento. Più canali di upshifted fotone velocimetria Doppler (PDV) traccia la velocità di espansione lungo il cilindro consentendo confronto diretto con simulazioni al computer, mentre l'imaging ad alta velocità viene utilizzato per misurare la tensione al fallimento. I frammenti cilindri recuperati sono inoltre soggetti alla microscopia ottica ed elettronica per accertare il meccanismo di rottura.
Introduction
Il fallimento dinamica di un materiale è un aspetto importante del suo comportamento meccanica complessiva, e ha rilevanza per numerose industrie compreso automobilistico, aerospaziale, e militari per citarne alcuni. Mentre insuccesso strain bassi tassi è tipicamente studiata attraverso prove di trazione convenzionale, in cui è caricato un campione lungo e sottile in tensione dalle estremità, alle alte velocità di deformazione ad una geometria / configurazione richiede un campione molto piccolo per mantenere un equilibrio pseudo-meccanico durante tutta la prova. Alla comparsa di una singola fessura, il materiale circostante sarà rilassato, arrestando efficacemente lo sviluppo di altri siti guasto adiacenti. Questo limita il numero di fratture che possono essere simultaneamente osservate in un solo esperimento, e impedisce le informazioni importanti per quanto riguarda le statistiche di fallimento da determinare.
Il test cilindro espansibile è una tecnica ben consolidata per caratterizzare il modo in cui materials fallire e frammento sotto carico ad alta velocità. Nel test, un cilindro in materiale di interesse viene caricato uniformemente lungo la sua circonferenza interna, lanciando un'onda stress attraverso la parete e causando il cilindro di espandersi. Presto questa onda radiali dissipa e una divisa trazione cerchio intorno alla circonferenza domina. Poiché il tasso di stress e la tensione è la stessa intorno al cilindro il comportamento a frattura e la frammentazione è disciplinata esclusivamente dalla proprietà del materiale. Il test allevia il problema di cui sopra, come le tipicamente grandi circonferenze campioni promuovere apertura di più siti di rottura sotto stress uniforme 1.
L'obiettivo principale nello sviluppo di questa tecnica sperimentale era quello di consentire lo studio del ruolo della temperatura nel comportamento a frattura e la frammentazione di un cilindro espansibile. Il controllo della temperatura del campione consentirà indagini di come la resistenza alla trazione dinamica, meccanismo di frattura, e Fragmcomportamento sentazione del materiale è influenzata. Ad esempio in metalli, un aumento della temperatura può causare uno spostamento da fragile per frattura duttile, accomodante lavoro più plastica prima di fallire definitivamente. Alcuni materiali come il Ti-6Al-4V possono presentare anche al taglio adiabatica localizzazione 2. Mentre il campione si deforma, l'opera plastica genera calore. Se il tasso di rammollimento a seguito di questo aumento di temperatura è superiore al tasso di incrudimento dalla deformazione, una instabilità può formare in cui una grande quantità di deformazione plastica si verifica in una banda molto localizzata (banda shear adiabatica). Questa risposta è promosso in Ti-6Al-4V causa della sua scarsa conducibilità termica, e può potenzialmente limitare la sua efficacia per applicazioni come armatura leggera.
Questo nuovo approccio di prova deve soddisfare due criteri principali. In primo luogo, il metodo deve produrre una velocità di deformazione radiale dell'ordine di 10 4 sec -1, vengono tipicamente osservati in balistica eeventi di impatto, per permettere un confronto con precedenti studi che impiegano più regimi di carico tradizionali. In secondo luogo, il meccanismo di azionamento deve essere influenzato dalla temperatura del campione per garantire la coerenza tra esperimenti. Meccanismi di espansione cilindro iniziale utilizzato cariche esplosive, o semplicemente compilando il cilindro del campione 3-5, direttamente o tramite un driver intermedio. In quest'ultimo caso, un tampone viene impiegato 6, dove il campione viene posizionato sopra un cilindro di acciaio che a sua volta contiene una carica esplosiva. La limitazione evidente è che il cilindro campione contiene il materiale rigido (in forma di esplosivo) riscaldare il cilindro anche riscaldare la carica. Mentre questo non può causare direttamente iniziazione della carica molti tipi di esplosivo contengono un materiale legante polimerico che si scioglierà fuori dal cilindro di campionamento. Allo stesso modo, alcuni esplosivi diventano altamente sensibili quando raffreddato. Ciò significa che le unità esplosivi non sono adatti per lo studio della temperatura. Un'alternativametodo utilizza la forza di Lorentz per espansione – il campione è posto su una bobina conducente 7, 8 A corrente elevata viene iniettato in questa bobina driver (diametro filo di rame tipicamente pesante), inducendo una corrente opposta nel campione.. Queste correnti opposte sono associate campi magnetici che agiscono contro l'altra, la pressione magnetica guidare il campione verso l'esterno dalla superficie interna. Anche in questo caso, il riscaldamento del materiale influenza negativamente la bobina di azionamento rame all'interno del campione. Pistole a gas sono stati utilizzati per l'espansione cilindro sin dalla fine del 1970 9. In questi esperimenti il materiale utilizzato per l'inserto nel cilindro è un polimero, l'azionamento viene come conseguenza sia del proiettile e inserire deformazione al momento dell'impatto. Questo inserto è tipicamente una gomma o plastica 10, la resistenza e duttilità dei quali sarà severamente influenzate dalla temperatura. Riscaldamento renderà l'inserto troppo morbido, e il raffreddamento renderà comportarsi in maniera così fragili non riesce prematuramente.
<p class = "jove_content"> A differenza delle tecniche di espansione cilindro precedenti, il metodo qui descritto è il primo a fornire un'unità di carico ripetibile in un ampio intervallo di temperature (100-1000 K). La nostra tecnica è unico nel fatto che il materiale utilizzato per l'azionamento della espansione (nel nostro caso il proiettile) è separata dal cilindro fino al punto di impatto. Di conseguenza, non è influenzato dalla temperatura iniziale del cilindro campione e fornisce un carico ripetibile.La geometria sperimentale costituito da un acciaio ogiva montata all'interno del cilindro di destinazione, con la punta si trova circa a metà della lunghezza del cilindro. Un unico cannone a gas leggero fase viene quindi utilizzato per lanciare un proiettile policarbonato con una faccia concava nel cilindro a velocità fino a 1.000 m / sec -1. L'asse del cilindro è bersaglio è accuratamente allineato all'asse della canna gas-gun per facilitare un carico ripetibile e uniforme. Il flusso di impatto e la successiva del Poproiettile lycarbonate intorno dell'acciaio ogiva pseudo-rigida, aziona il cilindro in espansione dalla parete interna. La geometria dell'inserto ogiva e la faccia concava del proiettile sono stati attentamente ottimizzati utilizzando simulazioni al computer idro-codice per generare l'espansione desiderata del cilindro. Utilizzando acciaio legato 4340 per dell'ogiva permette sperimentazione con il cilindro a temperatura come la sua forza è molto superiore proiettile policarbonato nel campo di temperatura di interesse, assicurando il meccanismo di azionamento resta costante. Ogives recuperati da esperimenti riscaldati e raffreddati mostrano solo minima deformazione a seguito dell'impatto.
Il riscaldamento e il raffreddamento del cilindro del campione è compiuto mediante l'installazione di hardware di controllo della temperatura in un incavo lavorata nella parte posteriore dell'inserto ogiva. Per il raffreddamento del campione a temperature criogeniche (~ 100 K), l'incavo nel ogiva è sigillata con un tappo di alluminio e azoto liquido è flowed attraverso la cavità. Come il cilindro porta ha una grande area di contatto con l'ogiva il campione viene raffreddato per conduzione. Per riscaldare il cilindro porta a temperature prossime 1.000 K, un riscaldatore ceramico e nicromo resistivo viene posizionato nella cavità ogiva. Un alimentatore ad alta corrente fornisce fino a 1 kW, riscaldando dell'ogiva e cilindro. Il cilindro e ogiva sono termicamente isolate dal bersaglio montare nel singolo gas-gun scena attraverso l'uso di MACOR distanziatori ceramici. Il serbatoio è contenuto anche sotto vuoto moderato (<0,5 Torr) durante l'esperimento che aiuta manipolazione termica.
Per diagnosticare il procedimento di frammentazione del cilindro, il disegno sperimentale comprende molteplici canali di frequenza-conversione PDV, per misurare la velocità di espansione ai punti lungo il cilindro. PDV è una tecnica relativamente nuova interferometria a base 11, la fibra ottica che consente la misurazione della velocità di superficie durante gli eventi altamente dinamici. Durante una misurazione PDV, Doppler spostato la luce riflessa da una superficie mobile di interesse utilizzando una sonda a fibre ottiche è combinato con la luce un-spostato, creando una frequenza di battimento che è direttamente proporzionale alla velocità della superficie in movimento. In sostanza, un sistema di PDV è un interferometro di Michelson veloce grazie ai progressi nel vicino infrarosso (1.550 nm), la tecnologia di comunicazione a frequenze di battere il record nella gamma GHz. Il sistema di montaggio per la lunghezza focale sonde PDV 100 millimetri utilizzati in questo studio garantisce che essi sono isolati dalla temperatura del cilindro e fornisce un facile allineamento. Un ulteriore vantaggio di utilizzare sonde lunghezza focale 100 mm che forniscono accesso ottico sufficiente per consentire fotografia ad alta velocità per misurare il profilo di espansione dell'intero cilindro. La disposizione e la posizione del quattro sonde, AD, lungo il cilindro è mostrato nella Figura 1 Due telecamere ad alta velocità sono impiegati qui.; una videocamera ad alta velocità Phantom V16.10 operando a 250.000 fps e un IVV UHSi fotocamera 12/24 inquadratura, catturando 24 immagini. La telecamera IVV è retroilluminata tale che il cilindro è illuminato in silhouette permettendo al bordo radialmente espansione del cilindro da tracciare con precisione. La telecamera Phantom è anteriore illuminato imaging del processo fallimento di iniziazione e frammentazione. La fotografia ad alta velocità può quindi essere correlata con la velocimetria di dare tensione e velocità di deformazione lungo l'intero campione. L'imaging ad elevata velocità permette anche una misura precisa del ceppo fallimento e gli schemi di frattura lungo la superficie.
La tecnica sperimentale presentato nella sezione seguente protocollo fornisce un mezzo per il controllo della temperatura del campione in un esperimento cilindro in espansione, attraverso il quale diversi meccanismi di frattura possono essere attivate o soppressi. Questa tecnica porterà a una comprensione più completa del ruolo della temperatura negli scenari di carico dinamico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo metodo consente di ricerca di materiali ad elevate velocità di carico a trazione in un ampio intervallo di temperature, da criogeniche a ~ 1000 K, unica per questo disegno. Tuttavia, questo aggiunge alcune sfide al setup sperimentale e l'esecuzione. In primo luogo, per ottimizzare il controllo della temperatura dell'inserto ogiva deve essere lavorato da un materiale adatto. 4340 acciaio è qui utilizzato, anche se qualsiasi alta temperatura ad alta durezza dell'acciaio dovrebbe essere sufficiente. Al…
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
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