Um Método de Estudar a dependência da temperatura da fratura dinâmica e fragmentação

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

A fratura dinâmica de um corpo é um fenômeno em estágio final tipicamente estudados em condições simplificadas, no qual uma amostra é deformado sob uniforme e taxa de deformação. Isto pode ser produzido através do carregamento de maneira uniforme a superfície interior de um cilindro. Devido à simetria axial, como o cilindro se expande a parede é colocada num aro de tracção tensão que é uniforme em torno da circunferência. Embora haja várias técnicas para gerar esta expansão, como explosivos unidade electromagnética, e técnicas de arma de gás existentes que são todos limitados no facto de o cilindro de amostra devem estar à temperatura ambiente. Nós apresentamos um novo método utilizando uma pistola de gás que facilita experiências com cilindros de 150 K a 800 K com uma carga consistente e repetível. Estas experiências altamente diagnóstico são utilizados para examinar o efeito da temperatura sobre os mecanismos responsáveis ​​pela falha de fractura, e a sua influência resultante sobre as estatísticas de fragmentação. A geometria experimental emprega umogiva de aço localizado no interior do cilindro de destino, com a ponta localizado a meio caminho. Uma arma de gás luz do estágio único é então utilizado para lançar um projétil de policarbonato para dentro do cilindro a 1.000 m / s ^-1. Os impactos de projécteis e flui em torno da ogiva rígida, a condução do cilindro de amostra a partir do interior. O uso de uma inserção de ogiva não deformando permite instalar o hardware de controlo da temperatura no interior da parte traseira do cilindro. Azoto líquido _(LN2) é utilizado para o arrefecimento e uma elevada carga de corrente para o aquecimento resistivo. Vários canais de upshifted velocimetria Doppler fóton (PDV) acompanhar a velocidade de expansão ao longo do cilindro permitindo comparação direta com simulações de computador, enquanto imagiologia de alta velocidade é utilizado para medir a tensão ao fracasso. Os fragmentos de cilindros recuperados também estão sujeitas a microscopia óptica e eletrônica para determinar o mecanismo de falha.

Introduction

A falha dinâmica de um material é um aspecto importante do seu comportamento mecânico, em geral, e tem relevância para várias indústrias incluindo automóvel, aeroespacial e militar, para citar alguns. Enquanto a falha em baixas taxas de deformação-se tipicamente estudada por meio de testes de tensão convencional, em que uma longa amostra fina é carregada em tensão a partir das extremidades, a altas taxas de deformação tal geometria / configuração requer uma amostra a ser muito pequena, a fim de manter uma pseudo-equilíbrio mecânico durante todo o ensaio. No aparecimento de uma fenda única, o material circundante será relaxado, de forma eficaz parar o desenvolvimento de quaisquer locais de falha adjacentes. Isso limita o número de fraturas que podem ser observadas simultaneamente em qualquer um experimento, e impede que informações importantes sobre as estatísticas da falha a determinar.

O teste do cilindro de expansão é uma técnica bem estabelecida para caracterizar a forma em que materials falhar e fragmento sob alta carga velocidade. No teste, um cilindro feito de material de interesse é carregado uniformemente ao longo da sua circunferência interna, lançar uma onda de tensão através da parede e fazendo com que o cilindro de expansão. Logo esta onda radial se dissipa e um uniforme de tração hoop estresse em torno da circunferência domina. Como a taxa de estresse e tensão é a mesma em torno do cilindro o comportamento fratura e fragmentação é regida exclusivamente pelas propriedades do material. O teste alivia o problema acima mencionado como os tipicamente grandes circunferências amostra promover a abertura de vários sites de falha sob tensão uniforme ^1.

O principal objectivo no desenvolvimento desta técnica experimental foi o de permitir o estudo do papel da temperatura no comportamento da fractura e fragmentação de um cilindro de expansão. O controlo da temperatura da amostra vai permitir que para a investigação de como a resistência à tracção dinâmico, mecanismo de fractura, e Fragmentação comportamento do material é afectada. Por exemplo, em metais, um aumento na temperatura pode causar uma mudança de frágil para dúctil fractura, acomodando trabalho mais plástico antes de finalmente falhar. Alguns materiais, tais como Ti-6Al-4V, também podem exibir cisalhamento localização ^2. Embora a amostra deforma, o trabalho plástico gera calor. Se a taxa de amolecimento como um resultado deste aumento de temperatura é maior do que a taxa de trabalho de endurecimento a partir da deformação, uma instabilidade podem formar onde uma grande quantidade de deformação plástica ocorre num (banda de cisalhamento) banda muito localizada. Esta resposta é promovido em Ti-6Al-4V, devido à sua baixa condutividade térmica, e podem potencialmente limitar a sua eficácia para aplicações tais como blindagem leve.

Esta nova abordagem de testes deve satisfazer dois critérios principais. Em primeiro lugar, o método deve produzir uma taxa de deformação radial da ordem de ⁴ a 10 seg ^-1, tipicamente visto em balística eeventos de impacto, para permitir a comparação com estudos anteriores que empregam sistemas de carregamento mais tradicionais. Em segundo lugar, o mecanismo de accionamento deve ser afetado pela temperatura da amostra para garantir a consistência entre os experimentos. Mecanismos de expansão cilindro iniciais usadas cargas explosivas, ou simplesmente encher o cilindro de amostras ^3-5 diretamente ou através de um driver intermediário. Neste último caso, é utilizado um tampão ^6, em que a amostra é colocada sobre um cilindro de aço que, por sua vez contém uma carga explosiva. A limitação é evidente que, como o cilindro de amostra contém o material rígido (sob a forma do explosivo) aquecer o cilindro também vai aquecer a carga. Enquanto isso não pode causar diretamente o início da carga muitos tipos de explosivo conter um material ligante polimérico que vai derreter fora do cilindro de amostra. Da mesma forma, alguns explosivos tornam-se altamente sensível quando resfriado. Isto significa que as unidades de explosivos não são adequados para estudos de temperatura. Uma alternativamétodo utiliza a força de Lorentz para a expansão – a amostra é colocada sobre uma bobina de condução ^{7, 8} uma corrente elevada é injectada no condutor este bobina (tipicamente pesada bitola de cobre), induzindo uma corrente oposta na amostra.. Estas correntes opostas têm associado os campos magnéticos que actuam umas contra as outras, a pressão de condução magnético a amostra para o exterior a partir da face interior. Mais uma vez, o aquecimento do material vai afectar adversamente a bobina de comando de cobre no interior da amostra. Canhões de gases foram utilizados para a expansão do cilindro desde o final dos anos 1970 ^9. Nestas experiências, o material usado para a inserção dentro do cilindro é um polímero, o accionamento vindo como um resultado tanto do projéctil e inserir deformar no momento do impacto. Esta inserção é, tipicamente, uma borracha ou de plástico ^10, a resistência e ductilidade do que vai ser gravemente afectado pela temperatura. Aquecimento fará a inserção muito mole, e resfriamento irá torná-lo comportar-se de maneira frágil para que ele falhar prematuramente.

<p class = "jove_content"> Ao contrário das técnicas de expansão do cilindro anteriores, o método aqui descrito é o primeiro a fornecer uma unidade de carregamento repetível ao longo de um intervalo amplo de temperaturas (100-1.000 K). A nossa técnica é única no facto de o material usado para a condução da expansão (no nosso caso o projéctil) é separada do cilindro, até o ponto de impacto. Por conseguinte, não é afectado pela temperatura inicial do cilindro de amostra e fornece uma carga repetível.

A geometria experimental é constituído por um aço de ogiva montada no interior do cilindro de destino, com a ponta localizada a cerca de meio caminho ao longo do comprimento do cilindro. Uma arma único gás luz do estágio é então utilizado para lançar um projétil de policarbonato com uma face côncava para dentro do cilindro em velocidades de até 1.000 m / s ^-1. O eixo do alvo é cilindro é cuidadosamente alinhado em relação ao eixo do cilindro de gás-arma para facilitar uma carga uniforme e repetível. O fluxo de impacto e subsequente do poprojéctil lycarbonate em torno da ogiva aço pseudo-rígida, acciona o cilindro de expansão para dentro a partir da parede. A geometria da pastilha de ogiva e a face côncava do projéctil foram cuidadosamente optimizadas usando simulações por computador hidro-código para gerar a expansão desejada do cilindro. Usando 4340 ligas de aço para a ogiva permite experimentação com o cilindro à temperatura como a sua força é muito maior do que o projéctil policarbonato sobre o intervalo de temperatura de interesse, assegurando o mecanismo de accionamento permanece consistente. Ogivas recuperados a partir de experimentos aquecido e resfriado só exibem deformação mínima, como resultado do impacto.

O aquecimento e o arrefecimento do cilindro amostra é conseguido pela instalação de equipamento de controlo da temperatura dentro de um rebaixo maquinado na parte traseira da peça inserta de ogiva. Por arrefecimento da amostra a temperaturas criogénicas (~ 100 K), no recesso da ogiva é selado com uma tampa de alumínio e de azoto líquido é flowed através da cavidade. À medida que o cilindro de destino tem uma grande área de contacto com a ogiva a amostra é arrefecida por condução. Para aquecer o cilindro alvo a temperaturas próximas de 1000 K, um aquecedor de cerâmica e nicrómio resistiva é colocada no recesso ogiva. Uma fonte de alimentação de alta corrente fornece até 1 kW, o aquecimento da ogiva e cilindro. O cilindro de ogiva e são isolados termicamente do alvo montar na fase única de gás-arma através do uso de espaçadores Macor cerâmica. O tanque também é realizada sob vácuo moderado (<0,5 Torr) durante a experiência que ajuda manipulação térmica.

A fim de diagnosticar o processo de fragmentação do cilindro, o delineamento experimental inclui vários canais de frequência de conversão PDV, para medir a velocidade de expansão em pontos ao longo do cilindro. VPD é uma técnica relativamente nova interferometria base ^11, de fibra óptica, que permite a medição das velocidades de superfície durante eventos altamente dinâmicos. Durante uma medição PDV, Doppler deslocado luz reflectida a partir de uma superfície móvel de interesse, utilizando uma sonda de fibra óptica é combinada com luz deslocou-un, criando uma frequência de batimento que é directamente proporcional à velocidade da superfície em movimento. Essencialmente, um sistema de PDV é um interferômetro de Michelson rápido utilizando avanços em infravermelho próximo (1.550 nm), tecnologia de comunicações para bater o recorde frequências na faixa GHz. O sistema de montagem para os 100 mm de comprimento focal PDV sondas utilizadas no presente estudo assegura que eles são isolados a partir da temperatura do cilindro e proporciona o alinhamento fácil. Uma vantagem adicional de utilizar as sondas de 100 milímetros de comprimento focal é que eles proporcionam o acesso óptico suficiente para permitir que a fotografia de alta velocidade para medir o perfil de expansão de todo o cilindro. A disposição e localização do quatro sondas, AD, ao longo do cilindro é mostrado na Figura 1 Duas câmaras de alta velocidade são utilizados aqui.; uma câmera de vídeo de alta velocidade Fantasma V16.10 operando a 250,000 fps e um IVV UHSi câmera 12/24 enquadramento, a captura de 24 imagens. A câmara IVV é iluminado de modo que o cilindro é iluminado em silhueta permitindo a expansão radial da borda do cilindro para ser rastreado com precisão. A câmera frontal Fantasma é iluminado imagem latente o processo de iniciação fracasso e fragmentação. A fotografia de alta velocidade pode então ser correlacionados com a velocimetria a dar tensão e velocidade de deformação ao longo da amostra completa. A imagem de alta velocidade também permite uma medida precisa da estirpe falha e os padrões de fractura ao longo da superfície.

A técnica experimental apresentada na secção protocolo seguinte fornece um meio de controlar a temperatura da amostra de uma experiência cilindro de expansão, através da qual diferentes mecanismos de fractura pode ser activado ou suprimido. Esta técnica irá conduzir a uma melhor compreensão do papel da temperatura em cenários de carga dinâmicas.

Protocol

1. Alvo Fabricação e Montagem Máquina alvo cilindro de dimensões desejadas a partir da sólida. Preparar a superfície do cilindro através da remoção de marcas de usinagem. Uma superfície difusa uniforme é preferível para PDV reflexão. Bons resultados têm sido obtidos com uma lixa húmida com luz> 1200 grit. Caracterizar os componentes alvo, ou seja, medir o seguinte: Comprimento do cilindro, diâmetro e espessura da parede (em vários locais) Comprime…

Representative Results

A qualidade dos dados em primeiro lugar irá depender do tempo experimental. Se os atrasos de gatilho para impacto estão corretas, em seguida, as lâmpadas de flash estará produzindo luz suficiente quando o cilindro alvo começa a deformar-se, permitindo que as câmeras de alta velocidade para produzir imagens claras. Neste caso, as imagens da câmara moldação terá uma borda silhueta claro que pode ser usado para controlar a deformação de todo o cilindro. Software como o ImageJ pode ser usado para extrair alinham…

Discussion

Este método permite a investigação de materiais com elevadas taxas de cargas de tracção ao longo de uma larga gama de temperaturas, a partir criogénico a ~ 1000 K, única para o seu design. No entanto, isso acrescenta certos desafios para a configuração e execução experimental. Em primeiro lugar, para optimizar o controlo da temperatura do inserto de ogiva tem de ser maquinado a partir de um material adequado. 4340 aço é usado aqui, embora qualquer aço de alta dureza de alta temperatura deve ser suficiente….

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