Un método para estudiar la dependencia de la temperatura de la dinámica de la fractura y fragmentación
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 fractura dinámica de un cuerpo es un fenómeno de la última etapa estudiado típicamente bajo condiciones simplificadas, en el que una muestra se deforma bajo tensión uniforme y velocidad de deformación. Esto puede ser producido por la carga de manera uniforme la superficie interna de un cilindro. Debido a la simetría axial, ya que el cilindro se expande la pared se coloca en una tensión circunferencial de tracción que es uniforme alrededor de la circunferencia. Si bien hay varias técnicas para generar esta expansión, tales como explosivos, accionamiento electromagnético, y las técnicas de pistola de gas existentes que todos ellos están limitados en el hecho de que el cilindro de la muestra debe estar a temperatura ambiente. Se presenta un nuevo método utilizando una pistola de gas que facilita experimentos en los cilindros de 150 K a 800 K con una carga consistente y repetible. Estos experimentos altamente diagnosticados se utilizan para examinar el efecto de la temperatura sobre los mecanismos de fractura responsables de fracaso, y su influencia resultante en las estadísticas de fragmentación. La geometría experimental emplea unaojiva de acero situado en el interior del cilindro de destino, con la punta situado a mitad de camino. Un arma solo gas luz de la etapa se utiliza para lanzar un proyectil de policarbonato en el cilindro a 1000 m / seg -1. Los impactos de proyectiles y fluye alrededor de la ojiva rígido, conduciendo el cilindro de muestra desde el interior. El uso de un inserto de ojiva no deformar nos permite instalar hardware de control de temperatura en el interior de la parte trasera del cilindro. El nitrógeno líquido (LN 2) se utiliza para la refrigeración y una alta carga de corriente resistiva para la calefacción. Múltiples canales de upshifted velocimetría Doppler de fotones (PDV) un seguimiento de la velocidad de expansión a lo largo del cilindro que permite una comparación directa con las simulaciones por ordenador, mientras que las imágenes de alta velocidad se utiliza para medir la deformación a la rotura. Los fragmentos recuperados de cilindro también están sujetos a microscopía óptica y electrónica para determinar el mecanismo de fallo.
Introduction
El fracaso dinámico de un material es un aspecto importante de su comportamiento mecánico general, y tiene relevancia para numerosas industrias, incluyendo la automoción, aeroespacial, y militar para nombrar unos pocos. Mientras que el fracaso a bajas tasas de deformación se estudia típicamente a través de pruebas de tensión convencionales, en los que una muestra larga y delgada se carga en la tensión de los extremos, a altas velocidades de deformación una geometría / configuración de este tipo requiere una muestra a ser muy pequeña con el fin de mantener una equilibrio pseudo-mecánica durante toda la prueba. En el aspecto de una sola grieta, el material circundante se relajó, deteniendo eficazmente el desarrollo de sitios de fallo adyacentes. Esto limita el número de fracturas que se pueden observar de forma simultánea en un mismo experimento, y evita que la información importante con respecto a las estadísticas de fracaso que se determinen.
La prueba de cilindro en expansión es una técnica bien establecida para la caracterización de la manera en que materials fallar y fragmento bajo alta carga de velocidad. En la prueba, un cilindro hecho del material de interés se carga de manera uniforme a lo largo de su circunferencia interior, el lanzamiento de una onda de tensión a través de la pared y haciendo que el cilindro se expanda. Pronto esta onda radial disipa y una tensión uniforme aro de tracción alrededor de la circunferencia domina. A medida que la tasa de estrés y la tensión es la misma alrededor del cilindro el comportamiento de fractura y fragmentación se rige únicamente por las propiedades del material. La prueba alivia el problema antes mencionado como los típicamente grandes circunferencias muestra promueven la iniciación de varios sitios de falla bajo tensión uniforme 1.
El objetivo principal en el desarrollo de esta técnica experimental era permitir el estudio del papel de la temperatura en el comportamiento de fractura y la fragmentación de un cilindro de expansión. El control de la temperatura de la muestra permitirá que para la investigación de cómo la resistencia a la tracción dinámica, el mecanismo de fractura, y Fragmentación comportamiento del material se ve afectada. Por ejemplo, en metales, un aumento de temperatura puede causar un cambio de la frágil a la fractura dúctil, con capacidad de trabajo más de plástico antes de fallar en última instancia. Algunos materiales, tales como Ti-6Al-4V también pueden exhibir localización de cizallamiento adiabática 2. Si bien la muestra se deforma, la obra plástica genera calor. Si la tasa de ablandamiento como resultado de este aumento de la temperatura es mayor que la tasa de endurecimiento por trabajo de la deformación, una inestabilidad puede formar donde una gran cantidad de deformación plástica se produce en un (banda de cizallamiento adiabática) banda muy localizada. Esta respuesta se promueve en Ti-6Al-4V debido a su pobre conductividad térmica, y potencialmente puede limitar su eficacia para aplicaciones tales como armadura ligera.
Este nuevo enfoque de pruebas debe satisfacer dos criterios principales. En primer lugar, el método debe producir una velocidad de deformación radial del orden de 10 4 seg -1, típicamente visto en balística yeventos de impacto, para permitir la comparación con estudios anteriores que emplean esquemas más tradicionales de carga. En segundo lugar, el mecanismo de accionamiento tiene que ser afectado por la temperatura de la muestra para garantizar la coherencia entre los experimentos. Mecanismos de expansión del cilindro iniciales utilizaron cargas explosivas, ya sea simplemente llenar el cilindro de muestra 3-5 directa o mediante un controlador intermedio. En este último caso se utiliza un tampón 6, donde se coloca la muestra sobre un cilindro de acero que a su vez contiene una carga explosiva. La limitación obvia es que a medida que el cilindro de muestra contiene el material de accionamiento (en la forma del explosivo) calentar el cilindro también se calentará la carga. Si bien esto puede no causar directamente la iniciación de la carga de muchos tipos de explosivos contienen un material aglutinante polimérico que se derrita a cabo desde el cilindro de muestra. Del mismo modo, algunos explosivos se vuelven muy sensibles cuando se enfría. Esto significa que las unidades de explosivos no son adecuados para el estudio de la temperatura. Una alternativamétodo utiliza la fuerza de Lorentz para la expansión – la muestra se coloca sobre una bobina de conductor 7, 8 A Corriente de alta se inyecta en esta bobina conductor (cable de cobre calibre normalmente pesado), induciendo una corriente opuesta en la muestra.. Estas corrientes opuestas han asociado los campos magnéticos que actúan uno contra el otro, la presión magnética de conducir la muestra hacia fuera desde la cara interior. Una vez más, el calentamiento del material afectará negativamente a la bobina de accionamiento de cobre dentro de la muestra. Pistolas de gas se han utilizado para la expansión del cilindro desde finales de 1970 9. En estos experimentos, el material utilizado para la inserción en el cilindro es un polímero, la unidad viene como un resultado de tanto el proyectil e insertar deformación en el impacto. Este inserto es típicamente un caucho o de plástico 10, la resistencia y la ductilidad de los cuales se verá gravemente afectada por la temperatura. Calefacción hará que la pieza de inserción demasiado suave, y la refrigeración será hacer que se comporte de una manera frágil por lo que falla prematuramente.
<p class = "jove_content"> A diferencia de las técnicas de expansión del cilindro anteriores, el método descrito aquí es el primero en proporcionar una unidad de carga repetible en un amplio rango de temperaturas (100-1.000 K). Nuestra técnica es única en el hecho de que el material utilizado para la conducción de la expansión (en nuestro caso el proyectil) es separada desde el cilindro hasta el punto de impacto. En consecuencia, no se ve afectada por la temperatura inicial del cilindro de la muestra y proporciona una carga repetible.La geometría experimental consiste en un acero ojiva montado en el interior del cilindro de destino, con la punta situado a mitad de camino a lo largo de la longitud del cilindro. Una sola pistola de gas luz de la etapa se utiliza para lanzar un proyectil de policarbonato con una cara cóncava en el cilindro a velocidades de hasta 1.000 m / seg -1. El eje del objetivo es de cilindro está cuidadosamente alineado con el eje del cilindro de gas-gun para facilitar una carga repetible y uniforme. El impacto y la posterior flujo del poproyectil lycarbonate alrededor de la ojiva de acero pseudo-rígida, impulsa el cilindro en la expansión de la pared interior. La geometría de la inserción de ojiva y la cara cóncava del proyectil fueron cuidadosamente optimizadas utilizando simulaciones por ordenador hidro-código para generar la expansión deseada del cilindro. El uso de acero de aleación 4340 para la ojiva permite la experimentación con el cilindro a temperatura como su fuerza es mucho mayor que el proyectil de policarbonato sobre el rango de temperatura de interés, asegurando el mecanismo de accionamiento se mantiene constante. Ojivas recuperadas a partir de experimentos con calefacción y enfriamiento sólo se presentan deformación mínima como consecuencia del impacto.
El calentamiento y enfriamiento del cilindro de la muestra se lleva a cabo por la instalación de hardware de control de temperatura en un rebaje mecanizado en la parte trasera del inserto de ojiva. Para enfriar la muestra a temperaturas criogénicas (~ 100 K), el rebaje en la ojiva está sellado con un tapón de aluminio y nitrógeno líquido es fguido través de la cavidad. A medida que el cilindro de destino tiene una gran superficie de contacto con la ojiva de la muestra se enfría por conducción. Para calentar el cilindro objetivo a temperaturas cercanas a 1000 K, un calentador de cerámica y nicromo resistivo se coloca en el rebaje ojiva. Una alta fuente de alimentación de corriente proporciona hasta 1 kW, el calentamiento de la ojiva y el cilindro. El cilindro y ojiva son térmicamente aisladas de la meta de montaje en el único gas-gun etapa mediante el uso de espaciadores cerámicos MACOR. El tanque también se mantiene bajo vacío moderado (<0,5 Torr) durante el experimento que ayuda a la manipulación térmica.
Con el fin de diagnosticar el proceso de fragmentación de la botella, el diseño experimental incluye múltiples canales de frecuencia de conversión de PDV, para medir la velocidad de expansión en los puntos a lo largo del cilindro. PDV es una técnica relativamente nueva interferometría con base 11, la fibra óptica, que permite la medición de velocidades de superficie durante los eventos altamente dinámicos. Durante una medición PDV, Doppler cambió la luz reflejada de una superficie móvil de interés utilizando una sonda de fibra óptica se combina con la luz un-desplazado, creando una frecuencia de batido que es directamente proporcional a la velocidad de la superficie en movimiento. En esencia, un sistema de PDV es un interferómetro de Michelson rápido utilizando los avances en la tecnología de las comunicaciones en el infrarrojo cercano (1.550 nm) para grabar frecuencias de batido en la gama de los Ghz. El sistema de montaje para los 100 mm de longitud focal PDV sondas utilizadas en el estudio actual se asegura de que están aislados de la temperatura del cilindro y proporciona una fácil alineación. Una ventaja adicional del uso de las sondas 100 mm de distancia focal es que proporcionan acceso óptico suficiente para permitir fotografía de alta velocidad para medir el perfil de expansión de todo el cilindro. La disposición y ubicación de los cuatro sondas, AD, a lo largo del cilindro se muestran en la Figura 1 Dos cámaras de alta velocidad se emplean aquí.; una cámara de video de alta velocidad Phantom V16.10 operando a 250.000 fps y una cámara 12/24 encuadre IVV UHSi, la captura de 24 imágenes. La cámara IVV está a contraluz de tal manera que el cilindro se ilumina en silueta permitiendo el borde expansión radial del cilindro para realizar un seguimiento con precisión. La cámara Phantom es frontal iluminado imágenes del proceso de iniciación fracaso y la fragmentación. La fotografía de alta velocidad puede ser correlacionada con la velocimetría de dar tensión y velocidad de deformación a lo largo de toda la muestra. La formación de imágenes de alta velocidad también permite una medida exacta de la cepa fracaso y los patrones de fractura a lo largo de la superficie.
La técnica experimental presentado en la sección siguiente protocolo proporciona un medio de controlar la temperatura de la muestra en un experimento cilindro en expansión, a través del cual diferentes mecanismos de fractura pueden ser activados o suprimidos. Esta técnica conducirá a una comprensión más amplia del papel de la temperatura en escenarios de carga dinámica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este método permite la investigación de los materiales a altas tasas de carga de tracción en un amplio intervalo de temperaturas, desde criogénico a ~ 1000 K, único a este diseño. Sin embargo, esto se suma ciertos desafíos a la configuración experimental y ejecución. En primer lugar, para optimizar el control de temperatura del inserto de ojiva necesita ser mecanizado a partir de un material adecuado. 4340 acero se utiliza aquí, aunque cualquier acero de alta dureza a alta temperatura debería ser suficiente. …
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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