Dinamik Kırık ve Parçalanma Sıcaklık Bağımlılığı incelenmesi için bir yöntem
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
bir gövde dinamik kırılması tipik olarak bir numune homojen gerilme ve gerilme oranı altında deforme edildiği basitleştirilmiş koşulları altında incelenmiştir geç aşamalı bir olgudur. Bu eşit olarak silindirin iç yüzey yüklemesi ile üretilebilir. Silindir genişledikçe nedeniyle eksenel simetri için duvar çevresi üniform bir gerilme çember stresi yerleştirilir. Bu tür patlayıcılar, elektromanyetik sürücü olarak bu genişleme oluşturmak için çeşitli teknikler ve mevcut gaz tabancası teknikleri varken hepsi numune silindir oda sıcaklığında olmalıdır aslında sınırlıdır. Biz tutarlı, tekrarlanabilir yükleme ile 150 K K 800 ila silindir üzerinde deney kolaylaştıran bir gaz tabancası kullanarak yeni bir yöntem. Bu son derece teşhis deneyler kırık çalışmamasından sorumlu mekanizmalar ve parçalanma istatistiklerine onların sonuçlanan etkisi üzerine sıcaklığın etkisini incelemek için kullanılır. Deneysel geometri kullanan birÇelik ogive yer hakkında yarım bulunan ucu ile, hedef silindirin içinde bulunan. Bir tek aşamalı hafif gaz tabancası sonra 1.000 m / sn silindire bir polikarbonat mermi başlatmak için kullanılır -1. mermi etkileri ve içeriden örnek silindir sürüş, sert ogive etrafında akar. olmayan bir deforme ogive insert kullanımı bize silindirin arka iç sıcaklık kontrolü donanımını yüklemenize olanak tanır. Sıvı azot (LN 2), soğutma ve ısıtma için dirençli bir yüksek akım yükü için kullanılır. Yüksek hızlı görüntüleme hatası gerginlik ölçmek için kullanılır ise upshifted foton Doppler (PDV) Çoklu kanal, bilgisayar simülasyonları ile doğrudan karşılaştırma sağlayan silindir boyunca genişleme hızını izleyebilirsiniz. iyileşti silindir parçaları da başarısızlık mekanizmasını anlamak için optik ve elektron mikroskobu tabidir.
Introduction
Bir malzemenin dinamik başarısızlığı genel mekanik davranışının önemli bir yönü olduğunu ve birkaç isim, otomotiv, havacılık ve askeri olmak üzere çok sayıda sanayi alaka vardır. Düşük gerilme-oranlarında yetmezliği genellikle yüksek gerilme oranları ile, uzun ince bir örnek uçlarından gerilim yüklü olduğu konvansiyonel gerilim testleri yoluyla incelenmiştir birlikte böyle bir geometri / konfigürasyon muhafaza edilmesi amacıyla çok küçük bir numune gerektirir test boyunca sözde mekanik denge. Böylece tek bir çatlak görünümünü, çevresindeki malzemenin etkin bir şekilde, herhangi bir bitişik yetmezliği siteye gelişiminin durdurulması, rahat olacaktır. Bu aynı zamanda herhangi bir deneyde gözlemlenebilir kırıkların sayısını sınırlar ve tespit edilecek başarısızlık istatistiği ile ilgili önemli bilgiler engeller.
genişleyen silindir testi şekilde karakterize etmek için iyi bilinen bir teknik olan materya bölgesindekils başarısız ve yüksek hızlı yük altında fragmanı. Testte, ilgi konusu bir malzemeden yapılmış bir tüp eşit duvarda bir basınç dalgası başlatılması ve silindir genleşmesine neden, iç çevresi boyunca yüklenir. Yakında bu radyal dalga yayar ve çevresi düzgün bir gerilme çember stresi hakimdir. Gerilme ve şekil değiştirme oranı gibi kırılma ve parçalanma davranışı malzemenin özelliklerine göre yalnızca yönetilir silindirin etrafına aynıdır. Test genellikle büyük örnek çevreleri üniforma stres 1 altında birden fazla arıza sitelerinin başlatılmasını teşvik olarak yukarıda belirtilen sorunu azaltır.
Bu deneysel tekniğinin geliştirilmesi temel amaç genişleyen silindir kırılma ve parçalanma davranış sıcaklığın rolü çalışma sağlamaktı. numune sıcaklığının kontrolü ne kadar dinamik gerilim kuvveti araştırılmasında, kırılma mekanizması ve fragmanının sağlayacaktırmalzemenin entation davranışı etkilenir. Metallerde Örneğin, sıcaklığın artış sonuçta başarısız önce fazla plastik işi uzlaşmacı, sünek kırılma kırılgan bir kaymasına neden olabilir. Böyle Ti-6Al-4V gibi bazı malzemeler de adyabatik kayma yerelleştirme 2 sergileyebilir. Örnek deforme ederken, plastik çalışma ısı üretir. Bu sıcaklık artışı sonucunda yumuşatıcı oranı deformasyon sertleştirme çalışma hızından daha büyük olduğu takdirde, plastik deformasyon büyük bir miktarı, bir çok lokal bir bandı (adyabatik kesme bant) 'de meydana geldiği, bir istikrarsızlık oluşturabilir. Bu yanıt bir nedeniyle zayıf ısı iletkenliği Ti-6Al-4V teşvik edilmektedir, ve potansiyel olarak bu tür hafif zırh gibi uygulamalar için etkinliğini kısıtlayabilir.
Bu yeni test yaklaşımı iki temel kriterleri karşılaması gerekir. Öncelikle, yöntem 10 4 saniye -1 sırasına bir radyal gerilme oranı üretmek gerekir, genellikle balistik görülen vedarbe olayları, daha geleneksel yükleme düzenleri istihdam önceki çalışmalara karşılaştırma yapılmasına olanak sağlayacak. İkincisi, tahrik mekanizması deneyler arasında tutarlılığı sağlamak için numune sıcaklığı etkilenmemiş olması gerekir. İlk silindir genişletme mekanizmaları ya sadece doğrudan örnek silindiri 3-5 doldurma veya bir ara sürücüsünü kullanarak, patlayıcı ücretleri kullanılır. İkinci durumda bir tampon numunesi da bir patlayıcı içeren bir çelik silindir üzerine yerleştirilmiştir 6 kullanılır. bariz bir sınırlılık, Örnek silindiri (patlayıcının biçiminde) işletim malzeme ihtiva silindiri ısıtma da yükü ısıtmak olmasıdır. Bu doğrudan ücretten başlatılmasını neden olmasa da patlayıcının birçok çeşit örnek silindirden dışarı eriyecek bir polimerik bağlayıcı madde içerir. Soğuduğunda Aynı şekilde, bazı patlayıcılar son derece hassas hale gelir. Bu patlayıcı sürücüler sıcaklığı çalışma için uygun değildir anlamına gelir. Bir alternatifyöntem genişleme Lorentz kuvveti kullanır – örnek sürücü bobin 7, 8 üzerine yerleştirilir yüksek akım örnekteki tersi bir akımı indükleyen, bu sürücü bobin (genellikle ağır göstergesi bakır tel) enjekte edilir.. Bu karşıt akımlar birbirlerine karşı hareket manyetik alanlar, manyetik basınç iç yüzeyinden dışarı doğru örnek sürüş ilişkili olması. Yine, malzemenin ısıtılması olumsuz numune içindeki bakır bobin sürücü etkileyecektir. Gaz tabancalar 1970'lerin sonlarından bu yana 9 silindir genişlemesi için kullanılmaktadır. Bu deneylerde, silindir içinde ekleme için kullanılan malzeme, bir polimer tahrik hem de merminin bir sonucu olarak verilen ve darbe ile deforme yerleştirin vardır. Bu parça, tipik haliyle bir lastik ya da plastik 10, ciddi ısı etkilenecek olan gücü ve süneklik. Isıtma elemanı çok yumuşak hale getirecek ve soğutma zamanından önce başarısız bu yüzden kırılgan bir şekilde davranır yapacaktır.
<p cÖnceki silindirde genleşen tekniklerin aksine lass = "jove_content">, burada açıklanan yöntem, sıcaklıkları (100-1000 K) geniş bir aralık üzerinde tekrar edilebilir bir yükleme sürücü sağlamak için ilk. Bizim tekniği (bizim durumumuzda mermi) genişleme sürmek için kullanılan malzeme çarpma noktasına kadar silindirden ayrı olmasından tektir. Sonuç olarak, örnek silindirin başlangıç sıcaklığından etkilenmez ve tekrarlanabilir yük sağlar.Deneysel geometrisi silindirin uzunluğu boyunca yaklaşık yarısı bulunan ucu ile hedef silindir içine monte ogive bir çelikten oluşmuştur. Bir tek aşamada hafif gaz gun daha sonra 1000 metre / saniyeye kadar hızlarda silindire bir konkav yüzü olan bir polikarbonat mermi başlatmak için kullanılır -1. Hedefin eksen silindir dikkatle tekrarlanabilir ve homojen yük kolaylaştırmak için gaz namlu eksenine hizalanmış olduğunu. po etkisi ve sonraki akışsözde sert çelik ogive etrafında lycarbonate mermi, iç duvarından genişleme içine silindir sürücüler. ogive insert ve merminin konkav yüzü geometrisi dikkatle silindirin istenilen genişleme oluşturmak için hidro-kod bilgisayar simülasyonları kullanarak optimize edilmiştir. Gücünü tahrik mekanizması tutarlı kalır sağlanması, ilgi konusu sıcaklık aralığı üzerinde polikarbonat merminin çok daha yüksek olduğu için ogive 4340 alaşımlı çelik kullanma sıcaklıkta silindir ile deney sağlar. Isıtılmış ve soğutulmuş deneylerden kazanılan Ogives yalnızca etkinin bir sonucu olarak en az deformasyon sergiler.
Örnek silindirin ısıtma ve soğutma ogive ucun arka işlenmiş bir girinti içine sıcaklık kontrol donanımı yüklenmesi ile gerçekleştirilir. Kriyojenik sıcaklıklarda (~ 100 K) numunenin soğutma için, ogive girinti, bir alüminyum kapak ile kapatıldı ve sıvı azot F'dirboşluğu yoluyla izin verilmelidir. Hedef silindir gibi örnek iletimi yoluyla soğutulur ogive ile büyük bir temas alanı vardır. 1000 K yaklaşan sıcaklıklarda hedef silindir ısıtmak için, bir seramik ve Nikrom direnç ısıtıcısı ogive girintiye yerleştirilir. Bir yüksek akım güç kaynağı ogive ve silindir ısıtma, 1 kW'a kadar sağlar. Silindir ve ogive termal hedeften izole edilmiştir MACOR seramik aralama kullanımı yoluyla tek aşamalı gaz-gun monte. Tank termal manipülasyon yardımları deney sırasında orta vakum (<0.5 Torr) altında tutulur.
Silindirin parçalanma sürecini teşhis etmek amacıyla, deneysel tasarım silindir boyunca noktalarda genişleme hızını ölçmek için, frekans-dönüşüm PDV birden fazla kanalı içerir. PDV derece dinamik olaylar sırasında yüzey hızlarının ölçümü sağlayan nispeten yeni 11, fiber optik bazlı interferometri tekniğidir. Bir PDV Ölçüm sırasında, Doppler ışığı hareket eden yüzey hızı ile doğrudan orantılı olan bir atım frekansı oluşturmak un kaydırmalı ışık ile birleştirilmiş olan bir fiber optik prob kullanılarak ilgi konusu bir hareket eden yüzey yansıyan kaymıştır. Esasen, bir PDV sistem GHz aralığındaki rekor yendi frekanslarına yakın kızıl ötesi (1.550 mil) iletişim teknolojisindeki gelişmeler kullanılarak hızlı Michelson interferometresi olduğunu. Mevcut çalışmada kullanılan 100 mm odak uzunluklu PDV problar için montaj sistemi bu silindirin sıcaklığı izole edilir ve kolayca uyum sağlar olmasını sağlar. 100 mm'lik odak uzaklığı problar kullanılarak ek bir avantajı, bütün silindirin genişlemesi profilini ölçmek için yüksek hızlı fotoğraf mümkün kılmak için yeterli bir optik erişim sağlamasıdır. . silindir boyunca dört sonda, MS düzenlenmesi ve konumu, Şekil 1 'de gösterilen iki adet yüksek hızlı kameralar burada kullanılmaktadır; yüksek hızlı video kamera Phantom V16.10 24 fotoğraf çekimi, 250.000 fps ve IVV UHSi 12/24 çerçeveleme kameraya çalışan. IVV kamera silindir doğru izlenebilir silindirin radyal genişleyen kenarı sağlayan siluet aydınlatılmış şekilde aydınlatılan edilir. Phantom kamera arızası başlatma ve parçalanma sürecini görüntüleme ışıklı cephesidir. yüksek hızlı fotoğrafçılık sonra tam numune boyunca zorlanma ve gerilme oran vermek velosimetri ile ilişkili olabilir. yüksek hızda görüntüleme da başarısızlık suşu doğru ölçü ve yüzey boyunca kırık desenleri sağlar.
Aşağıdaki protokol bölümünde sunulan deneysel teknik, farklı bir kırılma mekanizmaları aktif ya da bastırılabilir içinden genişleyen silindir deneyde, örnek sıcaklığını kontrol etmek için bir araç sağlar. Bu teknik, dinamik yükleme senaryoları sıcaklığın rolünün daha kapsamlı bir anlayışa yol açacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yöntem, bu tasarım özgü, ~ 1000 K'ye kriyojenik gelen, geniş bir sıcaklık aralığı üzerinde gerilme yüküne yüksek oranlarda malzeme inceleme sağlar. Ancak, bu deney düzeneği ve yürütme bazı zorlukları ekler. İlk olarak, ogive uç uygun bir malzemeden talaşlı gereken sıcaklık kontrolünü optimize etmek. Herhangi bir yüksek sıcaklık, yüksek sertlik Çelik yeterli olacaktır, ancak 4340 çeliği, burada kullanılmıştır. Tüm genişleme Sürücü artık polimer merminin kaynaklı olar…
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).
