为研究动态断裂及破碎的温度敏感性的方法
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
一体的动态断裂是晚期现象通常简化条件下，在其中将样品均匀的应力和应变速率下变形下研究。这可以通过均匀地装入一个圆筒的内表面来制造。由于轴对称，随着气缸膨胀壁被置于拉伸箍应力即围绕圆周均匀。虽然有多种技术来产生这种扩张例如爆炸物，电磁驱动器，和现有的气枪技术它们都限定在一个事实，即样品气缸必须在室温下进行。我们提出使用气体喷枪便于实验上从150 K至800ķ缸具有一致的，可重复加载的新方法。这些高度诊断实验用来检验温度对断裂机制负责故障，以及它们对碎片统计所得的影响的效果。实验几何形状采用了钢卵形位于靶圆筒内，与位于大约一半的小费。单级光气枪，然后用于启动聚碳酸酯弹丸进入气缸在1000米/秒-1。弹丸冲击和周围的刚性顶弧流，找到从内侧样品圆柱体。使用一个不变形的拱形插入件使我们能够安装温度控制硬件缸体的后部内。液氮（LN 2）用于冷却和电阻高电流负载进行加热。的换高档光子多普勒测速（PDV）的多个信道跟踪沿气缸使直接比较计算机模拟的膨胀速度，而高速成像用于测量断裂应变。将回收筒片段也受到光学和电子显微镜，以确定失效机理。
Introduction
材料的动态破坏是其整体机械性能的一个重要方面，并具有关联到众多行业，包括汽车，航空航天和军事仅举几。而在低应变速率失败通常是通过常规的拉伸试验，在其中一个细长的样品在从端部张力加载，在高应变率研究这样的形状/配置需要一个样品是非常小的，以便保持一个整个试验伪机械平衡。在一个单一的裂缝的外观，周围的材料会放宽，有效地阻止了任何相邻失效站点的发展。这限制了可以在任一项实验中同时观察到骨折的人数，并防止有关故障的统计数据来确定的重要信息。
扩缸测试是一种行之有效的技术特征以何种方式魔石LS失败，并在高速负荷片段。在测试中，取得所关心的材料的圆筒沿其内圆周被均匀地加载，发射穿过壁的应力波和使所述圆筒膨胀。不久，这样的径向波消散和周围的圆周均匀拉伸环向应力占主导地位。为应力和应变率是断裂和破碎行为是由材料的性质完全支配气缸周围一样。测试缓解了上述问题，因为一般大样本的圆周均匀应力1下促进多个故障点开始。
在开发这种实验技术的主要目的是使温度在不断扩大的圆筒的断裂和碎裂行为中的作用的研究。的样品温度的控制将允许调查如何动态拉伸强度，断裂机制，fragm该材料的entation行为受到影响。例如在金属，温度的升高可引起从脆性转变为韧性断裂，最终失败之前容纳更多的塑料的工作。有些材料如Ti-6AL-4V也能表现出绝热剪切本地化2。而样品变形，塑性工作产生热。如果软化作为该温度升高的结果的速率大于工作从变形硬化的速率，不稳定性可以形成，其中有大量的塑性变形在一个非常局部频带（绝热剪切带）发生。这种反应被促进在钛一6A1-4V由于其导热性差，并有可能限制其有效性的应用，如轻型装甲。
这种新的测试方法必须满足两个主要标准。首先，该方法必须产生10 4秒-1的量级的径向应变率，通常见于弹道和影响的事件，让比较以往的研究多采用传统的装载方案。其次，驱动机构需要由样品温度下不受影响，以确保实验之间的一致性。最初的汽缸膨胀机构使用的炸药，要么干脆直接填充样品缸3-5或使用中间驱动程序。在后一种情况下，一个缓冲器用于6，其中样品被放置在一个钢筒，在依次包含炸药。的明显限制是，作为样品气缸装有驱动器的材料（在炸药的形式）加热缸也将加热的电荷。虽然这可能不是直接引起的电荷开始许多类型的爆炸性的含有聚合物粘合剂材料，将来自样品气缸融出。同样地，当冷却时一些炸药变得非常敏感。这意味着，炸药驱动器不适合于温度研究。另一种方法使用洛伦兹力扩张-样品被放置在一个驱动线圈7，8的高电流注入该驱动线圈（通常重型铜丝），诱导样品中的相对电流。这些对立的电流有关联的磁场而相互采取行动，磁压力的内面驱动向外样本。再次，加热该材料将产生不利的样品内的铜驱动线圈的影响。自从20世纪70年代晚9气体枪已被用于气缸膨胀。在这些实验中使用的缸中的插入件的材料是一种聚合物，所述驱动未来既是弹丸的结果，并插入变形在冲击。此插入通常是橡胶或塑料10中，强度和延展性，其中将受到严重影响的温度。暖气会使插入太软了，散热会使其行为在脆性的方式，以便它失败过早。
<p c姑娘=“jove_content”>不同于以往的扩缸技术，这里介绍的方法是先在一个很宽的温度范围内（100-1000 K）提供了一个可重复加载驱动器。我们的技术是在一个事实，即用于驱动扩张（在我们的情况下，射弹）的材料是分开的气缸直到撞击点是唯一的。因此，它不会受到样品圆柱的初始温度，并提供一个可重复的负荷。实验几何由拱形体安装在目标气缸内，与位于大约沿着圆筒的长度中途尖端一个钢。单级光气枪然后用于向上发射的聚碳酸酯弹丸的凹面进入气缸的速度下，以1000米/秒-1。靶的轴线是圆筒小心地对准到气体枪管的轴线，以便于可重复和一致的负载。宝的影响和随后的流周围的伪刚性钢风帽lycarbonate弹，带动缸到从内壁扩张。小心使用拱形体插入件和弹丸的凹面的几何形状进行了优化的水力代码的计算机模拟，以产生气缸所需的扩张。使用4340合金钢为拱形体使实验与汽缸在温度作为其强度比聚碳酸酯弹丸在感兴趣的温度范围高得多，从而确保该驱动机构保持一致。 Ogives从加热和冷却实验只追回表现出最小的变形的影响的结果。
样品圆筒的加热和冷却是通过温度控制硬件安装完成到在拱形体插入件的后部的机加工凹槽。用于冷却样品到低温（〜100 K），在拱形体的凹部是密封的铝盖和液氮为flowed通过空腔。作为目标气缸具有与样品通过传导冷却的拱形体接触面积大。来加热对象气缸到温度接近1000 K，陶瓷和镍铬合金电阻加热器被放置在拱形凹槽。高电流电源提供高达1千瓦，加热顶弧和缸体。气缸和卵形被热从目标隔离在单级气 – 炮架通过使用MACOR陶瓷隔板。该坦克还适度真空（<0.5托）下这有助于热操纵实验期间举行。
为了诊断气缸的碎裂过程中，实验设计包括变频PDV多个通道，以测量在沿着汽缸点的膨胀速度。 PDV是一个相对较新的11，基于光纤的干涉技术，该技术使得能在高动态事件表面速度的测定。在一个PDV测量，多普勒频移从感兴趣的移动表面用光纤探针是结合未移位的光，产生一个拍频成正比的移动表面的速度的反射光。从本质上讲，PDV系统是使用在近红外（1550纳米）的通信技术的进步，以在GHz范围记录的拍频快速迈克尔逊干涉仪。在当前研究中使用100毫米焦距PDV探针的安装系统可确保它们从滚筒的温度分离和提供更容易对齐。用100毫米焦距的探针的另一优点是，它们提供足够的光学访问启用高速摄影测量整个汽缸的膨胀轮廓。四个探针，AD的排列和位置，沿着汽缸示于图1的两个高速摄像机这里采用。高速摄像机幻影V16.10操作25万FPS和IVV超高速集成电路12/24幅相机，捕捉24幅图像。该IVV照相机背光，使得气缸被照亮的剪影使气缸的径向扩大的边缘被精确地跟踪。幽灵相机正面受光影像的失败并开始分段处理。高速摄影然后可以与测速相关，得到应变和应变率沿整个样本。高速成像也允许精确测量破坏应变及断裂模式沿表面。
实验方法在下面的协议部分中提供提供了一种控制在膨胀汽缸的实验中，通过该不同断裂机理可以被激活或抑制样品温度的手段。该技术会导致温度的动态负载情况下的作用，更全面的了解。
Protocol
Representative Results
Discussion
此方法使材料在拉伸加载的高速率调查在宽的温度范围内，从低温到〜1000 K，独特这种设计。然而，这增加了一定的挑战实验设置和执行。首先，以优化温度控制的拱形插入件需要由合适的材料加工。 4340钢用在这里，虽然任何高温高硬度钢应该足够了。同样，因为整个扩张驱动器现在从聚合物弹丸始发此需要从一个非脆性塑料制成，如机级聚碳酸酯在此工作。
具有插入件和…
Disclosures
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 |
References
- 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).
