Eine Methode zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der dynamischen Bruch und Fragmentierung
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
Die dynamische Bruch eines Körpers ist ein Late-Stage-Phänomen in der Regel unter vereinfachten Bedingungen, in dem eine Probe unter einheitlichen Stress und Belastung verformt Rate untersucht. Dies kann durch gleichmäßiges Laden der inneren Oberfläche eines Zylinders erzeugt werden. Aufgrund der Rotationssymmetrie, da die Zylinder dehnt sich die Wand in eine Zug- Umfangsspannung, die uniform über den Umfang angeordnet ist. Zwar gibt es verschiedene Techniken, um diese Ausdehnung zu erzeugen, wie Sprengstoffe, elektromagnetischem Antrieb bestehenden Gaskanone Techniken sind sie alle in der Tatsache, dass der Probenzylinder muss bei Raumtemperatur begrenzt. Wir präsentieren ein neues Verfahren, das eine Gas-Pistole, die Experimente an Zylindern von 150 K bis 800 K mit einer konsistenten, reproduzierbaren Beladung erleichtert. Diese hoch diagnostiziert Experimente werden verwendet, um die Wirkung der Temperatur auf die Bruchmechanismen Ausfall verantwortlich, und die daraus resultierenden Einfluss auf Fragmentierungsstatistik zu untersuchen. Die experimentelle Geometrie beschäftigt einStahlspitzbogen innerhalb der Zielzylinder befindet, mit der Spitze in etwa auf halber Strecke befindet. Eine einstufige Leichtgaskanone wird dann verwendet, um ein Polycarbonat Projektil in den Zylinder bei 1000 m / sec -1 starten. Das Projektil Auswirkungen und umströmt den starren Ogive und treibt den Probenzylinder von innen. Die Verwendung eines nicht verformbaren Ogive Einsatz ermöglicht es uns, eine Temperatursteuerung Hardware innerhalb der Rückseite des Zylinders benötigt. Flüssigen Stickstoff (LN 2) zum Kühlen und eine resistive hoher Strombelastung für die Heizung verwendet wird. Mehrere Kanäle von hochgeschalteten Photonen Doppler-Geschwindigkeits (PDV) verfolgen die Expansionsgeschwindigkeit entlang des Zylinders, die direkten Vergleich mit Computersimulationen, während High-Speed-Bildgebung verwendet wird, um die Belastung bis zum Versagen zu messen. Die wiedergewonnenen Zylinder Fragmente unterliegen auch optische und Elektronenmikroskopie, um den Fehlermechanismus zu ermitteln.
Introduction
Die dynamische Ausfall eines Materials ist ein wichtiger Aspekt seiner Gesamt mechanische Verhalten und hat Relevanz für zahlreiche Branchen, darunter Automotive, Luft- und Raumfahrt und Militär, um nur einige zu nennen. Beim Versagen bei niedrigen Verformungsraten wird typischerweise durch konventionelle Zugtests, in dem eine lange dünne Probe unter Spannung von den Enden geladen wird, bei hohen Dehnraten sucht solche Geometrie / Konfiguration erfordert eine Probe, um eine Aufrechterhaltung sehr klein zu sein pseudo-mechanischen Gleichgewicht während der gesamten Prüfung. Beim Auftreten eines einzelnen Risses, wird das umgebende Material gelockert werden, effektiv Anhalten der Entwicklung von irgendwelchen benachbarten Ausfall Webseiten. Dies begrenzt die Anzahl der Frakturen, die gleichzeitig in einem Experiment beobachtet werden kann, und verhindert, dass wichtige Informationen bezüglich der Spiel Ausfall zu bestimmen.
Der Spreizzylinder Test ist eine gut etablierte Technik für die Charakterisierung der Art und Weise, Materials scheitern und Fragment unter hoher Geschwindigkeit geladen. In dem Test wird ein Zylinder aus dem Material von Interesse gemacht gleichmäßig entlang seinem Innenumfang geladen, die Einleitung einer Spannungswelle durch die Wand und Bewirken der Zylinder expandieren. Bald wird diese radiale Wellen abführt und eine gleichmäßige Zug- Ringspannung um den Umfang beherrscht. Da die Spannungs- und Dehnungsrate dieselbe um den Zylinder und die Bruchfragmentierungsverhalten wird allein durch die Eigenschaften des Materials bestimmt. Der Test lindert das oben genannte Problem, da die in der Regel großen Probenumfängen fördern Einleitung Mehrfachversagen Websites unter gleichmäßige Spannungs 1.
Das Hauptziel bei der Entwicklung dieser Untersuchungen wurden über die Untersuchung der Rolle der Temperatur bei der Bruch und Fragmentierungsverhalten eines expandierenden Zylinders zu ermöglichen. Die Steuerung der Probentemperatur wird für die Untersuchung, wie die dynamische Zugfestigkeit, Bruchmechanismus und fragm ermöglichenentation Verhalten des Materials beeinträchtigt wird. Zum Beispiel in Metallen kann eine Temperaturerhöhung eine Verschiebung von spröde Verformungsbruch verursachen, Aufnahme plastischer Arbeit, bevor letztlich scheitern. Einige Materialien, wie beispielsweise Ti-6Al-4V kann auch aufweisen adiabatischen Scherlokalisierungs 2. Während die Probe verformt, erzeugt das Kunststoffwerk Wärme. Wenn die Rate der Erweichung als Ergebnis dieser Temperaturanstieg größer als die Geschwindigkeit der Verfestigung von der Verformung ist, kann eine Instabilität zu bilden, wo eine große Menge an Kunststoffverformung in einer sehr lokalisierten Band (adiabatische Scherb) auftritt. Diese Antwort wird in Ti-6Al-4V aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit gefördert und kann dessen Wirksamkeit potentiell beschränken für Anwendungen wie leichte Panzerung.
Diese neue Testansatz müssen zwei Hauptkriterien erfüllen. Erstens muss die Methode eine radiale Verformungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 10 4 sec -1 erzeugen, in der Regel in ballistischen gesehen undSchlagereignisse, um einen Vergleich zu früheren Studien mit mehr traditionellen Ladesystemen zu ermöglichen. Zweitens muss der Antrieb von der Probentemperatur nicht beeinflusst, um die Kohärenz zwischen den Experimenten zu gewährleisten. Initial Zylinder Ausfahrmechanismen verwendet Sprengladungen, entweder einfach direkt Füllen der Probenzylinder 3-5 oder unter Verwendung eines Zwischentreibers. Im letzteren Fall wird ein Puffer verwendet, 6, wobei die Probe über einen Stahlzylinder, der wiederum eine Sprengladung enthält, platziert. Die offensichtliche Beschränkung ist, dass, wenn die Probe Zylinder enthält die Antriebs Material (in der Form des Sprengstoffs) Erhitzen des Zylinders wird auch die Ladung aufzuheizen. Auch wenn dies nicht direkt Initiierung der Ladung führen, dass viele Arten von Sprengstoff enthalten ein polymeres Bindemittel, das aus dem Probenzylinder schmilzt. Ebenso einige Sprengstoffe werden hochempfindliche, wenn gekühlt. Dies bedeutet, dass explosive Antriebe geeignet für Temperatur Studie nicht. Eine AlternativeMethode verwendet die Lorentz-Kraft für die Expansion – die Probe wird über eine Treiberspule 7, 8 platziert ein hoher Strom in diese Antriebsspule (typischerweise dickem Kupferdraht) eingespritzt wird, induziert eine entgegengesetzte Strom in der Probe.. Diese gegensätzlichen Strömungen assoziiert Magnetfeldern, die gegeneinander wirken, der magnetische Druck Antrieb der Probe nach außen von der Innenfläche. Auch Erhitzen des Materials beeinträchtigen die Kupferantriebsspule im Inneren der Probe. Gaspistolen haben für Zylinder Expansion seit den späten 1970er Jahren 9 verwendet. In diesen Experimenten wurde die für den Einsatz in dem Zylinder verwendete Material ist ein Polymer, das Laufwerk kommt als Folge sowohl des Projektils und legen Verformen Wirkung. Dieser Einsatz ist typischerweise ein Gummi oder Kunststoff 10 wird die Festigkeit und Duktilität von denen durch die Temperatur stark beeinflußt werden. Heizung machen den Einsatz zu weich, und Kühlen wird es in einem spröden Weise zu verhalten, damit es nicht zu früh.
<p class = "jove_content"> Im Gegensatz zu früheren Zylinder Expansionstechniken, ist das hier beschriebene Verfahren der Erste, der eine wiederholbare Loading Laufwerk über einen weiten Temperaturbereich (100-1000 K) bereitzustellen. Unsere Technik ist in der Tatsache, dass die für den Antrieb des Expansions (in unserem Fall das Projektil) verwendete Material getrennt von dem Zylinder bis zum Aufprallpunkt ist einzigartig. Folglich ist es unabhängig von der Ausgangstemperatur der Probenzylinder und stellt eine wiederholbare Last.Die experimentelle Geometrie besteht aus einem Stahl Ogive innerhalb der Zielzylinder angebracht, wobei die Spitze etwa auf halbem Weg entlang der Länge des Zylinders. Eine einstufige Leichtgaskanone wird dann verwendet, um ein Polycarbonat Projektil mit einer konkaven Fläche in den Zylinder bei Geschwindigkeiten bis zu 1.000 m / sec -1 starten. Die Achse des Targets Zylinder vorsichtig zu der Achse des gasGewehrLauf ausgerichtet sind, um eine reproduzierbare und gleichmäßige Belastung zu erleichtern. Die Auswirkungen und anschließende Strömung des polycarbonate Projektils um die pseudo-starren Stahl Ogive, treibt den Zylinder in Expansion von der Innenwand. Die Geometrie des Spitzeinsatz und der konkaven Fläche des Projektils wurden sorgfältig optimierten Verwendung hydro-Code Computersimulationen, um die gewünschte Expansion der Flasche zu erzeugen. Verwendung 4340 Stahllegierung für die Ogive ermöglicht Experimente mit dem Zylinder bei einer Temperatur als seine Stärke ist viel höher als die Polycarbonat Geschosses über den Temperaturbereich von Interesse, wodurch der Antriebsmechanismus konsistent bleibt. Ogives von beheizten und gekühlten Experimenten gewonnen weisen nur minimale Verformung infolge des Aufpralls.
Das Erwärmen und Abkühlen des Probenzylinder wird durch den Einbau von Temperatursteuereinrichtungen in einer bearbeiteten Ausnehmung in der Rückseite des Spitzeinsatz erreicht. Zum Kühlen der Probe auf kryogene Temperaturen (~ 100 K), ist die Aussparung in der Ogive mit einem Aluminiumdeckel verschlossen und mit flüssigem Stickstoff ist fdingt beachtet durch den Hohlraum. Als Zielzylinder hat einen großen Kontaktbereich mit der Ogive die Probe wird durch Wärmeleitung gekühlt. Um den Zielzylinder zu Temperaturen von annähernd 1.000 K zu erhitzen, ist ein Keramikmaterial und Nichrom-Widerstandsheizung in der Ogive Aussparung platziert. Eine hohe Stromnetzteil liefert bis zu 1 kW, Erhitzen der Spitzbogen und Zylinder. Der Zylinder und Ogive thermisch vom Target getrennt Lagers im einstufigen Gaspistole durch den Einsatz von MACOR keramischen Abstandshaltern. Der Tank ist auch unter mäßigem Vakuum (<0,5 Torr) während des Versuchs, die thermische Manipulation hilft statt.
Um die Fragmentierung des Zylinders zu diagnostizieren, das experimentelle Design umfasst mehrere Kanäle von Frequenzwandlung PDV, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit an den Punkten entlang des Zylinders zu messen. PDV ist eine relativ neue 11, Glasfaser basiert Interferometrie, welche die Messung der Oberflächengeschwindigkeit während der hochdynamischen Ereignissen ermöglicht. Während eines PDV Messung, verschoben Doppler Licht von einer sich bewegenden Fläche von Interesse reflektiert Verwendung einer faseroptischen Sonde mit nicht-verschobene Licht kombiniert, wodurch ein Schwebungsfrequenz, die direkt proportional zu der Geschwindigkeit der sich bewegenden Oberfläche ist. Im Wesentlichen ist eine PDV-System eine schnelle Michelson-Interferometer mit Fortschritten in der Nah-Infrarot (1.550 nm) Kommunikationstechnologie auf Rekordschwebungsfrequenzen im GHz-Bereich. Das Befestigungssystem für die 100 mm Brennweite PDV Sonden in der vorliegenden Studie verwendet wird sichergestellt, dass sie von der Temperatur des Zylinders isoliert und bietet eine einfache Ausrichtung. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung der 100 mm Brennweite Sonden ist, dass sie einen ausreichenden optischen Zugang zum Aktivieren einer Hochgeschwindigkeitskamera, um das Dehnungsprofil des gesamten Zylinder zu messen. Die Anordnung und Lage der vier Sonden, AD, längs des Zylinders ist in 1 gezeigt zwei Hochgeschwindigkeitsgeräte werden hier eingesetzt. ein Hochgeschwindigkeits-Videokamera Phantom V16.10, die bei 250.000 fps und einer IVV UHSi 12/24 Framing Camera, Erfassung 24 Bilder. Die IVV Kamera ist hinterleuchtet, so dass der Zylinder in der Silhouette ermöglicht die radiale Ausdehnung Rand des Zylinders beleuchtet genau verfolgt werden. Die Phantom-Kamera ist vorne beleuchtet Abbildung des Ausfall Initiierung und Fragmentierung. Die High-Speed-Fotografie kann dann mit dem Geschwindigkeitsmessung korreliert, um Belastung und Verformungsgeschwindigkeit über die gesamte Probe zu geben. Die Hochgeschwindigkeitsabbildungs ermöglicht auch eine genaue Messung der Bruchdehnung und die Bruchmuster entlang der Fläche.
Das experimentelle Verfahren in dem folgenden Protokoll Abschnitt dargestellt stellt ein Mittel zur Steuerung der Probentemperatur in einem expandierenden Zylinder Experiment, durch die unterschiedliche Bruchmechanismen aktiviert oder unterdrückt werden. Diese Technik wird, um ein umfassenderes Verständnis der Rolle der Temperatur in dynamischer Belastung Szenarien führen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Verfahren ermöglicht die Untersuchung von Werkstoffen bei hohen Zugbelastung über einen weiten Temperaturbereich von Tieftemperatur bis ~ 1.000 K, einzigartig in diesem Design. Dies erhöht jedoch gewisse Herausforderungen für den Versuchsaufbau und Durchführung. Erstens die Optimierung der Temperatursteuerung die Ogive Einsatz muss aus einem geeigneten Material gefertigt werden. 4340 Stahl wird hier verwendet, obwohl jede Hochtemperatur-Härte Stahl sollte ausreichen. Ebenso, da die gesamte Expansion ist nun…
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
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