שיטת לימוד התלות בטמפרטורה של דינמי שבר ופיצול
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
הבר הדינמי של גוף הוא תופעה בשלב מאוחר למדה בדרך כלל בתנאים פשוטים, שבו דגימה מעוות תחת לחץ אחיד ושיעור מתח. זה יכול להיות מיוצר על ידי באופן שווה טעינת המשטח הפנימי של גליל. בשל הסימטריה הצירית, כגליל מרחיב את הקיר ממוקם לתוך חישוק לחץ מתיחה שהוא אחיד סביב ההיקף. אמנם יש טכניקות שונות כדי ליצור הרחבה זו, כגון חומרי נפץ, כונן אלקטרומגנטים, וטכניקות אקדח גז קיימות הם כולם מוגבלים בעובדה שגליל המדגם חייב להיות בטמפרטורת חדר. אנו מציגים שיטה חדשה באמצעות אקדח גז המאפשר ניסויים בבלונים מ -150 K 800 K עם טעינה עקבית, הדיר. ניסויים אובחנו מאוד אלה משמשים לבחינת ההשפעה של טמפרטורה על מנגנוני שבר אחראים לכישלון, וכתוצאה מכך ההשפעה שלהם על סטטיסטיקת פיצול. הגיאומטריה הניסיונית מעסיקהogive הפלדה ממוקם בתוך צילינדר היעד, עם הקצה הממוקם בערך באמצע הדרך ב. אקדח גז אור שלב אחד לאחר מכן נעשה שימוש כדי להפעיל קליע פוליקרבונט לתוך הצילינדר ב 1000 מ '/ שנייה -1. השפעות והקליע זורמת סביב ogive הנוקשה, נהיגה גליל המדגם מבפנים. השימוש בהוספת ogive לא לעוות מאפשרת לנו להתקין חומרת בקרת טמפרטורה בתוך האחורי של הגליל. חנקן נוזלי (LN 2) משמש לקירור ועומס נוכחי גבוה התנגדות לחימום. ערוצים מרובים של velocimetry דופלר פוטון upshifted (PDV) לעקוב אחר מהירות ההתרחבות לאורך הצילינדר המאפשר השוואה ישירה להדמיות מחשב, תוך הדמיה מהירות גבוהה משמשת למדידת המתח לכישלון. שברי הגליל התאוששו כפופים גם למיקרוסקופיה אופטית ואלקטרונים כדי לברר את מנגנון הכשל.
Introduction
הכישלון הדינמי של חומר הוא היבט חשוב של ההתנהגות המכנית הכוללת שלה, ויש לו רלוונטי למספר רבה של תעשיות, כולל, תעופה וחלל, וצבאי רכב כדי שם כמה. בעוד כישלון בזן שיעורים נמוכים הוא למד בדרך כלל באמצעות בדיקות קונבנציונליות מתח, שבו דגימה דקה ארוכה טעונה במתח מהקצוות, בשיעורים גבוהים מתח גיאומטריה / תצורה כזו דורשת מדגם להיות קטנים מאוד על מנת לשמור על שיווי משקל פסאודו-מכאני לאורך כל הבדיקה. בהופעתו של סדק יחיד, החומר שמסביב יהיה רגוע, ביעילות לעצור את הפיתוח של כל אתרי כישלון סמוכים. זה מגביל את מספר השברים שניתן לצפות בו זמנית בכל ניסוי אחד, ומונע מידע חשוב בנוגע לסטטיסטיקה של כישלון שתיקבע.
מבחן גליל הרחבת הוא טכניקה מבוססת היטב לאפיון האופן שבו מאטריהLS להיכשל ושבר תחת העמסה במהירות גבוהה. בבדיקה, גליל עשוי מהחומר של עניין טעון באופן אחיד לאורך ההיקף הפנימי שלה, משיק גל מתח דרך הקיר וגרם לגליל להרחבה. בקרוב גל רדיאלי זה מתפוגג ולחץ חישוק מתיחה אחיד סביב ההיקף שולט. כשיעור לחץ והמתח הוא אותו סביב הגליל שבר ופיצול ההתנהגות נשלטת אך ורק על ידי התכונות של החומר. הבדיקה מקלה על הבעיה כאמורה לעיל היקפי מדגם בדרך כלל גדולים לקדם ייזום של אתרי כישלון מרובים תחת לחץ אחיד 1.
המטרה העיקרית בפיתוח טכניקה ניסיונית זו הייתה לאפשר ללימוד התפקיד של טמפרטורה שבבר ופיצול ההתנהגות של גליל הרחבת. השליטה בטמפרטורת המדגם תאפשר לחקירה של כמה חוזק המתיחה הדינמי, מנגנון שבר, וfragmentation התנהגות של החומר מושפעת. לדוגמא במתכות, עלייה בטמפרטורה יכולה לגרום למעבר משביר לבר רקיע, אדיב עבודת פלסטיק יותר לפני סופו של הדבר נכשל. כמה חומרים כגון טי-6Al-4V יכולים גם להציג גזירת adiabatic לוקליזציה 2. בעוד המדגם מעווה, עבודת הפלסטיק מייצרת חום. אם שיעור ריכוך כתוצאה מעליית טמפרטורה זו הוא גדול יותר מהשיעור של התקשות עבודה מהעיוות, חוסר יציבות יכולה להיווצר בו כמות גדולה של דפורמציה פלסטית מתרחשת בלהקה מאוד מקומי (להקת גזירת adiabatic). תגובה זו היא לקדם בטי-6Al-4V בשל מוליכות תרמית העניים שלה, ובאופן פוטנציאלי יכולה להגביל את האפקטיביות שלה עבור יישומים כגון שריון קל משקל.
גישה חדשה לבדיקה זו חייבת לספק את שני קריטריונים עיקריים. ראשית, השיטה חייבת לייצר שיעור מתח רדיאלי על בסדר הגודל של 10 שניות 4 -1, לראות בדרך כלל בבליסטי ואירועי השפעה, כדי לאפשר השוואה למחקרים קודמים העסקת תוכניות טעינה מסורתיות יותר. שנית, מנגנון הכונן צריך להיות מושפע מטמפרטורת המדגם כדי להבטיח עקביות בין ניסויים. מנגנוני הרחבת גליל ראשוניים משמשים מטעני חבלה, או פשוט ממלא את גליל מדגם 3-5 ישירות או באמצעות נהג ביניים. במקרה האחרון משמש חיץ 6, שבו המדגם ממוקם מעל גליל פלדה שבתורו מכיל מטען חבלה. המגבלה הברורה היא שככל שגליל המדגם מכיל חומר הכונן (בצורה של חומר הנפץ) חימום הגליל יהיה גם לחמם את תשלום. אמנם זה לא יכול לגרום ישירות ייזום תשלום סוגים רבים של חומר נפץ מכילים חומר פולימרי קלסר שיתמוסס מ- גליל המדגם. כמו כן, כמה חומרי נפץ להיות רגישים מאוד כאשר התקררו. משמעות דבר היא כי כונני נפץ אינם מתאימים למחקר טמפרטורה. חלופי שיטה משתמשת בכח לורנץ להרחבה – המדגם ממוקם מעל סליל נהג 7, 8 נוכחי גבוהה מוזרק לתוך סליל זה נהג (בדרך כלל כבדים חוטי נחושת מד), גרימה נוכחית הפוכה במדגם.. זרמים המנוגדים אלה הקשורים שדות מגנטיים הפועלים נגד אחד את השני, הלחץ המגנטי נהיגה המדגם החוצה מהפרצוף הפנימי. שוב, חימום החומר ישפיע לרעה על הסליל נחושת בתוך כונן המדגם. רובי גז שימשו להרחבת גליל מאז סוף 1970 9. בניסויים אלו החומר המשמש להוספה בגליל הוא פולימר, הכונן מגיע כתוצאה משני הקליעים והכנס עיוות בהשפעה. עלון זה הוא בדרך כלל גומי או פלסטיק 10, הכוח והגמישות של אשר משפיע באופן חמור על ידי טמפרטורה. חימום יעשה את הכנס רך מדי, וקירור יהיה לגרום לו להתנהג בצורה כל כך שבירה ייכשל בטרם עת.
<p c= "Jove_content" ילדה> שלא כמו טכניקות הרחבת צילינדר קודמות, בשיטה המתוארת כאן היא ראשון שמספק כונן טעינת הדיר על פני טווח רחב של טמפרטורות (100-1,000 K). הטכניקה שלנו היא ייחודית בכך שהחומר המשמש לנהיגת ההרחבה (במקרה שלנו הקליע) הוא נפרד מהגליל ועד לנקודת פגיעה. כתוצאה מכך, הוא אינו מושפע מהטמפרטורה הראשונית של גליל המדגם ומספק עומס הדיר.הגיאומטריה הניסיונית מורכבת מפלדה ogive רכוב בתוך צילינדר היעד, עם הקצה הממוקם בערך באמצע הדרך לאורכו של הגליל. אקדח גז אור שלב אחד לאחר מכן נעשה שימוש כדי להפעיל קליע פוליקרבונט עם פנים קעורים לתוך הצילינדר במהירויות של עד 1,000 מטר / שנייה -1. הציר של היעד הוא צילינדר מיושר היטב לציר של חבית גז האקדח כדי להקל על עומס הדיר ואחיד. זרימת ההשפעה ולאחר מכן של פוקליע lycarbonate סביב ogive הפלדה פסאודו-נוקשה, מניע את הגליל לתוך הרחבה מהקיר הפנימי. היו הגיאומטריה של להכניס את ogive והפנים קעורים של הקליע אופטימיזציה בזהירות בעזרת הדמיות מחשב הידרו-קוד על מנת ליצור את ההרחבה הרצויה של הגליל. שימוש 4340 סגסוגת פלדה לogive מאפשר התנסות בגליל בטמפרטורה ככח שלה הוא גבוה בהרבה מקליע פוליקרבונט על פני טווח הטמפרטורה של עניין, להבטיח את מנגנון הכונן נשאר עקבי. Ogives התאושש מניסויים מחוממים ומקוררים רק להפגין עיוות מינימאלית כתוצאה מההשפעה.
החימום והקירור של גליל המדגם נעשה על ידי ההתקנה של חומרת בקרת טמפרטורה להפסקה במכונה בחלקו האחורי של עלון ogive. לקירור המדגם בקירור (~ 100 K), הפגרה בogive היא חתומה עם מכסה אלומיניום והחנקן נוזלי הוא Fגעה דרך החלל. כצילינדר היעד יש שטח מגע גדול עם ogive המדגם הוא מקורר באמצעות הולכה. כדי לחמם את גליל היעד לטמפרטורות מתקרבות 1,000 K, תנור קרמי והתנגדות nichrome ממוקם בפגרת ogive. אספקת חשמל נוכחית גבוהה מספקת עד 1 קילוואט, חימום ogive והגליל. הגליל וogive מבודדים תרמית מהיעד הר בגז אקדח שלב אחד באמצעות מפרידי קרמיקה MACOR. הטנק הוא גם החזיק תחת ואקום מתון (<0.5 Torr) במהלך הניסוי אשר מסייע מניפולציה תרמית.
על מנת לאבחן את תהליך הפיצול של הגליל, תכנון הניסוי כולל מספר רב של ערוצים של תדר-המרת PDV, כדי למדוד את מהירות ההתרחבות בנקודות לאורך הגליל. PDV הוא טכניקה חדשה יחסית 11, סיבים אופטיים המבוססת אינטרפרומטריה המאפשרת המדידה של מהירויות פני השטח במהלך אירועים דינמיים מאוד. במהלך מדידת PDV, דופלר העביר אור מוחזר ממשטח מרגש של עניין באמצעות בדיקה סיבים אופטיים בשילוב עם אור-נע האו"ם, יצירת תדר פעימה שעומדים ביחס ישר למהירות של פני השטח המרגש. בעיקרו של דבר, מערכת PDV הוא interferometer מייקלסון מהיר באמצעות התקדמות טכנולוגית האינפרה-אדום קרוב (1,550 ננומטר) תקשורת לתדרים הכו שיא בטווח GHz. מערכת ההרכבה לבדיקות PDV 100 מ"מ אורך המוקד השתמשו במחקר הנוכחי מבטיחה כי הם מבודדים מהטמפרטורה של הגליל ומספק יישור קל. יתרון נוסף של שימוש בבדיקות אורך מוקד 100 מ"מ הוא שהם מספקים גישה אופטית מספיק כדי לאפשר צילום במהירות גבוה כדי למדוד את פרופיל הרחבת כל הצילינדר. ההסדר והמיקום של ארבע בדיקות, הספירה, לאורך הגליל מוצג באיור 1 שתי מצלמות מהירות גבוהה מועסקות כאן.; מצלמת וידאו במהירות גבוהה הפנטום V16.10 הפועלים ב250,000 fps ומצלמה 12/24 מסגור IVV UHSi, לכידת 24 תמונות. המצלמה IVV היא תאורה אחורית כך שהגליל מואר בצללית מאפשרת קצה רדיאלית הרחבת של הגליל כדי להיות במעקב מדויק. המצלמה הפנטום היא החזית מוארת הדמיה תהליך חניכת כישלון ופיצול. צילום במהירות הגבוה אז יכול להיות מתואם עם velocimetry לתת מתח ושיעור מתח לאורך המדגם המלא. ההדמיה במהירות הגבוהה גם מאפשרת למידה מדויקת של מתח כישלון ודפוסי שבר על פני השטח.
הטכניקה הניסיונית שהוצגה בסעיף הפרוטוקול הבא מספקת אמצעי לשליטה על טמפרטורת המדגם בניסוי גליל הרחבת, שדרכו מנגנוני שבר שונים עשויים להיות מופעלים או מדוכא. טכניקה זו תוביל להבנה מקיפה יותר של התפקיד של טמפרטורה בתרחישי טעינה דינמיות.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטה זו מאפשרת חקירה של חומרים בשיעורים גבוהים של העמסת מתיחה על פני טווח רחב של טמפרטורות, מקריוגני ל~ 1000 K, ייחודי לעיצוב זה. עם זאת, זה מוסיף אתגרים מסוימים להגדרה וביצוע הניסויי. ראשית, כדי לייעל את בקרת הטמפרטורה להוסיף ogive צריך להיות במכונה מחומר מתאים. 4340 פלדה משמ?…
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).
