गतिशील फ्रैक्चर और विखंडन का तापमान निर्भरता अध्ययन के लिए एक विधि
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
एक शरीर के गतिशील फ्रैक्चर आम तौर पर एक नमूना वर्दी तनाव और तनाव दर के तहत विकृत है जिसमें सरलीकृत शर्तों, अध्ययन के तहत एक देर चरण घटना है। यह समान रूप से एक सिलेंडर की भीतरी सतह लोड हो रहा द्वारा उत्पादित किया जा सकता है। सिलेंडर के रूप में फैलता कारण अक्षीय समरूपता के लिए, दीवार परिधि के चारों ओर एक समान है कि एक तन्यता घेरा तनाव में रखा गया है। इस तरह के विस्फोटकों, विद्युत चुम्बकीय ड्राइव के रूप में इस विस्तार उत्पन्न करने के लिए विभिन्न तकनीकों, और मौजूदा गैस बंदूक तकनीकों हैं जबकि वे सभी नमूना सिलेंडर कमरे के तापमान पर होना चाहिए कि वास्तव में सीमित कर रहे हैं। हम एक सुसंगत, repeatable लोड हो रहा है के साथ 150 कश्मीर कश्मीर से 800 से सिलेंडर पर प्रयोगों की सुविधा है कि एक गैस बंदूक का उपयोग कर एक नया तरीका मौजूद है। ये बेहद निदान प्रयोगों फ्रैक्चर विफलता के लिए जिम्मेदार तंत्र, और विखंडन के आँकड़े पर उनके जिसके परिणामस्वरूप प्रभाव पर तापमान के प्रभाव की जांच करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। प्रयोगात्मक ज्यामिति कार्यरत एकइस्पात औजाइव में आधे रास्ते के बारे में स्थित टिप के साथ, लक्ष्य सिलेंडर के अंदर स्थित है। एक ही मंच प्रकाश गैस बंदूक तो 1000 मीटर / सेकंड में सिलेंडर में एक polycarbonate फेंकने शुरू करने के लिए प्रयोग किया जाता है -1। फेंकने प्रभाव डालता है और अंदर से नमूना सिलेंडर ड्राइविंग, कठोर औजाइव चारों ओर बहती है। एक गैर deforming औजाइव डालने का उपयोग हमें सिलेंडर के पीछे के अंदर का तापमान नियंत्रण हार्डवेयर स्थापित करने के लिए अनुमति देता है। तरल नाइट्रोजन (एन 2) ठंडा और गर्म करने के लिए एक प्रतिरोधक उच्च वर्तमान लोड करने के लिए प्रयोग किया जाता है। उच्च गति इमेजिंग विफलता के लिए तनाव को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है, जबकि upshifted फोटॉन डॉपलर velocimetry (PDV) के कई चैनलों, कंप्यूटर सिमुलेशन के लिए सीधी तुलना सक्रिय करने के सिलेंडर के साथ विस्तार वेग को ट्रैक। बरामद सिलेंडर के टुकड़े भी विफलता तंत्र का पता लगाने के लिए ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के अधीन हैं।
Introduction
एक सामग्री के गतिशील विफलता अपनी समग्र यांत्रिक व्यवहार का एक महत्वपूर्ण पहलू है, और कुछ ही नाम के लिए मोटर वाहन, एयरोस्पेस, और सैन्य सहित कई उद्योगों के लिए प्रासंगिक है। कम तनाव दरों पर विफलता आम तौर पर उच्च तनाव दरों पर एक लंबी पतली नमूना छोर से तनाव में भरी हुई है, जिसमें पारंपरिक तनाव परीक्षण, के माध्यम से अध्ययन किया है जबकि इस तरह की ज्यामिति / विन्यास एक बनाए रखने के लिए बहुत छोटा होना करने के लिए एक नमूना की आवश्यकता है परीक्षण के दौरान छद्म यांत्रिक संतुलन। एक भी दरार की उपस्थिति में, आसपास के सामग्री को प्रभावी ढंग से किसी भी आसन्न विफलता साइटों के विकास को गिरफ्तार करने, आराम से हो जाएगा। यह एक साथ किसी भी एक प्रयोग में देखा जा सकता है कि फ्रैक्चर की संख्या की सीमा, और निर्धारित किया है विफलता के आंकड़ों के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी को रोकता है।
के विस्तार सिलेंडर परीक्षण ढंग निस्र्पक के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित तकनीक है जो मटेरिया मेंरास विफल रहता है और उच्च गति से लोड हो रहा तहत टुकड़ा। परीक्षण में, ब्याज की सामग्री का बना एक सिलेंडर समान रूप से दीवार के माध्यम से एक तनाव की लहर शुरू करने और सिलेंडर का विस्तार करने की है, जिससे इसकी आंतरिक परिधि के साथ भरी हुई है। जल्द ही इस रेडियल लहर dissipates और परिधि के चारों ओर एक समान तन्यता घेरा तनाव हावी है। तनाव और तनाव दर के रूप में फ्रैक्चर और विखंडन व्यवहार सामग्री के गुणों से पूरी तरह से नियंत्रित होता है सिलेंडर के आसपास ही है। परीक्षण आमतौर पर बड़े नमूना परिधियों वर्दी तनाव 1 के तहत कई विफलता साइटों की दीक्षा को बढ़ावा देने के रूप में aforementioned समस्या alleviates।
इस प्रयोगात्मक तकनीक को विकसित करने में मुख्य उद्देश्य एक विस्तार सिलेंडर के फ्रैक्चर और विखंडन व्यवहार में तापमान की भूमिका का अध्ययन करने के लिए सक्षम करने के लिए किया गया था। नमूना तापमान के नियंत्रण कैसे गतिशील तन्य शक्ति की जांच, अस्थिभंग तंत्र, और fragm के लिए अनुमति देगासामग्री की entation व्यवहार प्रभावित होता है। धातुओं में उदाहरण के लिए, तापमान में वृद्धि अंततः नाकाम रहने से पहले अधिक प्लास्टिक काम मिलनसार, नमनीय फ्रैक्चर भंगुर से एक बदलाव हो सकता है। ऐसे तिवारी 6Al-4V के रूप में कुछ सामग्री भी स्थिरोष्म कतरनी स्थानीयकरण 2 प्रदर्शन कर सकते हैं। नमूना विकृत करते हैं, प्लास्टिक काम गर्मी उत्पन्न करता है। इस तापमान में वृद्धि का एक परिणाम के रूप में नरमी की दर विरूपण से सख्त काम की दर से अधिक है, तो प्लास्टिक विरूपण की एक बड़ी राशि एक बहुत स्थानीयकृत बैंड (स्थिरोष्म कतरनी बैंड) में होता है, जहां एक अस्थिरता फार्म कर सकते हैं। यह प्रतिक्रिया इसकी वजह से गरीब तापीय चालकता के लिए तिवारी 6Al-4V में पदोन्नत किया है, और संभवतः इस तरह के हल्के कवच के रूप में आवेदन के लिए अपने प्रभाव को सीमित कर सकते हैं।
इस नए परीक्षण दृष्टिकोण दो मुख्य मापदंड को पूरा करना चाहिए। सबसे पहले, विधि 10 4 सेकंड -1 के आदेश पर एक रेडियल तनाव दर का उत्पादन होगा, जो आम तौर पर बैलिस्टिक में देखा है औरप्रभाव की घटनाओं, और अधिक परंपरागत लोड हो रहा है योजनाओं को रोजगार पिछले अध्ययनों की तुलना की अनुमति है। दूसरे, ड्राइव तंत्र प्रयोगों के बीच स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए नमूना तापमान से अप्रभावित होने की जरूरत है। प्रारंभिक सिलेंडर विस्तार तंत्र या तो बस सीधे नमूना सिलेंडर 3-5 भरने या एक मध्यवर्ती ड्राइवर का उपयोग कर, विस्फोटक के आरोप का इस्तेमाल किया। उत्तरार्द्ध मामले में एक बफर नमूना बारी में एक विस्फोटक आरोप है जिसमें एक स्टील सिलेंडर पर रखा गया है, जहां 6, प्रयोग किया जाता है। स्पष्ट सीमा नमूना सिलेंडर (विस्फोटक के रूप में) ड्राइव सामग्री शामिल है के रूप में सिलेंडर हीटिंग भी आरोप गर्मी जाएगा। इस सीधे आरोप की दीक्षा का कारण नहीं हो सकता है विस्फोटक के कई प्रकार नमूना सिलेंडर से बाहर पिघल जाएगा कि एक polymeric बांधने की मशीन सामग्री के होते हैं। जब ठंडा इसी तरह, कुछ विस्फोटक अत्यधिक संवेदनशील हो जाते हैं। इस विस्फोटक ड्राइव तापमान के अध्ययन के लिए उपयुक्त नहीं हैं कि इसका मतलब है। एक विकल्पविधि विस्तार के लिए Lorentz बल का उपयोग करता है – नमूना एक ड्राइवर का तार 7, 8 पर रखा गया है एक उच्च वर्तमान नमूने में एक विपरीत वर्तमान उत्प्रेरण, इस ड्राइवर का तार (आमतौर पर भारी गेज तांबे के तार) में इंजेक्ट किया जाता है।। इन दोनों धाराओं के एक दूसरे के खिलाफ जो कार्रवाई के चुंबकीय क्षेत्र, चुंबकीय दबाव भीतरी चेहरे से बाहर नमूना ड्राइविंग संबद्ध कर दिया है। फिर, सामग्री हीटिंग प्रतिकूल नमूना अंदर तांबे का तार ड्राइव को प्रभावित करेगा। गैस बंदूकें देर से 1970 के दशक के बाद से 9 सिलेंडर विस्तार के लिए इस्तेमाल किया गया है। इन प्रयोगों में सिलेंडर में डालने के लिए इस्तेमाल सामग्री एक बहुलक ड्राइव दोनों फेंकने का एक परिणाम के रूप में आ रहा है और प्रभाव पर deforming सम्मिलित है। इस डालने आम तौर पर एक रबर या प्लास्टिक की 10, गंभीर रूप से तापमान से प्रभावित हो जाएगा जो की शक्ति और लचीलापन है। ताप डालने भी नरम कर देगा, और ठंडा यह समय से पहले ही विफल रहता है तो यह एक भंगुर तरीके से व्यवहार कर देगा।
<p cपिछले सिलेंडर विस्तार तकनीक के विपरीत लड़की = "jove_content">, यहाँ वर्णित विधि तापमान (100-1,000 कश्मीर) की एक विस्तृत श्रृंखला पर एक repeatable लोड हो रहा है ड्राइव प्रदान करने के लिए सबसे पहले है। हमारी तकनीक (हमारे मामले में फेंकने) विस्तार ड्राइविंग के लिए सामग्री का इस्तेमाल किया प्रभाव के बिंदु तक सिलेंडर से अलग तथ्य यह है कि आप में अनूठा है। नतीजतन, यह नमूना सिलेंडर की प्रारंभिक तापमान से अप्रभावित है और एक repeatable भार प्रदान करता है।प्रयोगात्मक ज्यामिति सिलेंडर की लंबाई के साथ आधे रास्ते के बारे में स्थित टिप के साथ, लक्ष्य सिलेंडर के अंदर बढ़ औजाइव एक स्टील के होते हैं। एक ही मंच प्रकाश गैस बंदूक तो 1000 मीटर / सेकंड अप करने के वेग पर सिलेंडर में एक अवतल चेहरे के साथ एक polycarbonate फेंकने शुरू करने के लिए प्रयोग किया जाता है -1। लक्ष्य की धुरी सिलेंडर ध्यान से एक repeatable और वर्दी लोड की सुविधा के लिए गैस बंदूक बैरल की धुरी के लिए गठबंधन किया है। पुलिस के प्रभाव और बाद में प्रवाहछद्म कठोर इस्पात औजाइव के आसपास lycarbonate फेंकने, अंदर दीवार से विस्तार में सिलेंडर ड्राइव। औजाइव डालने और फेंकने की अवतल चेहरे की ज्यामिति ध्यान से सिलेंडर के वांछित विस्तार उत्पन्न करने के लिए हाइड्रो-कोड कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग कर अनुकूलित किया गया था। अपनी ताकत ड्राइव तंत्र लगातार बनी हुई है, यह सुनिश्चित करने के लिए ब्याज की तापमान सीमा पर पॉली कार्बोनेट फेंकने की तुलना में बहुत अधिक है के रूप में औजाइव के लिए 4340 मिश्र धातु स्टील का उपयोग कर के तापमान पर सिलेंडर के साथ प्रयोग के लिए सक्षम बनाता है। गर्म और ठंडा प्रयोगों से बरामद Ogives ही प्रभाव का एक परिणाम के रूप में कम से कम विरूपण दिखा रहे हैं।
नमूना सिलेंडर की हीटिंग और कूलिंग औजाइव डालने के पीछे में एक machined अवकाश में तापमान नियंत्रण हार्डवेयर की स्थापना के द्वारा पूरा किया है। क्रायोजेनिक तापमान (~ 100 कश्मीर) के लिए नमूना ठंडा करने के लिए, औजाइव में अवकाश एक एल्यूमीनियम टोपी के साथ बंद और तरल नाइट्रोजन च हैगुहा के माध्यम से इजाजत दे दी। लक्ष्य सिलेंडर के रूप में नमूना चालन के माध्यम से ठंडा किया जाता है औजाइव के साथ एक बड़े संपर्क क्षेत्र है। 1,000 कश्मीर आ तापमान को लक्ष्य सिलेंडर गर्मी के लिए, एक चीनी मिट्टी और निक्रोम प्रतिरोधक हीटर औजाइव अवकाश में रखा गया है। एक उच्च मौजूदा बिजली की आपूर्ति औजाइव और सिलेंडर हीटिंग, 1 किलोवाट तक प्रदान करता है। सिलेंडर और औजाइव thermally के लक्ष्य से अलग कर रहे हैं MACOR चीनी मिट्टी spacers के उपयोग के माध्यम से एक मंच गैस बंदूक में माउंट। टैंक भी थर्मल हेरफेर जो एड्स प्रयोग के दौरान मध्यम निर्वात (<0.5 Torr) के तहत आयोजित किया जाता है।
सिलेंडर के विखंडन प्रक्रिया का निदान करने के लिए, प्रयोगात्मक डिजाइन सिलेंडर के साथ अंक पर विस्तार वेग को मापने के लिए, आवृत्ति रूपांतरण PDV के कई चैनलों में शामिल हैं। PDV अत्यधिक गतिशील घटनाओं के दौरान सतह वेग की माप के लिए सक्षम बनाता है जो एक अपेक्षाकृत नए 11, ऑप्टिकल फाइबर आधारित इंटरफेरोमेट्री तकनीक है। एक PDV माप के दौरान, डॉपलर प्रकाश चलती सतह के वेग से सीधे आनुपातिक है कि एक हरा आवृत्ति बनाने, संयुक्त राष्ट्र के लिए स्थानांतरित कर दिया प्रकाश के साथ संयुक्त है एक फाइबर ऑप्टिक जांच का उपयोग ब्याज की एक चलती सतह से परावर्तित स्थानांतरित कर दिया। अनिवार्य रूप से, एक PDV प्रणाली गीगा रेंज में रिकॉर्ड को हरा आवृत्तियों के लिए लगभग अवरक्त (1,550) एनएम संचार प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में प्रगति का उपयोग कर एक तेजी से माइकेलसन interferometer है। वर्तमान अध्ययन में इस्तेमाल 100 मिमी फोकल लंबाई PDV जांच के लिए बढ़ते प्रणाली वे सिलेंडर के तापमान से अलग और आसान संरेखण प्रदान करता है कि कर रहे हैं सुनिश्चित करता है। 100 मिमी फोकल लंबाई जांच का उपयोग करने का एक और लाभ यह है कि वे पूरी सिलेंडर के विस्तार के प्रोफाइल को मापने के लिए उच्च गति फोटोग्राफी सक्षम करने के लिए पर्याप्त ऑप्टिकल पहुँच प्रदान करता है। । सिलेंडर के साथ चार जांच, विज्ञापन की व्यवस्था और स्थान, चित्रा 1 में दिखाया गया है कि दो उच्च गति कैमरों यहां कार्यरत हैं; एक उच्च गति वीडियो कैमरा प्रेत V16.10 24 छवियों पर कब्जा करने, 250,000 एफपीएस और एक IVV UHSi 12/24 तैयार कैमरे में सक्रिय हैं। IVV कैमरा सिलेंडर सही-सही पता लगाया जा करने के लिए सिलेंडर की त्रिज्यात के विस्तार के किनारे सक्रिय करने के सिल्हूट में प्रबुद्ध है कि इस तरह के backlit है। प्रेत कैमरे विफलता दीक्षा और विखंडन प्रक्रिया इमेजिंग प्रबुद्ध सामने है। उच्च गति फोटोग्राफी तो पूर्ण नमूना के साथ तनाव और तनाव दर देने के लिए velocimetry के साथ जोड़ा जा सकता है। उच्च गति इमेजिंग भी असफलता तनाव का एक सटीक उपाय और सतह के साथ फ्रैक्चर पैटर्न के लिए अनुमति देता है।
निम्नलिखित प्रोटोकॉल अनुभाग में प्रस्तुत प्रयोगात्मक तकनीक अलग फ्रैक्चर तंत्र सक्रिय या दबा दिया जा सकता है, जिसके माध्यम से एक विस्तार सिलेंडर प्रयोग में नमूना तापमान को नियंत्रित करने का एक साधन प्रदान करता है। इस तकनीक को गतिशील लोड हो रहा है परिदृश्यों में तापमान की भूमिका की एक अधिक व्यापक समझ को बढ़ावा मिलेगा।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस विधि इस डिजाइन के लिए अद्वितीय, ~ 1,000 कश्मीर के लिए क्रायोजेनिक से तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला पर तन्यता लोड हो रहा है की उच्च दर पर सामग्री की जांच के लिए सक्षम बनाता है। हालांकि, इस प्रयोगात्मक स्था…
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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