En metode for å studere temperatur Avhengighet av Dynamic Fracture og Fragmentering

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

Den dynamiske brudd i et legeme er et sent stadium fenomen vanligvis studert under forenklede forhold, der en prøve blir deformert under jevnt spenning og tøyning. Dette kan fremstilles ved jevnt å laste den indre overflate av en sylinder. På grunn av den aksielle symmetri, når sylinderen utvides veggen er plassert i en strekkperiferispenning som er jevn rundt omkretsen. Mens det er ulike teknikker for å generere denne utvidelsen som sprengstoff, elektro kjøretur, og eksisterende gass pistol teknikker de er alle begrenset i det faktum at prøven sylinderen må ha romtemperatur. Vi presenterer en ny metode ved hjelp av en gasspistol som muliggjør eksperimenter på sylindere fra 150 K til 800 K med en konsistent, lasting. Disse høyt diagnostisert eksperimentene blir brukt til å undersøke effekten av temperatur på bruddmekanismer som er ansvarlig for svikt, og deres resulterende innvirkning på fragmentering statistikk. Den eksperimentelle geometri benytter enstål ogival ligger inne i målet sylinder, med den som ligger omtrent halvveis i spissen. En enkelt trinns lett gass pistolen blir så brukt til å starte en polykarbonat prosjektil inn i sylinderen ved 1000 m / sek ^-1. Prosjektilet virkninger og flyter rundt den stive ogival, kjøring av prøven sylinderen fra innsiden. Bruken av en ikke-deformerende ogival innsatsen gjør det mulig å installere temperaturkontroll maskinvare inne i det bakre av sylinderen. Flytende nitrogen (LN ₂₎ brukes for kjøling, og en resistiv høy strømbelastning til oppvarming. Med flere kanaler upshifted foton dopplervelosimetri (PDV) Sporekspansjonshastigheten langs sylinderen muliggjør direkte sammenligning med datasimulering, mens høy hastighet avbildning benyttes for å måle belastningen til svikt. De gjenopprettede sylinder fragmenter er også gjenstand for optisk og elektronmikroskopi for å fastslå feilmekanisme.

Introduction

Den dynamiske svikt i et materiale er en viktig del av sin totale mekaniske oppførsel, og har relevans for mange bransjer, inkludert bil, fly og militære for å nevne noen. Mens svikt ved lave strekkhastigheter er vanligvis studeres gjennom konvensjonelle strekkprøver, hvor en lang tynn prøve blir belastet i strekk i begge ender, ved høye strekk priser en slik geometri / konfigurasjon krever at en prøve skal være meget liten for å opprettholde en pseudo-mekanisk likevekt i løpet av testen. Ved opptreden av en enkelt sprekk, vil det omgivende materialet være avslappet, effektivt stoppe utviklingen av en tilstøtende feilsteder. Dette begrenser antallet frakturer som kan observeres samtidig i ett eksperiment, og hindrer at viktig informasjon om statistikken for svikt som skal bestemmes.

Den ekspanderende sylinder-testen er en veletablert teknikk for å karakterisere den måte på hvilken materials mislykkes og fragment under høyt hastighet lasting. I testen blir en sylinder laget av materialet av interesse jevnt lagt langs sin indre omkrets, lansere en spenningsbølge gjennom veggen og forårsake at sylinderen til å ekspandere. Snart radial bølgen forsvinner og en uniform strekk bøyle stresset rundt omkretsen dominerer. Som stress og press prisen er den samme rundt sylinderen brudd og fragmentering atferd styres utelukkende av materialets egenskaper. Testen lindrer de nevnte problem som vanligvis store prøve omkretser fremme oppstart av flere feilsider under jevnt stresset ^en.

Hovedformålet med å utvikle denne eksperimentelle teknikk for å gjøre det mulig å studere rollen til temperaturen i brudd og fragmentering av hvordan et ekspanderende sylinder. Styringen av prøvetemperatur vil gi rom for undersøkelse av hvordan den dynamiske strekkstyrke, bruddmekanisme, og fragmentering oppførselen til materialet påvirkes. For eksempel i metall, kan en økning i temperaturen forårsake en overgang fra sprø til duktilt brudd, med mer plastisk arbeid før slutt svikter. Noen materialer slik som Ti-6Al-4V kan også oppvise adiabatisk skjær lokalisering ^2. Mens prøven deformeres, genererer plastisk arbeid varmen. Hvis frekvensen av oppmykning som et resultat av denne temperaturøkning er større enn hastigheten for arbeids herding fra deformasjon, kan danne en ustabilitet, hvor en stor mengde av plastisk deformasjon skjer i en meget lokaliserte band (adiabatisk skjærbånd). Dette svaret er fremmet i Ti-6Al-4V på grunn av sin dårlige varmeledningsevne, og kan potensielt begrense sin effektivitet for applikasjoner som lett rustning.

Denne nye testing tilnærmingen må oppfylle to hovedkriterier. For det første må metoden produsere en radial tøyning i størrelsesorden 10 ⁴ sek ^-1, vanligvis sett i ballistisk oginnvirkning hendelser, slik at sammenlignet med tidligere studier som benytter mer tradisjonelle lasteplaner. Dernest må drivmekanismen å være upåvirket av prøven temperatur for å sikre konsistens mellom eksperimenter. Innledende sylinder utvidelsesmekanismer brukt sprengladninger, enten bare å fylle prøven sylinder ^3-5 direkte eller ved å bruke en mellom driver. I det sistnevnte tilfellet en buffer benyttes ^{til 6,} hvor prøven er plassert over en stålsylinder som i sin tur inneholder en eksplosiv ladning. Den åpenbare begrensning er at etter hvert som prøven sylinderen inneholder driv materiale (i form av den eksplosive) oppvarming av sylinderen vil også varme charge. Selv om dette kan ikke direkte forårsake initiering av ladningen mange typer sprengstoff inneholder et polymert bindemiddel som vil smelte ut fra prøvesylinderen. Likeledes, noen eksplosiver blir svært følsom når avkjølt. Dette betyr at eksplosive stasjoner er ikke egnet for temperatur studien. En alternativFremgangsmåten benytter den Lorentz kraft for utvidelse – prøven er plassert over en driver spolen ^{7, 8} En høy strøm blir injisert inn i denne driver spolen (vanligvis tunge måle kobbertråd), induserer en motsatt strøm i prøven.. Disse motstridende strømmer er forbundet magnetfelt som virker mot hverandre, det magnetiske trykk kjøring av prøven utover fra den indre flaten. Igjen, oppvarming av materialet vil ha negativ innvirkning på kobberdriv spiral inne i prøven. Gass våpen har vært brukt i sylinderen ekspansjon siden slutten av 1970-tallet ^ni. I disse eksperimentene materialet som brukes for innsatsen i sylinderen er en polymer, stasjonen kommer som et resultat av både prosjektilet deformeres og sette seg innflytelse. Dette innlegg er vanligvis en gummi eller plast ^10, styrke og duktilitet av disse vil bli sterkt påvirket av temperatur. Oppvarming vil gjøre innsatsen for myk, og kjøling vil gjøre det oppfører seg på en sprø måte slik det mislykkes for tidlig.

<p class = "jove_content"> I motsetning til tidligere sylinder ekspansjonsteknikker, metoden som er beskrevet her er den første til å tilveiebringe en repeterbar laste- stasjon over et bredt temperaturområde (100-1.000 K). Vår teknikk er unik i det faktum at materialet som brukes for å drive ekspansjons (i vårt tilfelle prosjektilet) er atskilt fra sylinderen til treffpunktet. Det er derfor upåvirket av den opprinnelige temperaturen i prøven sylinderen og tilveiebringer en repeterbar belastning.

Den eksperimentelle geometri består av en stål ogival montert inne i målet sylinder, med den som ligger omtrent halvveis langs lengden av sylinderen spissen. En enkelt trinns lett gass pistolen blir så brukt til å starte en polykarbonat prosjektil med en konkav ansikt i sylinderen ved hastigheter opp til 1000 m / sek ^-1. Aksen til målet er sylinderen er nøye justert til aksen av den gasskanonrøret for å lette en repeterbar og ensartet belastning. Virkningen og påfølgende strømning av polycarbonate prosjektilet rundt pseudo-stive stål ogival, driver sylinderen inn i ekspansjons fra innsiden av veggen. Geometrien av ogival innsatsen og den konkave flate av prosjektilet ble nøye optimalisert ved hjelp av hydro-kode datasimulering til å generere den ønskede utvidelse av sylinderen. Ved hjelp av 4340 legert stål for ogival muliggjør eksperimentering med sylinderen ved temperatur som dens styrke er mye høyere enn polykarbonat prosjektilet i temperaturområdet av interesse, slik at drivmekanismen forblir uforandret. Ogives utvinnes fra oppvarmet og avkjølt eksperimenter bare oppvise minimal deformasjon som et resultat av virkningen.

Oppvarming og avkjøling av prøven sylinderen blir oppnådd ved installasjon av temperaturkontroll maskinvare i en maskinert fordypning i baksiden av ogival innsatsen. For avkjøling av prøven til kryogene temperaturer (~ 100 K), er utsparingen i ogivalen forseglet med en aluminiumshette og flytende nitrogen er flowed gjennom hulrommet. Ettersom målet sylinderen har en stor kontaktflate med ogival prøven avkjøles ved ledning. For å varme målet sylinderen til temperaturer som nærmer seg 1000 K, er en keramisk og nikrom motstandsvarmeelementet plassert i ogive utsparingen. En høy strøm strømforsyning gir opp til 1 kW, oppvarming av ogive og sylinder. Sylinderen og ogivalen er termisk isolert fra målet montere i ett-trinns gass-gun gjennom bruk av MACOR keramiske avstandsstykker. Tanken er også holdt under moderat vakuum (<0,5 mmHg) i løpet av forsøket som hjelpemidler termisk manipulasjon.

For å diagnostisere fragmentering prosessen av sylinderen, den eksperimentelle utforming omfatter flere kanaler med frekvenskonvertering PDV, for å måle ekspansjonshastigheten ved punkter langs sylinderen. PDV er en forholdsvis ny ^11, fiberoptisk basert interferometri teknikk som muliggjør måling av overflatehastigheter under høydynamiske arrangementer. Under en PDV måling dopplerforskjøvet lys reflektert fra en bevegelig overflate av interesse ved hjelp av en fiberoptisk probe kombineres med un-forskjøvet lys, noe som skaper en beat frekvens som er direkte proporsjonal med hastigheten av den bevegelige overflate. I hovedsak, er en PDV systemet en rask Michelson interferometer bruker fremskritt i nær-infrarødt (1550 nm) kommunikasjonsteknologi til rekordrytme frekvenser i GHz-området. Den monteringssystem for 100 mm brennvidde PDV sonder som anvendes i denne studien sikrer at de er isolert fra temperaturen av sylinderen og gir enkel justering. En ytterligere fordel ved bruk av de 100 mm brennvidde prober er at de gir tilstrekkelig optisk adgang til å muliggjøre høy hastighet fotografering for å måle ekspansjonsprofil av hele sylinderen. Ordningen og plassering av fire prober, AD, sammen sylinderen er vist i figur 1 To høyhastighetskameraer er ansatt her.; en høyhastighets videokamera Phantom V16.10 opererer på 250.000 fps og en IVV UHSi 12/24 framing kamera, fange 24 bilder. IVV Kameraet er bakgrunnsbelyst, slik at sylinderen blir belyst i silhuett å muliggjøre radial utvidelse kanten av sylinderen til spores nøyaktig. The Phantom kameraet er foran opplyst bildebehandling svikt initiering og fragmentering prosess. Den høye hastigheten fotografering kan deretter korreleres med velocimetry for å gi belastning og tøyning langs hele prøven. Den høye hastigheten avbildning gir også mulighet for en nøyaktig måling av svikt belastning og bruddmønster langs overflaten.

Den eksperimentelle teknikk som presenteres i det følgende protokoll delen gir et middel for å kontrollere prøvetemperaturen i et voksende sylinder eksperiment, gjennom hvilke ulike bruddmekanismer kan aktiveres eller undertrykkes. Denne teknikken vil føre til en mer omfattende forståelse av rollen til temperaturen i dynamisk belastning scenarier.

Protocol

1. Target fabrikasjon og sammenstilling Machine mål sylinder til ønskede dimensjoner fra solid lager. Forbered sylinderoverflaten ved å fjerne maskineringsmerker. En jevn diffus overflate er å foretrekke for PDV refleksjon. Gode ​​resultater er blitt oppnådd med en lett våtsliping med> 1200 grit. Karakterisere målet bestanddeler, dvs. måle følgende: Sylinder lengde, diameter og veggtykkelse (på flere steder) Prosjektil lengde, diameter Ogival …

Representative Results

Kvaliteten på dataene for det første avhenge av den eksperimentelle timing. Hvis forsinkelsene fra trigger til virkningen er riktig så blitslamper vil være å produsere nok lys når målet sylinderen begynner å deformere, slik at de høye fotobokser for å produsere klare bilder. I dette tilfellet er bildene fra kameraet rammer vil ha en klar silhuett kant som kan brukes til å spore deformasjon av hele sylinderen. Programvare som ImageJ kan brukes til å ekstrahere lineout data for hver ramme, som produserer et bi…

Discussion

Denne metoden gjør det mulig for undersøkelse av materialer ved høye strekkbelastning over et bredt temperaturområde, fra kryogenisk til ~ 1000 K, som er unik for denne utformingen. Men dette legger visse utfordringer til det eksperimentelle oppsett og gjennomføring. For det første, for å optimalisere temperaturkontroll av ogival innsatsen må maskineres fra et egnet materiale. 4340 stål er brukt her, selv om noen høy temperatur høy hardhet stål burde holde. På samme måte som hele ekspansjons stasjonen er n…

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