Метод для изучения температурной зависимости динамического разрушения и фрагментации
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
Динамический перелом тела поздней стадии, как правило, явление изучено в упрощенном условиях, в которых образец деформируется под единой стресса и скорости деформации. Это может быть получено путем равномерного загрузки внутреннюю поверхность цилиндра. В связи с осевой симметрией, а расширяется цилиндр стенки помещают в кольцевое напряжение на растяжение, что является однородным по окружности. Хотя существуют различные методы для создания этого расширения, такие как взрывчатые вещества, электромагнитного привода, и существующие методы газовый пистолет все они ограничены в том, что образец цилиндр должен быть комнатной температуры. Мы представляем новый метод, используя газовый пистолет, что облегчает эксперименты на баллонах из 150 К до 800 К с постоянной, повторяемой нагрузки. Эти высоко диагнозом эксперименты используются для изучения влияния температуры на механизмы разрушения, ответственных за провал, и их влияния на полученной статистики фрагментации. Геометрия эксперимента работаетСталь Огива расположен внутри целевой цилиндра, с наконечником, расположенный примерно на полпути в. одноступенчатый газовая пушка затем используется для запуска поликарбонатный снаряд в цилиндре при 1000 м / сек -1. Воздействие снарядов и обтекает жесткой оживальной, вождение образец цилиндр изнутри. Использование недеформирующаяся оживальной вставки позволяет установить контроль температуры внутри оборудования в задней части цилиндра. Жидкий азот (LN 2) используется для охлаждения и резистивной высокой токовой нагрузки для отопления. Многочисленные каналы повысить, фотон Доплера велосиметрии (PDV) отслеживать скорость расширения вдоль цилиндра благоприятной прямое сравнение с компьютерной симуляции, в то время как высокая скорость формирования изображения используется для измерения напряжения до отказа. Восстановленные фрагменты цилиндр, также подлежат оптической и электронной микроскопии для выяснения механизма отказа.
Introduction
Динамический отказ материала является важным аспектом его общего механического поведения, и имеет отношение к многочисленным отраслей промышленности, включая автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, и военными, чтобы назвать несколько. В то время как отказ при низких деформации-ставок, как правило, изучали с помощью обычных испытаний на растяжение, в котором длинный тонкий образец загружалась в напряженности с концов, при высоких скоростях деформации такая геометрия / конфигурация требует образец, чтобы быть очень маленьким, чтобы поддерживать псевдо-механическое равновесие в течение всего теста. При появлении одной трещины, окружающим материалом будут ослаблены, фактически остановку развития любых смежных участков недостаточности. Это ограничивает количество переломов, которые могут быть одновременно наблюдаемых в одном эксперименте, и предотвращает важную информацию о статистике отказов, которые будут определены.
Расширение тестирования цилиндр хорошо разработанный метод, характеризующий манеру, в которой MateriaLs сбой и фрагмент при высокой скорости загрузки. В тесте, цилиндр из материала, представляющего интерес, равномерно загружен по его внутренней окружности, запуск волну напряжения через стенку и вызывает расширение цилиндра. Вскоре этот радиальная волновая рассеивается и равномерное растяжение обруч стресс по окружности доминирует. Поскольку скорость напряжением и деформацией же вокруг цилиндра характер разрушения и фрагментации регулируется исключительно свойств материала. Тест облегчает вышеупомянутую проблему, как правило, крупные образцы окружности способствовать инициации нескольких сайтов отказа при равномерном стресса 1.
Основная цель при разработке этой экспериментальной техники было для того, чтобы изучение роли температуры в поведении перелома и фрагментации расширяющейся цилиндра. Контроль температуры образца позволит исследование того, как динамической прочности на растяжение, механизма разрушения, и Фрагментация поведение материала зависит. Например, в металлах, повышение температуры может вызвать сдвиг от хрупкой до вязкого разрушения, размещения более пластиковый работу до конечном итоге удается. Некоторые материалы, такие как Ti-6Al-4V может также демонстрируют локализацию адиабатического сдвига 2. В то время как образец деформируется, пластик работа вырабатывает тепло. Если скорость размягчения в результате этого повышения температуры больше, чем скорость упрочнения от деформации, нестабильность может сформировать где большое количество пластической деформации происходит в очень локализованы полосы (полосы сдвига адиабатического). Этот ответ способствовал в Ti-6Al-4V-за его плохой теплопроводности, и потенциально может снизить эффективность ее для таких приложений, как легкий брони.
Этот новый подход тестирование должно удовлетворять двум основным критериям. Во-первых, метод должен производить радиальную скорость деформации порядка 10 4 с -1, как правило, рассматривается в баллистических исобытия воздействия, чтобы сравнение с предыдущими исследованиями, использующих более традиционные схемы погрузки. Во-вторых, механизм привода должен быть не зависит от температуры образца, чтобы обеспечить согласованность между экспериментами. Начальные механизмы расширения цилиндра используется взрывчатку, либо заполнив образец цилиндр 3-5 непосредственно или с помощью промежуточного драйвера. В последнем случае используют буфер 6, где образец помещают на стальной цилиндр, который, в свою очередь, содержит взрывной заряд. Очевидным ограничением является то, что, как образец цилиндра содержит привод материала (в виде взрывчатого вещества) нагревание цилиндра также будет нагревать заряд. Хотя это не может непосредственно привести к инициации заряда много типов взрывчатого вещества содержит полимерный связующий материал, который будет плавиться из образца цилиндра. Точно так же, некоторые взрывчатые вещества становятся очень чувствительны при охлаждении. Это означает, что взрывные диски не подходят для температуры исследования. АльтернативаМетод использует силу Лоренца для расширения – образец помещают над катушкой водителя 7, 8 высокий ток вводится в этой катушки драйвера (обычно толстостенной медной проволоки), вызывая противоположную тока в образце.. Эти противоположные токи связаны магнитные поля, которые действуют друг против друга, магнитное давление движущей образец наружу от внутренней поверхности. Опять же, нагрев материала будет отрицательно влиять на меди привода катушки внутри образца. Газовые пистолеты были использованы для расширения цилиндра с конца 1970-х годов 9. В этих экспериментах материал, используемый для вставки в цилиндр представляет собой полимер, привод приходит в результате обоих снаряда и включить деформируя при ударе. Эта вставка, как правило, из резины или пластмассы 10, прочность и пластичность, которые будут строго зависит от температуры. Отопление сделает вставки слишком мягким, и охлаждение заставить его вести себя в хрупкой образом, так она не преждевременно.
<p cдевушка = "jove_content"> В отличие от предыдущих методов расширения цилиндра, способ, описанный здесь, является первым, чтобы обеспечить повторяемое загрузки диска в широком диапазоне температур (100-1000 К). Наша методика является уникальным в том, что материал, используемый для приведения в действие расширение (в нашем случае снаряд) отделен от цилиндра до точки удара. Следовательно, это не зависит от начальной температуры образца цилиндра и обеспечивает повторяемый нагрузку.Геометрия опыта состоит из стали Огива установленной внутри целевой цилиндра, с наконечником, расположенный примерно на полпути по длине цилиндра. Одноступенчатый газовая пушка затем используется для запуска снаряда из поликарбоната с вогнутой поверхностью в цилиндре при скоростях до 1000 м / сек -1. Ось цилиндра мишени тщательно выровнены по оси газового ствола, чтобы облегчить воспроизводимой и равномерной нагрузки. Поток воздействия и последующего РОlycarbonate снаряда вокруг псевдо-жесткой стали оживальной, приводит в действие цилиндр в расширении от внутренней стенки. Геометрия оживальной вставкой и вогнутой поверхностью снаряда были тщательно оптимизированы с помощью гидро-кода компьютерного моделирования для создания желаемого расширение цилиндра. Использование 4340 легированной стали для оживальной дает эксперименты с цилиндром при температуре в его прочность значительно выше, чем поликарбоната снаряда в диапазоне температур интереса, обеспечивая механизм привода остается неизменной. Ogives выделенные из нагревании и охлаждении экспериментов только демонстрируют минимальную деформацию в результате воздействия.
Нагрев и охлаждение образца цилиндра осуществляется путем установки контроля температуры аппаратного в обработанной углубление в задней части вставки оживальной. Для охлаждения образца до криогенных температур (~ 100 К), выемка в оживальной герметизируют с алюминиевой крышкой и жидкий азот Fмычали через полость. В целевой цилиндра имеет большую площадь контакта с оживальной образец охлаждают посредством проводимости. Для нагрева целевой цилиндр в температурах, близких к 1000 К, керамики и нихрома резистивный нагреватель размещен в углублении оживальной. Высокий ток питания обеспечивает до 1 кВт, нагрев стрельчатыми и цилиндр. Цилиндр и Огива термически изолированы от цели установки в одноступенчатой газовой горелки через использование MACOR керамических прокладок. Бак также провел при умеренном вакууме (<0,5 Торр) в ходе эксперимента, который помогает тепловой манипуляции.
Для того, чтобы диагностировать процесс фрагментации цилиндра, опытно-конструкторских включает в себя несколько каналов преобразования частоты PDV, чтобы измерить скорость расширения в точках вдоль цилиндра. PDV является относительно новым 11, оптическое волокно на основе интерферометрии техника, которая позволяет измерение поверхностных скоростей во высоко динамичных событий, Во время измерения PDV, доплеровского сдвига света, отраженного от движущейся поверхности интереса с использованием волоконно-оптического зонда сочетается с ООН сдвинуты света, создавая частоту биений, которая прямо пропорциональна скорости движущейся поверхности. По сути, система PDV является быстро интерферометр Майкельсона с помощью достижений в ближней инфракрасной (1550 нм) коммуникационных технологий для записи частоты биений в диапазоне ГГц. Система крепления для 100 мм с фокусным расстоянием ПДВ зондов, используемых в данном исследовании гарантирует, что они изолированы от температуры цилиндра и обеспечивает легкий выравнивание. Дополнительным преимуществом использования 100 мм фокусным расстоянием зондов является то, что они обеспечивают достаточную оптическую доступ для обеспечения высокой скорости фотографии для измерения профиля расширения всей цилиндра. Расположение и расположение четыре зондов, AD, вдоль цилиндра показана на рисунке 1 Две камеры высокоскоростные работают здесь. высокая скорость видео камеры Phantom V16.10 работает на 250000 кадров в секунду и ИВВ UHSi 12/24 обрамление камеры, захватив 24 изображений. Камера ИВВ подсвечивается таким образом, что цилиндр горит силуэт, позволяющего радиальное расширение край цилиндра, чтобы быть точно отслеживаться. Призрак камера переднего горит визуализации процесса инициации и фрагментации провал. Высокая скорость фотография может быть коррелирует с велосиметрии дать нагрузку и скорость деформации по всей выборке. Высокой скорости визуализации и позволяет для точного измерения напряжения и отказа шаблонов разрушения вдоль поверхности.
Экспериментальная методика представлена в следующем разделе протокола предоставляет средства контроля температуры образца в расширяющейся эксперимента цилиндра, через которые различные механизмы разрушения может быть активирован или подавленной. Этот метод приведет к более широкому пониманию роли температуры в динамических сценариев нагрузки.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот метод позволяет исследовать материалов при высоких скоростях растягивающей нагрузке в широком диапазоне температур, от криогенных до ~ 1000 К, уникальный для данной конструкции. Тем не менее, это добавляет определенные трудности для экспериментальной установки и исполнения. Во-пер…
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).
