En metod för att studera temperaturberoendet hos Dynamic Brott och Fragmentation

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 dynamiska fraktur i en kropp är ett sent skede fenomen typiskt studeras under förenklade villkor, i vilken ett prov deformeras enligt enhetliga stress och strain rate. Detta kan framställas genom jämn lastning den inre ytan av en cylinder. På grund av den axiella symmetri, eftersom cylindern expanderar väggen placeras i en dragringspänning som är likformigt runt periferin. Även om det finns olika tekniker för att generera denna expansion, såsom sprängämnen, elektromagnetisk enhet, och befintliga gas pistol tekniker som de är alla begränsade i det faktum att provcylindern måste vara vid rumstemperatur. Vi presenterar en ny metod med hjälp av en gas pistol som underlättar experiment på cylindrar från 150 K till 800 K med en konsekvent och upprepad belastning. Dessa mycket diagnostiserade experiment används för att undersöka effekten av temperaturen på brottmekanismer som är ansvariga för fel, och deras resulterande inverkan på fragmenterings statistik. Den experimentella geometrin utnyttjar enstål ogive belägen inuti mål-cylindern, med spetsen belägen ungefär halvvägs in. En enstegs lätt gas pistol används sedan för att starta en polykarbonat projektil in i cylindern vid 1000 m / sek ^-1. Projektil effekter och strömmar runt den styva ogive, driver provcylindern från insidan. Användningen av ett icke-deformerande ogive insatsen tillåter oss att installera temperaturkontroll hårdvara inuti den bakre delen av cylindern. Flytande kväve (LN ₂₎ används för kylning och en resistiv hög strömbelastning för uppvärmning. Flera kanaler växlas upp foton Doppler Velocimetry (PDV) spåra expansionshastigheten längs cylindern möjliggör direkt jämförelse med datorsimuleringar, medan hög hastighet avbildning används för att mäta belastningen att misslyckas. De återvunna cylinder fragmenten är också föremål för optisk och elektronmikroskop för att fastställa skadetypen.

Introduction

Den dynamiska fel hos ett material är en viktig aspekt av den övergripande mekaniska egenskaper, och har betydelse för många industrier, däribland fordons-, flyg-, och militären för att nämna några. Medan misslyckande vid låga belastningshastigheter typiskt studeras genom konventionella dragtester, i vilka en lång tunn provet laddas i spänning från ändarna, vid höga töjningshastigheter sådan geometri / konfiguration kräver ett prov för att vara mycket liten för att bibehålla en pseudo-mekanisk jämvikt under hela testet. Vid uppträdandet av en enda spricka, kommer det omgivande materialet vara avslappnad, effektivt stoppa utvecklingen av några angränsande brottställen. Detta begränsar antalet frakturer som kan samtidigt observeras i något experiment, och förhindrar viktig information om statistiken för underlåtenhet att bestämmas.

Den expanderande cylindern test är en väletablerad teknik för att karakterisera det sätt på vilket materials misslyckas och fragment under hög hastighet belastning. I testet är en cylinder tillverkad av material av intresse jämnt lastad längs dess inre omkrets, lanserar en spänningsvåg genom väggen och orsakar cylindern att expandera. Snart denna radiella våg försvinner och en enhetlig dragringspänning runt omkretsen dominerar. Eftersom stress och påfrestningar är densamma runt cylindern frakturen och fragmentering beteende enbart styrs av materialets egenskaper. Testet lindrar ovannämnda problem som typiskt stora prov omkrets främja inledandet av flera fel platser i jämn spännings ^1.

Det huvudsakliga syftet med att utforma denna experimentella teknik var att göra det möjligt att studera den roll som temperaturen i frakturen och fragmentering beteende av en expanderande cylinder. Styrningen av provets temperatur kommer att möjliggöra undersökning av hur den dynamiska draghållfasthet, brottmekanism, och fragmsentation beteende hos materialet påverkas. Till exempel i metaller, kan en temperaturökning orsaka en förskjutning från sprött till segjärn fraktur, tillmötesgående mer plast arbete innan slutändan misslyckas. Vissa material såsom Ti-6Al-4V kan också uppvisa adiabatisk skjuvning lokalisering ^2. Medan provet deformeras, genererar plastarbets värme. Om graden av mjukgöring som en följd av denna temperaturökning är större än hastigheten för kallhärdning från deformationen, kan en instabilitet bilda där en stor mängd av plastisk deformation sker i en mycket lokaliserad band (adiabatisk skjuvning bandet). Detta främjas i Ti-6Al-4V på grund av sin dåliga värmeledningsförmåga, och kan potentiellt begränsa dess effektivitet för applikationer såsom lätt rustning.

Denna nya testningsförfarande måste uppfylla två huvudkriterier. För det första måste metoden att producera en radiell töjningshastighet i storleksordningen 10 ⁴ sek ^-1, typiskt sett i Skott- ochkonsekvens händelser, för att möjliggöra jämförelse med tidigare studier som använder mer traditionella lastsystem. För det andra måste drivmekanismen vara opåverkade av provtemperaturen att säkerställa överensstämmelse mellan experiment. Initiala expansionscylinder mekanismer används sprängladdningar, antingen helt enkelt fylla provcylindern ^3-5 direkt eller med hjälp av en mellanliggande drivrutin. I det senare fallet en buffert används ^6, där provet är placerat över en stålcylinder som i sin tur innehåller en explosiv laddning. Den uppenbara begränsningen är att när provcylindern innehåller drivmaterialet (i form av sprängämnet) upphettning av cylindern också kommer att uppvärma laddningen. Även om detta kanske inte direkt orsaka initiering av avgiften många typer av explosiva innehåller ett polymerbindemedelsmaterial som kommer att smälta ut ur provcylindern. På samma sätt, vissa sprängämnen blivit mycket känsliga när de kyls. Detta innebär att explosiva enheter är inte lämpliga för temperaturstudie. En alternativMetoden använder Lorentz kraft för expansion – provet placeras över en förare spole ^{7, 8} En hög ström injiceras i denna drivrutin pole (typiskt tung gauge koppartråd), som inducerar en motsatt ström i provet.. Dessa motsatta strömmar har tillhörande magnetfält som verkar mot varandra, det magnetiska trycket som driver provet utåt från den inre ytan. Återigen, uppvärmning av materialet kommer att negativt påverka koppardrivspolen inuti provet. Gaskanoner har använts för expansionscylindern sedan slutet av 1970-talet ^9. I dessa experiment det material som används för insättningen i cylindern är en polymer, den enhet som kommer som ett resultat av både projektilen och sätt deformeras vid träffen. Denna insats är vanligtvis en gummi eller plast ^10, styrka och seghet som kommer att påverkas kraftigt av temperaturen. Värme kommer att göra insatsen för mjuk, och kylning kommer att göra det uppföra sig på ett sprött sätt så att det inte i förtid.

<p class = "jove_content"> Till skillnad från tidigare expansionscylinder tekniker, är den metod som beskrivs här den första för att åstadkomma en repeterbar belastning enhet över ett brett temperaturintervall (100-1000 K). Vår teknik är unik i det faktum att det material som används för att driva expansionen (i vårt fall projektilen) är separat från cylindern tills anslagspunkten. Följaktligen är det inte påverkas av den initiala temperaturen hos provcylindern och åstadkommer en repeterbar belastning.

Den experimentella geometrin består av en stål ogive monterad inuti mål-cylindern, med spetsen belägen ungefär halvvägs utmed längden av cylindern. En enstegs lätt gas pistol används sedan för att starta ett polykarbonat projektil med en konkav yta i cylindern vid hastigheter upp till 1000 m / sek ^-1. Axeln för målet är cylindern är noggrant inriktad med axeln av den gas-eldröret för att underlätta en repeterbar och jämn belastning. Effekterna och efterföljande flöde av polycarbonate projektil runt pseudo stela stål ogive, driver cylindern i expansionen från den inre väggen. Geometrin hos ogive insatsen och den konkava ytan hos projektilen noggrant optimeras med hjälp av hydro-kod datorsimuleringar för att generera den önskade expansionen av cylindern. Använda 4340 legerat stål för ogive möjliggör experiment med cylindern vid en temperatur som dess styrka är mycket högre än polykarbonat projektilen över temperaturområdet av intresse, se till drivmekanismen förblir konsekvent. Ogives återhämtat sig från uppvärmda och kylda experiment endast uppvisar minimal deformation till följd av effekterna.

Uppvärmningen och kylningen av provcylindern åstadkommes genom installation av temperaturkontroll hårdvara i ett bearbetat urtag i den bakre delen av ogive insatsen. För kylning av provet till kryogena temperaturer (~ 100 K), är urtaget i ogive förseglad med en aluminiumkapsyl och flytande kväve är fföljde genom håligheten. Eftersom målet cylindern har en stor kontaktyta med ogive provet kyls genom ledning. För att värma upp målet cylindern för temperaturer som närmar sig 1000 K, är ett keramiskt och nikrom resistiva värmaren placeras i ogive fördjupningen. En hög ström strömförsörjning ger upp till 1 kW, uppvärmning av ogive och cylindern. Cylindern och ogive är termiskt isolerade från målet fästet på den inre scenen gas-gun med hjälp av MACOR keramiska distanser. Tanken hålls även under moderat vakuum (<0,5 torr) under försöket vilket underlättar termisk manipulation.

För att diagnostisera sönderdelning av cylindern, innefattar den experimentella designen flera kanaler för frekvensomvandling PDV, att mäta expansionshastigheten vid punkter längs cylindern. PDV är en relativt ny ^11, optisk fiber baserad interferometri teknik som möjliggör mätning av ythastigheter under högdynamiska händelser. Under en PDV mätning, dopplerförskjutna ljus som reflekteras från en rörlig yta av intresse med användning av en fiberoptisk sond kombineras med un-skiftat ljus, vilket skapar en svävningsfrekvens som är direkt proportionell mot hastigheten hos den rörliga ytan. I huvudsak är en PDV systemet en snabb Michelson interferometer, med hjälp av nära infraröd (1550 nm) kommunikationsteknik till rekord svävningsfrekvenser i GHz-området. Monteringssystemet för de 100 mm brännvidd PDV prober som används i den aktuella studien säkerställer att de är isolerade från temperaturen hos cylindern och ger enkel justering. En ytterligare fördel med att använda de 100 mm brännvidd prober är att de ger tillräcklig optisk tillgång för att möjliggöra höghastighetsfotografering att mäta expansionsprofilen för hela cylindern. Arrangemanget och läget av fyra prober, AD, längs cylindern visas i figur 1 två höghastighetskameror används här.; en höghastighetsvideokamera Phantom V16.10 arbetar vid 250.000 fps och en IVV UHSi 12/24 inramning kamera, fånga 24 bilder. IVV kameran är motljus så att cylindern är upplyst i siluett möjliggör radiellt expanderande kanten av cylindern som skall noggrant spåras. Phantom Kameran är framför upplyst avbildning av brott och sönderdelning. Den höghastighetsfotografering kan därefter korreleras med Velocimetry att ge stammen och töjningshastighet längs hela provet. Den höga hastigheten avbildning möjliggör också ett riktigt mått på misslyckande stam och brottmönster längs ytan.

Den experimentella tekniken presenteras i följande protokoll avsnitt ger ett medel för att styra provets temperaturen i en expanderande cylinder experiment genom vilka olika brottmekanismerna kan aktiveras eller undertryckas. Denna teknik kommer att leda till en mer omfattande förståelse av den roll som temperaturen i dynamiska lastscenarier.

Protocol

1. Mål tillverkning och montering Maskin mål cylinder till önskade mått från fast lager. Förbered cylinderytan genom att ta bort bearbetningsmärken. En enhetlig diffus yta är att föredra för PDV reflektion. Goda resultat har erhållits med en lätt våtslipning med> 1200 grit. Karakterisera mål beståndsdelar, det vill säga mäta följande: Cylinder längd, diameter och väggtjocklek (vid flera platser) Projektilvävmaskiner längd, diameter Ogi…

Representative Results

Kvaliteten på data kommer för det första att bero på den experimentella timing. Om förseningarna från avtryckaren till påverkan är korrekta då blixtlampor kommer att producera tillräckligt med ljus när målet cylindern börjar deformeras, så att de höga hastighetskameror för att producera tydliga bilder. I detta fall bilderna från inramnings kameran kommer att ha en tydlig silhouetted kant som kan användas för att spåra deformationen av hela cylindern. Program som ImageJ kan användas för att extraher…

Discussion

Denna metod möjliggör undersökning av material vid höga hastigheter av dragbelastning över ett brett temperaturintervall, från kryogen till ~ 1000 K, som är unik för denna design. Men detta innebär vissa utmaningar för experimentuppställning och utförande. För det första, för att optimera temperaturkontroll den ogive insatsen måste maskinbearbetas av ett lämpligt material. 4340 stål används här, även om någon hög temperatur hög hårdhet stål bör räcka. På samma sätt, eftersom hela expansione…

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