En metode til at studere temperaturafhængighed 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 brud på et legeme er en sen-fase fænomenet typisk studeret under forenklede forhold, hvor en prøve deformeret under ensartet stress og belastning sats. Dette kan fremstilles ved jævnt lastning den indre overflade af en cylinder. På grund af den aksiale symmetri, som cylinderen udvider væggen er anbragt i en trækstyrke hoop stress, der er ensartet omkring periferien. Mens der er forskellige teknikker til at danne denne ekspansion såsom sprængstoffer, elektromagnetiske drev, og eksisterende gas pistol teknikker, de er alle begrænset i det faktum, at prøven flasken skal være ved stuetemperatur. Vi præsenterer en ny metode ved hjælp af en gas pistol, der letter eksperimenter på cylindre fra 150 K til 800 K med en konsekvent, gentagelig belastning. Disse meget diagnosticeret eksperimenter bruges til at undersøge effekten af ​​temperatur på bruddet mekanismer, der er ansvarlige for manglende, og deres deraf følgende indflydelse på fragmentering statistik. Den eksperimentelle geometri anvender enstål ogive placeret inde i målet cylinderen med spidsen placeret omkring halvvejs i. En enkelt fase let gas pistol anvendes derefter til at starte et polycarbonat projektil ind i cylinderen ved 1.000 m / sek ^-1. Projektilet virkninger og strømmer omkring den stive spidsen, kørsel prøvecylinderen indefra. Anvendelsen af ​​en ikke-deformerende ogive insert giver os mulighed for at installere temperaturkontrol hardware inde i bagenden af ​​cylinderen. Flydende nitrogen _(LN2) anvendes til køling og en resistiv høj strømbelastning til opvarmning. Flere kanaler med upshifted foton Doppler Velocimetry (PDV) spore ekspansion hastighed langs cylinderen muliggør direkte sammenligning med computersimuleringer, mens Højhastigheds billeddannelse anvendes til at måle belastningen til svigt. De genvundne cylindrede fragmenter er også underlagt optisk og elektronmikroskopi at fastslå den manglende mekanisme.

Introduction

Den dynamiske svigt af et materiale er et vigtigt aspekt af den overordnede mekaniske opførsel, og har betydning for mange industrier, herunder bilindustrien, flyindustrien, og militær at nævne nogle få. Mens svigt ved lave strain satser typisk er undersøgt gennem traditionelle trækprøvninger, hvori en lang tynd prøve indlæst under spænding fra enderne, ved høje belastningsgrader sådan geometri / konfiguration kræver en prøve for at være meget lille for at opretholde en pseudo-mekanisk ligevægt hele testen. Ved fremkomsten af ​​en enkelt revne, vil det omgivende materiale lempes, effektivt standse udviklingen af ​​eventuelle tilstødende svigt sites. Dette begrænser antallet af frakturer, der kan samtidigt observeres i et eksperiment, og forhindrer vigtige oplysninger vedrørende statistik over manglende skal fastlægges.

Den ekspanderende cylinder test er en veletableret teknik til karakterisering, hvorledes materials mislykkes og fragmentet under høj hastighed belastning. I testen er en cylinder fremstillet af det materiale af interesse ensartet læsset langs sin indre periferi, iværksætte en spændingsbølge gennem væggen og forårsager cylinderen til at ekspandere. Snart denne radiale bølge spreder og en ensartet trækstyrke hoop stress omkring omkredsen dominerer. Da stress og belastning sats er den samme rundt om cylinderen bruddet og fragmentering adfærd udelukkende efter materialets egenskaber. Testen lindrer det førnævnte problem som typisk store prøve omkredse fremme initiering af multiple svigt sites under ensartet spændingsfordeling ^1.

Hovedformålet med at udvikle denne eksperimentelle teknik var at muliggøre studiet af rollen af ​​temperaturen i frakturen og fragmentering opførsel af en ekspanderende cylinder. Styringen af ​​prøvetemperaturen vil give mulighed for undersøgelse af, hvordan den dynamiske trækstyrke, fraktur mekanisme, og Fragmsentation opførsel af materialet påvirkes. For eksempel i metaller, kan en temperaturstigning medføre et skift fra skørt til duktilt brud, imødekommende mere plastisk arbejde, før i sidste ende mislykkes. Nogle materialer, såsom Ti-6AI-4V kan også udvise adiabatisk shear lokalisering ^2. Mens prøven deformerer, plast arbejde genererer varme. Hvis hastigheden af ​​blødgøring som følge af denne temperaturstigning er større end hastigheden for deformationshærdning fra deformationen kan en ustabilitet form, hvor en stor mængde plastisk deformation forekommer i et meget lokalt band (adiabatisk shear band). Denne reaktion fremmes i Ti-6AI-4V på grund af sin dårlige varmeledningsevne, og kan potentielt begrænse dens effektivitet til applikationer såsom letvægts rustning.

Denne nye test metode skal opfylde to hovedkriterier. For det første skal den metode producere en radial belastning sats i størrelsesordenen 10 ⁴ sek ^-1, typisk ses i ballistisk ogindvirkning begivenheder, for at muliggøre sammenligning med tidligere undersøgelser, der beskæftiger mere traditionelle lastning ordninger. For det andet drivmekanismen skal upåvirket af prøven temperaturen at sikre overensstemmelse mellem forsøgene. Indledende cylinder ekspansion mekanismer anvendt sprængladninger, enten blot at udfylde prøvecylinderen ^3-5 direkte eller ved hjælp af en mellemliggende driver. I sidstnævnte tilfælde en buffer anvendes ^6, hvor prøven anbringes over en stålcylinder, som igen indeholder en eksplosiv ladning. Den indlysende begrænsning er, at som prøve cylinder indeholder drevet materiale (i form af sprængstoffet) vil opvarmning af cylinderen også opvarme afgift. Selvom det kan ikke direkte forårsage initiering af ladningen mange typer af sprængstof indeholder et polymert bindemateriale, der vil smelte ud fra prøven cylinderen. Ligeledes nogle sprængstoffer bliver meget følsom, når den afkøles. Det betyder, at eksplosive drev er ikke egnede til temperatur undersøgelse. En alternativmetode bruger Lorentz kraft for ekspansion – prøven er placeret over en chauffør spole ^{7, 8} En høj strøm indsprøjtes i denne driver spole (typisk tunge gauge kobbertråd), inducerer en modsat strøm i prøven.. Denne modsatrettede strømninger har tilknyttet magnetfelter, der virker mod hinanden, det magnetiske tryk kører prøven udad fra indersiden. Igen, opvarmning af materialet vil påvirke kobber drivspolen inde i prøven. Gaskanoner er blevet brugt til cylinder ekspansion siden slutningen af 1970'erne ^9. I disse forsøg materialet anvendt til indsatsen i cylinderen er en polymer, drevet kommer som et resultat af både projektilet og indsætte deformeres ved udslag. Denne indsats er typisk en gummi eller plast ^10, styrken og duktilitet vil blive hårdt ramt af temperaturen. Opvarmning vil gøre indsatsen for blød, og køling vil gøre det opføre sig på en sprød måde, så det mislykkes for tidligt.

<p class = "jove_content"> I modsætning til tidligere cylinder ekspansion teknikker, den her beskrevne fremgangsmåde er den første til at give en gentagelig loading drev over et bredt område af temperaturer (100-1.000 K). Vor teknik er unik i, at det materiale, der anvendes til at drive ekspansion (i vores tilfælde projektilet) er adskilt fra cylinderen indtil anslagspunktet. Det er derfor upåvirket af den oprindelige temperatur af prøven cylinderen og tilvejebringer en gentagelig belastning.

Den eksperimentelle geometri består af en stål ogive monteret inden i mål-cylinder, med spidsen placeret omkring halvvejs langs længden af ​​cylinderen. En enkelt fase let gas pistol anvendes derefter til at iværksætte en polycarbonat projektil med en konkav flade i cylinderen ved hastigheder op til 1.000 m / sek ^-1. Akse målet er cylinderen er omhyggeligt afstemt til aksen af ​​gas-geværløb for at lette en reproducerbar og ensartet belastning. Virkningen og efterfølgende strøm af polycarbonate projektil omkring pseudo-stive stål ogive, driver cylinderen ind udvidelse fra den indvendige væg. Geometrien af ​​spidsen indsatsen og konkave flade af projektilet blev omhyggeligt optimeret ved hjælp hydro-kode computersimuleringer til at generere den ønskede udvidelse af cylinderen. Anvendelse af 4340 legeret stål til spidsen muliggør eksperimenter med cylinderen ved den temperatur, dens styrke er meget højere end polycarbonat projektil i temperaturområdet af interesse, sikrer drivmekanismen forbliver foreneligt. Ogives genvundet fra opvarmede og afkølede eksperimenter kun udviser minimal deformation som følge af virkningen.

Opvarmning og afkøling af prøven cylinder opnås ved montering af temperaturkontrol hardware i en bearbejdet forsænkning i den bageste del af spidsen insert. Til afkøling af prøven til kryogene temperaturer (~ 100 K), er recessen i spidsen forseglet med en aluminiumshætte og flydende nitrogen er ffulgt gennem hulrummet. Som målet cylinder har et stort kontaktområde med spidsen prøven afkøles gennem ledning. At opvarme målet cylinder for temperaturer, der nærmer 1.000 K, er en keramisk og nichrom resistive varmelegeme placeret i spidsen reces. En høj nuværende strømforsyning giver op til 1 kW, opvarme spidsen og cylinder. Cylinderen og spidsen er termisk isoleret fra målet mount i enkelt fase gas-gun gennem brug af MACOR keramiske afstandsstykker. Tanken er også afholdt under moderat vakuum (<0,5 Torr) under forsøget, som hjælper termisk manipulation.

For at diagnosticere fragmentering af cylinderen, den eksperimentelle design omfatter flere kanaler med frekvens-konvertering PDV, at måle udvidelse hastighed ved punkter langs cylinderen. PDV er en relativt ny ^11, optisk fiber baseret interferometri teknik, der gør det muligt at måle overflade hastigheder under meget dynamiske hændelser. Under en PDV måling, Doppler skiftet lys reflekteret fra en bevægende overflade af interesse under anvendelse af et fiberoptisk probe kombineres med un-forskudt lys, hvilket skaber en beat frekvens, der er direkte proportional med hastigheden af ​​den bevægelige overflade. Væsentlige, en PDV-system er en hurtig Michelson interferometer hjælp fremskridt i nær-infrarød (1.550 nm) kommunikationsteknologi til rekord Beat frekvenser i GHz-området. Monteringssystemet til 100 mm brændvidde PDV anvendte prober i den aktuelle undersøgelse sikrer, at de er isoleret fra temperaturen af ​​cylinderen og giver nem tilpasning. En yderligere fordel ved anvendelse af 100 mm brændvidde sonder er, at de giver tilstrækkelig optisk adgang til, at high speed fotografering at måle udvidelse profil af hele cylinder. Arrangementet og placering af fire prober, AD, langs cylinderen er vist i figur 1 To højhastigheds kameraer anvendes her.; en højhastigheds videokamera Phantom V16.10 opererer på 250.000 fps og en IVV UHSi 12/24 indramning kamera, erobre 24 billeder. Vininstituttet kamera belyses bagfra, således at cylinderen lyser silhuet muliggør den radialt ekspanderende kant af cylinderen til nøjagtigt spores. Phantom kamera er forsiden lyser billeddannelse svigt initiering og fragmentering proces. Den høje hastighed fotografering kan derefter korreleres med Velocimetri at give stamme og tøjningshastighed langs hele prøven. Den høje hastighed billeddannelse giver også mulighed for en nøjagtig måling af svigt stamme og bruddet mønstre langs overfladen.

Den eksperimentelle teknik vist i følgende protokol sektion tilvejebringer et middel til styring af temperaturen prøve i en ekspanderende cylinder eksperiment, hvorigennem forskellige fraktur mekanismer kan aktiveres eller undertrykkes. Denne teknik vil føre til en mere omfattende forståelse af den rolle, temperaturen i dynamisk belastning scenarier.

Protocol

1. Target Fabrikation og Assembly Target maskine cylinder til ønskede dimensioner fra fast bestand. Forbered cylinderoverfladen ved at fjerne bearbejdning mærker. En ensartet diffus overflade er at foretrække i PDV refleksion. Gode ​​resultater er blevet opnået med en let vådslibning med> 1.200 grit. Karakterisere target bestanddele, dvs måle følgende: Cylinder længde, diameter og vægtykkelse (på flere steder) Projektil længde, diameter Ogive…

Representative Results

Kvaliteten af ​​data vil først afhænge af den eksperimentelle timing. Hvis forsinkelserne fra aftrækkeren til virkningen er korrekte derefter flash lamper vil producere nok lys, når målet cylinderen begynder at deformere, så de høje hastighed kameraer til at producere klare billeder. I dette tilfælde billederne fra kameraet indramning vil have en klar silhuet kant, der kan bruges til at spore deformationen af ​​hele cylinder. Software som ImageJ kan bruges til at udtrække lineout data for hver ramme, hv…

Discussion

Denne metode muliggør undersøgelse af materialer ved høje trækbelastning over et bredt område af temperaturer, fra kryogene til ~ 1.000 K, unikke for dette motiv. Men dette tilføjer visse udfordringer for forsøgsopstillingen og udførelse. For det første at optimere temperaturkontrol den spidsen indsatsen skal bearbejdes af et egnet materiale. 4340 stål anvendes her, selvom enhver høj temperatur høj hårdhed stål burde være nok. Ligeledes, som hele ekspansion drevet nu har oprindelse fra polymeren projektil…

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