为研究动态断裂及破碎的温度敏感性的方法

摘要

裂缝和碎裂是动态载荷场景中的晚期现象，通常使用炸药进行研究。我们提出了一种使用气枪驱动膨胀的技术，该技术独特地能够控制负载速率和样品温度。

摘要

一体的动态断裂是晚期现象通常简化条件下，在其中将样品均匀的应力和应变速率下变形下研究。这可以通过均匀地装入一个圆筒的内表面来制造。由于轴对称，随着气缸膨​​胀壁被置于拉伸箍应力即围绕圆周均匀。虽然有多种技术来产生这种扩张例如爆炸物，电磁驱动器，和现有的气枪技术它们都限定在一个事实，即样品气缸必须在室温下进行。我们提出使用气体喷枪便于实验上从150 K至800ķ缸具有一致的，可重复加载的新方法。这些高度诊断实验用来检验温度对断裂机制负责故障，以及它们对碎片统计所得的影响的效果。实验几何形状采用了钢卵形位于靶圆筒内，与位于大约一半的小费。单级光气枪，然后用于启动聚碳酸酯弹丸进入气缸在1000米/秒^-1。弹丸冲击和周围的刚性顶弧流，找到从内侧样品圆柱体。使用一个不变形的拱形插入件使我们能够安装温度控制硬件缸体的后部内。液氮（LN _2）用于冷却和电阻高电流负载进行加热。的换高档光子多普勒测速（PDV）的多个信道跟踪沿气缸使直接比较计算机模拟的膨胀速度，而高速成像用于测量断裂应变。将回收筒片段也受到光学和电子显微镜，以确定失效机理。

引言

材料的动态破坏是其整体机械性能的一个重要方面，并具有关联到众多行业，包括汽车，航空航天和军事仅举几。而在低应变速率失败通常是通过常规的拉伸试验，在其中一个细长的样品在从端部张力加载，在高应变率研究这样的形状/配置需要一个样品是非常小的，以便保持一个整个试验伪机械平衡。在一个单一的裂缝的外观，周围的材料会放宽，有效地阻止了任何相邻失效站点的发展。这限制了可以在任一项实验中同时观察到骨折的人数，并防止有关故障的统计数据来确定的重要信息。

扩缸测试是一种行之有效的技术特征以何种方式魔石LS失败，并在高速负荷片段。在测试中，取得所关心的材料的圆筒沿其内圆周被均匀地加载，发射穿过壁的应力波和使所述圆筒膨胀。不久，这样的径向波消散和周围的圆周均匀拉伸环向应力占主导地位。为应力和应变率是断裂和破碎行为是由材料的性质完全支配气缸周围一样。测试缓解了上述问题，因为一般大样本的圆周均匀应力¹下促进多个故障点开始。

在开发这种实验技术的主要目的是使温度在不断扩大的圆筒的断裂和碎裂行为中的作用的研究。的样品温度的控制将允许调查如何动态拉伸强度，断裂机制，fragm该材料的entation行为受到影响。例如在金属，温度的升高可引起从脆性转变为韧性断裂，最终失败之前容纳更多的塑料的工作。有些材料如Ti-6AL-4V也能表现出绝热剪切本地化^2。而样品变形，塑性工作产生热。如果软化作为该温度升高的结果的速率大于工作从变形硬化的速率，不稳定性可以形成，其中有大量的塑性变形在一个非常局部频带（绝热剪切带）发生。这种反应被促进在钛一6A1-4V由于其导热性差，并有可能限制其有效性的应用，如轻型装甲。

这种新的测试方法必须满足两个主要标准。首先，该方法必须产生10 ⁴秒^-1的量级的径向应变率，通常见于弹道和影响的事件，让比较以往的研究多采用传统的装载方案。其次，驱动机构需要由样品温度下不受影响，以确保实验之间的一致性。最初的汽缸膨胀机构使用的炸药，要么干脆直接填充样品缸^3-5或使用中间驱动程序。在后一种情况下，一个缓冲器用于^6，其中样品被放置在一个钢筒，在依次包含炸药。的明显限制是，作为样品气缸装有驱动器的材料（在炸药的形式）加热缸也将加热的电荷。虽然这可能不是直接引起的电荷开始许多类型的爆炸性的含有聚合物粘合剂材料，将来自样品气缸融出。同样地，当冷却时一些炸药变得非常敏感。这意味着，炸药驱动器不适合于温度研究。另一种方法使用洛伦兹力扩张-样品被放置在一个驱动线圈^7，8的高电流注入该驱动线圈（通常重型铜丝），诱导样品中的相对电流。这些对立的电流有关联的磁场而相互采取行动，磁压力的内面驱动向外样本。再次，加热该材料将产生不利的样品内的铜驱动线圈的影响。自从20世纪70年代晚⁹气体枪已被用于气缸膨胀。在这些实验中使用的缸中的插入件的材料是一种聚合物，所述驱动未来既是弹丸的结果，并插入变形在冲击。此插入通常是橡胶或塑料¹⁰中，强度和延展性，其中将受到严重影响的温度。暖气会使插入太软了，散热会使其行为在脆性的方式，以便它失败过早。

不同于以往的扩缸技术，这里介绍的方法是先在一个很宽的温度范围内（100-1000 K）提供了一个可重复加载驱动器。我们的技术是在一个事实，即用于驱动扩张（在我们的情况下，射弹）的材料是分开的气缸直到撞击点是唯一的。因此，它不会受到样品圆柱的初始温度，并提供一个可重复的负荷。

实验几何由拱形体安装在目标气缸内，与位于大约沿着圆筒的长度中途尖端一个钢。单级光气枪然后用于向上发射的聚碳酸酯弹丸的凹面进入气缸的速度下，以1000米/秒^-1。靶的轴线是圆筒小心地对准到气体枪管的轴线，以便于可重复和一致的负载。宝的影响和随后的流周围的伪刚性钢风帽lycarbonate弹，带动缸到从内壁扩张。小心使用拱形体插入件和弹丸的凹面的几何形状进行了优化的水力代码的计算机模拟，以产生气缸所需的扩张。使用4340合金钢为拱形体使实验与汽缸在温度作为其强度比聚碳酸酯弹丸在感兴趣的温度范围高得多，从而确保该驱动机构保持一致。 Ogives从加热和冷却实验只追回表现出最小的变形的影响的结果。

样品圆筒的加热和冷却是通过温度控制硬件安装完成到在拱形体插入件的后部的机加工凹槽。用于冷却样品到低温（〜100 K），在拱形体的凹部是密封的铝盖和液氮为flowed通过空腔。作为目标气缸具有与样品通过传导冷却的拱形体接触面积大。来加热对象气缸到温度接近1000 K，陶瓷和镍铬合金电阻加热器被放置在拱形凹槽。高电流电源提供高达1千瓦，加热顶弧和缸体。气缸和卵形被热从目标隔离在单级气 - 炮架通过使用MACOR陶瓷隔板。该坦克还适度真空（<0.5托）下这有助于热操纵实验期间举行。

为了诊断气缸的碎裂过程中，实验设计包括变频PDV多个通道，以测量在沿着汽缸点的膨胀速度。 PDV是一个相对较新的^11，基于光纤的干涉技术，该技术使得能在高动态事件表面速度的测定。在一个PDV测量，多普勒频移从感兴趣的移动表面用光纤探针是结合未移位的光，产生一个拍频成正比的移动表面的速度的反射光。从本质上讲，PDV系统是使用在近红外（1550纳米）的通信技术的进步，以在GHz范围记录的拍频快速迈克尔逊干涉仪。在当前研究中使用100毫米焦距PDV探针的安装系统可确保它们从滚筒的温度分离和提供更容易对齐。用100毫米焦距的探针的另一优点是，它们提供足够的光学访问启用高速摄影测量整个汽缸的膨胀轮廓。四个探针，AD的排列和位置，沿着汽缸示于图1的两个高速摄像机这里采用。高速摄像机幻影V16.10操作25万FPS和IVV超高速集成电路12/24幅相机，捕捉24幅图像。该IVV照相机背光，使得气缸被照亮的剪影使气缸的径向扩大的边缘被精确地跟踪。幽灵相机正面受光影像的失败并开始分段处理。高速摄影然后可以与测速相关，得到应变和应变率沿整个样本。高速成像也允许精确测量破坏应变及断裂模式沿表面。

实验方法在下面的协议部分中提供提供了一种控制在膨胀汽缸的实验中，通过该不同断裂机理可以被激活或抑制样品温度的手段。该技术会导致温度的动态负载情况下的作用，更全面的了解。

方案

1.目标制造和组装

1. 机目标油缸从固体股票所需的尺寸。
2. 通过去除加工痕迹准备滚筒表面。均匀的漫反射面最好的PDV反思。了良好的结果得到具有光水磨与> 1200砂砾。
3. 表征目标成分， 即测量以下：
   筒的长度，直径和壁厚（在多个位置）
   弹的长度，直径
   顶弧的长度，直径
   所有的上述质量
4. 安装在气缸安装环和手臂PDV。
5. 安装PDV探针运动的坐骑和到PDV手臂。
6. 插入对象气缸中的拱形体，使得拱形体的后部是与缸的后部平齐（这应该在一个车间平面来完成）。这三个M3螺丝的设计保持了弧顶的地方，同时允许缸'剥离AW在扩展时，AY“。
7. 放置在目标气缸中的安装硬件，以使圆筒的入口是与安装环的前端面齐平。固定在气缸内到位6 M4平头螺钉。
8. 沿气缸外壁的长度安装的加热/冷却装置和键热电偶。
9. 清洁FC / APC（套圈连接器，倾斜的身体接触）接口PDV探头纤维纤维清洁布的结束和检查用光纤镜。这一点很重要，以减少背反射。
10. 使用可见光（660纳米）3R类激光大致对齐的探针，使它们垂直于所述气缸（ 即 ，反射光的探头落回）。
11. 安装使用循环基本反射率电路。 1类1550纳米激光连接至输入端1，对PDV探头输入2和功率计输入3.对齐PDV探针反过来使得返回的功率被最大化。

2。气炮准备

1. 使用桶塞和深度千分尺校准目标环到筒的末端，以减少冲击倾斜。
2. 安装片段减灾系统和门保护。
3. 放置在枪管的目标对准塞。
4. 安装目标组件和对准塞。
5. 在筒的端部安装在触发化妆配对并连接到定时硬件和诊断。从测量与触发到弧顶弹丸撞击接触的距离。
6. 安装高速摄影的转向镜。
7. 对准反射镜，得到通过目标箱口的汽缸的正交视图，并锁定就位。
8. 对准高速摄像机和闪光灯的目标槽外。俯视枪管，放置高速摄像机和一个闪光灯在3点钟相对于汽缸。将相机IVV在9点钟和另一个闪光灯在12点。在此配置中，高速相机将前光裂纹跟踪和IVV将提供映衬图像的边缘检测。
9. 连接加热/冷却设备的目标和真空馈电得来。
10. 注意：用合适的眼镜和其他注意事项打开IV级激光器，示波器和PDV系统。
11. 检查的功率电平被发送到PDV探针。与PDV系统，通常使用约5毫瓦每个探针与每通道1毫瓦为参考。
12. 检查PDV探头对准功率计。一旦满意的取向使用红外卡以测量那里的PDV探针正在寻找的圆柱体表面上。
13. 打开的参照用激光，并检查由每个探针给出的差拍信号的质量。调整激光（S）以设置所需的零速度差频的波长（设置此约5千兆赫）。
14. 一旦满意的目标阿里gnment，触发位置，摄像头和反光镜调整，PDV探头对准和位置，并缓解框架关闭目标坦克。
15. 取下对准插头;安装弹丸。
16. 安装摄像头和照明（帧速率，曝光，定时），并进行测试成像。典型的帧速率大约250,000帧/秒，这两款相机，拥有约0.5微秒曝光。第一图像通常定时为与冲击的瞬间重合。

3.准备射击

1. 安装臀位隔膜是适用于需要烧制压力。
2. 关闭臀位，并开始在目标坦克撤离。目标为在50毫托的区域的真空度。
3. 执行所有诊断的最终设置（示波器延迟，触发器，相机设置等 ）。集示波器为PDV在50微秒每格，每点25皮秒和20％的预触发，得到500微秒的窗口。触发邻scilloscopes和摄像头，使得零时间恰逢影响的时间。
4. 最终触发测试;检查计时是否准确。
5. 打开激光器;手臂相机。
6. 关闭室;确保激光和高压互锁是在正确的位置。
7. 使用LabVIEW软件要求开始加热/冷却。
8. 充电枪所需的点火压力。
9. 当在压力下，做最后的检查，所有诊断系统武装。
10. 隔离的加热或冷却装置。
11. 倒计时“3，2，1火”。
12. 发泄目标和捕获的坦克。
13. 保存所有示波器和相机数据。

4.前次拍摄

1. 关闭激光器和等待枪充分均衡在大气中。
2. 打开目标槽，收集所有的金属碎片和整理出的Ti-6AL-4V。

5.数据分析

1. 执行STFT分析的PDV OScilloscope数据，以减少速度历史敖每刀郎和¹²的分析。
2. 与软件，如提到的设备表的过程的高速成像数据。高速摄像机镜头将提供时间和破坏应变，使裂纹的形成和生长分析。的映衬图像从IVV提供清晰边缘检查气缸的充分变形轮廓。
3. 测量和称重回收的片段。选择与有趣的功能片段，如逮捕骨折并准备显微镜。
   1. 节，安装，和波兰的片段;然后分析在电子显微镜。电子背散射衍射提供的质地和微观结构沿着二次电子成像信息探测断裂面，并确定故障模式。

结果

数据的质量将首先取决于实验定时。如果延迟从触发到影响都是正确的那么闪光灯会产生足够的光线在目标缸开始变形，使高速摄像机，以产生清晰的图像。在这种情况下，从取景相机的图像将有一个明确的映衬边缘可用于跟踪整个圆柱体的变形。软件如ImageJ的可用于提取线路输出对各帧数据，生成一个图像， 如图2。理想情况下，PDV就能追踪膨胀速度为〜100微秒，这将取决于圆筒的表面光洁度和探针的对准。对于给定的实验对PDV和线路输出的数据可以针对彼此使用来自PDV的四个已知点的图像中进行验证。与此组合在沿圆筒长度的任何点的半径或径向应变的精确测量可以萃取。 图3绘出了径向膨胀速度在两个点处沿圆筒的长度，在比较在150 K和800 K。我们可以看到，在冷却气缸的峰值速度后少减速的实验，表明断裂发起较早导致强度的气缸中的损失。径向速度，然后对时间积分，以减少在由探针所观察到的点的径向位移。 图4显示了这种用于冷却气缸的一个例子。从高速视频图像应足够清楚辨别裂和裂纹扩展，如在图5中看出。从这我们提取断裂的时间激活，并且必须推断气缸...

讨论

此方法使材料在拉伸加载的高速率调查在宽的温度范围内，从低温到〜1000 K，独特这种设计。然而，这增加了一定的挑战实验设置和执行。首先，以优化温度控制的拱形插入件需要由合适的材料加工。 4340钢用在这里，虽然任何高温高硬度钢应该足够了。同样，因为整个扩张驱动器现在从聚合物弹丸始发此需要从一个非脆性塑料制成，如机级聚碳酸酯在此工作。

具有插入件和气缸之间的密切机械配合，以确保良好的热接触是很重要的。必须注意，如果目标缸的热膨胀系数不接近插入。例如，如果筒是脆具有低的热膨胀（如陶瓷）吨他膨胀插入件可能会损坏或甚至破裂的圆柱体。出于同样的原因，用于粘结在气缸热电偶环氧树脂必须能够抵抗预期的温度和气缸的运动，因为它加热/冷却。最后，从安装系统的目标的热隔离是很重要的，否则热浸泡使温度控制困难，并且可以开始对PDV探针产生不利影响和目标对准。

该技术的限制是依赖于可用的弹丸发射的设施。径向应变率可达到的弹丸速度和气缸直径的函数。较小气缸需要较低的射弹速度，但可以再限制观察骨折的人数。膨胀速度的精确测量就必须有质量基于激光的测速系统，如...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1,550 nm 连续激光器	NKT Photonics	Koheras Adjustik	x 2
1,550 nm 功率放大器	NKT Photonics	Koheras Boostik HPA
延迟发生器	Quantum Composers	9500+ 数字延迟脉冲发生器	8 输出版本
斯坦福研究系统	DG535 数字延迟发生器
16 通道数字化器	Agilent Technologies	U1056B 机箱 + 4 x U1063A 数字化仪
高带宽示波器	Teledyne LeCroy	WaveMaster 816Zi-A	膨胀速度，第 3 代 PDV
泰克	DPO71604C	弹射速度，第 1 代 PDV
高速成像系统	视觉研究	幻影 v16.10
隐形视觉	IVV UHSi-24
蔡司光学	平面 T* 1,4/85	85 毫米定焦镜头
尼康	AF-S 尼克尔 70-200 毫米 f/2.8 ED VR	II 70-200 毫米长焦镜头
闪光灯	Bowens	Gemini Pro 1500 W	x 2
PDV 探头	激光器 2000	LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3	x 4 （定制订单）
PDV 系统	冲击研究所内部制造物理	定制构建	3rd Generation （Upshifted） 8通道便携式PDV系统
控制软件	National Instruments	LabVIEW 2013
加热控制硬件	National Instruments	NI-DAQ 6009 USB
加热电源	BK精密	BK1900
电偶记录器	Pico技术	TC-08
100 毫米单级轻型气枪	Physics Applications， Inc. （PAI）	定制	能够以至少 1,000 米/秒的速度使用 ~2 公斤的弹丸
图像分析软件	美国国立卫生研究院	ImageJ	开源、免费
图像分析软件	Mathworks	MATLAB r2014a	带图像处理工具箱
材料切片锯	司特尔	Accutom-50
电子显微镜	蔡司	Auriga
电子背散射衍射	Bruker	e-Flash 1000
EBSD 软件	Bruker	eSprit