研究动态断裂与碎裂温度依赖性的方法

以下实验的目标是开发一种方法，用于研究在不同初始样品温度下，材料在高应变率拉伸载荷作用下的动态断裂与碎裂行为。该方法采用由气枪驱动的膨胀圆筒构型，其中样品为一中空圆筒，内部包含一个钢制O形活塞状插入件，作为温度控制装置。第二步，将目标圆筒同轴安装至气枪枪管末端，并安装基于激光的径向对称性诊断系统，用于测量圆筒表面多点处的膨胀速度，同时采用高速成像技术追踪裂纹的起始与扩展过程。

接下来，将圆筒加热至目标温度，并将聚碳酸酯弹丸射向靶材。弹丸与OJ插件之间的撞击导致聚碳酸酯向外流动，驱动圆筒发生均匀的径向膨胀，从而在周向产生拉伸应力状态。利用速度对称性分析和高速成像技术，可测定材料在不同温度下的变形、失效及碎片化特性，结合碎片分析以确定断裂机制。

与现有其他方法（如传统的霍普金森杆技术或使用炸药或拉伸分裂霍普金森杆技术）相比，该技术的主要优势在于，能够在不改变样品加载或应变率等实验因素的前提下，研究初始样品温度的影响。实验准备从加工一个目标圆柱体开始，该圆柱体由钛合金（钛，6%铝，4%钒，质量百分比，即Ti-6Al-4V）制成。该圆柱体长150毫米，内径50毫米，壁厚4毫米。

表面光洁度应无加工痕迹，并保持略微漫反射，以用于光子多普勒测速对称性实验。随后沿圆柱体粘贴热电偶。开始组装靶件：首先将OJ插入件放入圆柱体后端，并用夹紧螺钉固定。

接下来，将气缸和O形圈组件放入安装套筒中，并用紧定螺钉固定。此时，安装加热或冷却装置。

本实验中，将一个微米级电阻负载放入 O 形活塞插入件的后部。下图显示了最终组装结构，其中包含热电偶，可用于测量沿圆柱体的温度分布，探头在此处验证了对称性。最终靶件组装结构随后与气枪弹丸并列展示以供比较。

在清洁探头连接器后，使用可见激光粗略对准探头，使660纳米激光通过探头并照射到圆柱体上，以实现近似正入射对准。调节探头位置，直至反射光返回探头。随后使用1,550纳米激光和光隔离器进行更精确的对准。

为了测量收集到的反射光量，调节每个探头直至达到最大值。目标准备就绪后，开始使用气体炮。将一个精密加工的对准塞插入炮管末端。

接着，将靶组件安装到塞子上，并调整靶座，直至圆柱体与枪管同轴对齐。靶件对齐后，将加热线圈连接到大电流电缆，并将光纤连接到光子多普勒速度对称性系统。

返回炮管处，为定时硬件安装触发装置。将一对触发器置于炮管末端，使得弹丸射出炮管时能够闭合电路。然后测量触发器到弹丸在O型垫片上的撞击点之间的距离，以便估算撞击时间。

此时，设置高速成像系统。使用反射镜通过气体炮的光学窗口传递图像。将闪光灯从前侧和上方对准圆柱体放置。

在目标水箱外部安装一台高速相机，使其与圆柱体对齐并聚焦于圆柱体。圆柱体应几乎充满整个画面，同时为圆柱体的膨胀预留空间。当所有设备就位后，对光子多普勒测速对称系统中的激光器采取适当的安全防护措施。

然后打开VELA对称性系统和示波器，检查VELA对称性。探测功率水平和准直情况。接下来，使用红外观察卡确定从圆柱体后端到VELA对称性探头聚焦位置之间的距离。

打开参考激光器，以检查每个通道的信号。将零速度拍频设置为五吉赫兹。在对所有诊断设备进行最终测试后，移除准直塞并关闭罐体。

安装弹丸并准备发射：将靶室抽真空至约50毫托，并设置定时硬件以启动高速成像和示波器，使零时刻与预计撞击时间一致。在封闭实验区域并转移至控制室之前，打开激光器并启动诊断设备。

从控制室开始将靶材加热至所需温度。当达到设定温度后，将枪室充气至所需的发射压力。

达到发射压力后，进行最终检查。关闭加热电源。开始倒计时并发射：3、2、1。

发射后，当气体炮恢复至大气压时，弯曲气体炮并保存相机数据。在确保安全的情况下，返回炮室，关闭激光器并保存示波器数据。随后打开靶室以收集碎片。碎片。

碎片将包含Ti-6-4及其他金属碎片。从储罐中清除所有金属碎片，以便后续提取并分析Ti-6-4。该高速视频展示的是在150 K条件下的钛合金圆柱体，弹丸速度为1000米每秒。

成像相机每10微秒采集一幅图像，曝光时间为0.7微秒。本图数据来自Botone多普勒速度对称性测量，展示了膨胀速度随时间的变化关系。两条实线对应150 K的圆柱体。

黑色曲线代表 O jive 尖端位置。红色曲线代表沿 O jive 更靠后的一个点。作为对比，虚线曲线给出了 800 K 下圆柱体的数据。其中，黑色曲线对应 O jive 的尖端位置，红色曲线对应更靠后的位置。

被测圆柱在达到峰值速度后减速度较小，表明裂纹更早开始萌发。此处，实色曲线对应于在150 K条件下沿圆柱长度方向四个位置处测得的径向应变累积情况。圆点及相连的虚线表示可见裂纹的数量，对应右侧坐标轴。这些高速视频图像可用于获取裂纹时间激活过程的相关信息。

在此，150 K气瓶中出现了多条纵向裂纹。通过我们在此介绍的高速成像和速度测量等方法，对回收的碎片进行仔细分析，可以揭示导致样品碎裂的断裂机制。