Un metodo per studiare la dipendenza dalla temperatura della dinamica Frattura e frammentazione

Summary

La frattura e la frammentazione sono fenomeni in fase avanzata in scenari di caricamento dinamico e sono tipicamente studiati utilizzando esplosivi. Presentiamo una tecnica per guidare l'espansione utilizzando una pistola a gas che consente in modo univoco il controllo sia della velocità di caricamento che della temperatura del campione.

Abstract

La frattura dinamica di un corpo è un fenomeno in fase avanzata tipicamente studiato in condizioni semplificate, in cui un campione è deformata sotto uniforme e velocità di deformazione. Questo può essere prodotto da caricare uniformemente la superficie interna di un cilindro. A causa della simmetria assiale, come si espande il cilindro la parete viene inserito in un cerchio trazione stress che è uniforme lungo la circonferenza. Mentre ci sono varie tecniche per generare questa espansione, come esplosivi azionamento elettromagnetico, e tecniche pistola gas esistenti sono tutti limitati nel fatto che il cilindro campione deve essere a temperatura ambiente. Presentiamo un nuovo metodo che utilizza una pistola a gas che facilita esperimenti su cilindri da 150 K a 800 K con una costante, carico ripetibile. Questi esperimenti altamente diagnosticati sono utilizzati per esaminare l'effetto della temperatura sui meccanismi di frattura responsabili per il fallimento, e la loro influenza sulla conseguente frammentazione statistiche. La geometria sperimentale impiega unogiva acciaio trova all'interno del cilindro di destinazione, con la punta si trova circa a metà strada. Una singola pistola gas leggero fase viene quindi utilizzato per lanciare un proiettile policarbonato nel cilindro a 1.000 m / sec ^-1. Gli impatti proiettile e fluisce intorno dell'ogiva rigida, guida il cilindro campione dall'interno. L'uso di un inserto ogiva indeformabile ci permette di installare hardware di controllo della temperatura all'interno della parte posteriore del cilindro. L'azoto liquido (LN ₂₎ è usato per il raffreddamento ed un carico resistivo corrente elevata per il riscaldamento. Più canali di upshifted fotone velocimetria Doppler (PDV) traccia la velocità di espansione lungo il cilindro consentendo confronto diretto con simulazioni al computer, mentre l'imaging ad alta velocità viene utilizzato per misurare la tensione al fallimento. I frammenti cilindri recuperati sono inoltre soggetti alla microscopia ottica ed elettronica per accertare il meccanismo di rottura.

Introduction

Il fallimento dinamica di un materiale è un aspetto importante del suo comportamento meccanica complessiva, e ha rilevanza per numerose industrie compreso automobilistico, aerospaziale, e militari per citarne alcuni. Mentre insuccesso strain bassi tassi è tipicamente studiata attraverso prove di trazione convenzionale, in cui è caricato un campione lungo e sottile in tensione dalle estremità, alle alte velocità di deformazione ad una geometria / configurazione richiede un campione molto piccolo per mantenere un equilibrio pseudo-meccanico durante tutta la prova. Alla comparsa di una singola fessura, il materiale circostante sarà rilassato, arrestando efficacemente lo sviluppo di altri siti guasto adiacenti. Questo limita il numero di fratture che possono essere simultaneamente osservate in un solo esperimento, e impedisce le informazioni importanti per quanto riguarda le statistiche di fallimento da determinare.

Il test cilindro espansibile è una tecnica ben consolidata per caratterizzare il modo in cui materials fallire e frammento sotto carico ad alta velocità. Nel test, un cilindro in materiale di interesse viene caricato uniformemente lungo la sua circonferenza interna, lanciando un'onda stress attraverso la parete e causando il cilindro di espandersi. Presto questa onda radiali dissipa e una divisa trazione cerchio intorno alla circonferenza domina. Poiché il tasso di stress e la tensione è la stessa intorno al cilindro il comportamento a frattura e la frammentazione è disciplinata esclusivamente dalla proprietà del materiale. Il test allevia il problema di cui sopra, come le tipicamente grandi circonferenze campioni promuovere apertura di più siti di rottura sotto stress uniforme ^1.

L'obiettivo principale nello sviluppo di questa tecnica sperimentale era quello di consentire lo studio del ruolo della temperatura nel comportamento a frattura e la frammentazione di un cilindro espansibile. Il controllo della temperatura del campione consentirà indagini di come la resistenza alla trazione dinamica, meccanismo di frattura, e Fragmcomportamento sentazione del materiale è influenzata. Ad esempio in metalli, un aumento della temperatura può causare uno spostamento da fragile per frattura duttile, accomodante lavoro più plastica prima di fallire definitivamente. Alcuni materiali come il Ti-6Al-4V possono presentare anche al taglio adiabatica localizzazione ^2. Mentre il campione si deforma, l'opera plastica genera calore. Se il tasso di rammollimento a seguito di questo aumento di temperatura è superiore al tasso di incrudimento dalla deformazione, una instabilità può formare in cui una grande quantità di deformazione plastica si verifica in una banda molto localizzata (banda shear adiabatica). Questa risposta è promosso in Ti-6Al-4V causa della sua scarsa conducibilità termica, e può potenzialmente limitare la sua efficacia per applicazioni come armatura leggera.

Questo nuovo approccio di prova deve soddisfare due criteri principali. In primo luogo, il metodo deve produrre una velocità di deformazione radiale dell'ordine di 10 ⁴ sec ^-1, vengono tipicamente osservati in balistica eeventi di impatto, per permettere un confronto con precedenti studi che impiegano più regimi di carico tradizionali. In secondo luogo, il meccanismo di azionamento deve essere influenzato dalla temperatura del campione per garantire la coerenza tra esperimenti. Meccanismi di espansione cilindro iniziale utilizzato cariche esplosive, o semplicemente compilando il cilindro del campione ^3-5, direttamente o tramite un driver intermedio. In quest'ultimo caso, un tampone viene impiegato ^6, dove il campione viene posizionato sopra un cilindro di acciaio che a sua volta contiene una carica esplosiva. La limitazione evidente è che il cilindro campione contiene il materiale rigido (in forma di esplosivo) riscaldare il cilindro anche riscaldare la carica. Mentre questo non può causare direttamente iniziazione della carica molti tipi di esplosivo contengono un materiale legante polimerico che si scioglierà fuori dal cilindro di campionamento. Allo stesso modo, alcuni esplosivi diventano altamente sensibili quando raffreddato. Ciò significa che le unità esplosivi non sono adatti per lo studio della temperatura. Un'alternativametodo utilizza la forza di Lorentz per espansione - il campione è posto su una bobina conducente ^{7, 8} A corrente elevata viene iniettato in questa bobina driver (diametro filo di rame tipicamente pesante), inducendo una corrente opposta nel campione.. Queste correnti opposte sono associate campi magnetici che agiscono contro l'altra, la pressione magnetica guidare il campione verso l'esterno dalla superficie interna. Anche in questo caso, il riscaldamento del materiale influenza negativamente la bobina di azionamento rame all'interno del campione. Pistole a gas sono stati utilizzati per l'espansione cilindro sin dalla fine del 1970 ^9. In questi esperimenti il ​​materiale utilizzato per l'inserto nel cilindro è un polimero, l'azionamento viene come conseguenza sia del proiettile e inserire deformazione al momento dell'impatto. Questo inserto è tipicamente una gomma o plastica ^10, la resistenza e duttilità dei quali sarà severamente influenzate dalla temperatura. Riscaldamento renderà l'inserto troppo morbido, e il raffreddamento renderà comportarsi in maniera così fragili non riesce prematuramente.

A differenza delle tecniche di espansione cilindro precedenti, il metodo qui descritto è il primo a fornire un'unità di carico ripetibile in un ampio intervallo di temperature (100-1000 K). La nostra tecnica è unico nel fatto che il materiale utilizzato per l'azionamento della espansione (nel nostro caso il proiettile) è separata dal cilindro fino al punto di impatto. Di conseguenza, non è influenzato dalla temperatura iniziale del cilindro campione e fornisce un carico ripetibile.

La geometria sperimentale costituito da un acciaio ogiva montata all'interno del cilindro di destinazione, con la punta si trova circa a metà della lunghezza del cilindro. Un unico cannone a gas leggero fase viene quindi utilizzato per lanciare un proiettile policarbonato con una faccia concava nel cilindro a velocità fino a 1.000 m / sec ^-1. L'asse del cilindro è bersaglio è accuratamente allineato all'asse della canna gas-gun per facilitare un carico ripetibile e uniforme. Il flusso di impatto e la successiva del Poproiettile lycarbonate intorno dell'acciaio ogiva pseudo-rigida, aziona il cilindro in espansione dalla parete interna. La geometria dell'inserto ogiva e la faccia concava del proiettile sono stati attentamente ottimizzati utilizzando simulazioni al computer idro-codice per generare l'espansione desiderata del cilindro. Utilizzando acciaio legato 4340 per dell'ogiva permette sperimentazione con il cilindro a temperatura come la sua forza è molto superiore proiettile policarbonato nel campo di temperatura di interesse, assicurando il meccanismo di azionamento resta costante. Ogives recuperati da esperimenti riscaldati e raffreddati mostrano solo minima deformazione a seguito dell'impatto.

Il riscaldamento e il raffreddamento del cilindro del campione è compiuto mediante l'installazione di hardware di controllo della temperatura in un incavo lavorata nella parte posteriore dell'inserto ogiva. Per il raffreddamento del campione a temperature criogeniche (~ 100 K), l'incavo nel ogiva è sigillata con un tappo di alluminio e azoto liquido è flowed attraverso la cavità. Come il cilindro porta ha una grande area di contatto con l'ogiva il campione viene raffreddato per conduzione. Per riscaldare il cilindro porta a temperature prossime 1.000 K, un riscaldatore ceramico e nicromo resistivo viene posizionato nella cavità ogiva. Un alimentatore ad alta corrente fornisce fino a 1 kW, riscaldando dell'ogiva e cilindro. Il cilindro e ogiva sono termicamente isolate dal bersaglio montare nel singolo gas-gun scena attraverso l'uso di MACOR distanziatori ceramici. Il serbatoio è contenuto anche sotto vuoto moderato (<0,5 Torr) durante l'esperimento che aiuta manipolazione termica.

Per diagnosticare il procedimento di frammentazione del cilindro, il disegno sperimentale comprende molteplici canali di frequenza-conversione PDV, per misurare la velocità di espansione ai punti lungo il cilindro. PDV è una tecnica relativamente nuova interferometria a base ^11, la fibra ottica che consente la misurazione della velocità di superficie durante gli eventi altamente dinamici. Durante una misurazione PDV, Doppler spostato la luce riflessa da una superficie mobile di interesse utilizzando una sonda a fibre ottiche è combinato con la luce un-spostato, creando una frequenza di battimento che è direttamente proporzionale alla velocità della superficie in movimento. In sostanza, un sistema di PDV è un interferometro di Michelson veloce grazie ai progressi nel vicino infrarosso (1.550 nm), la tecnologia di comunicazione a frequenze di battere il record nella gamma GHz. Il sistema di montaggio per la lunghezza focale sonde PDV 100 millimetri utilizzati in questo studio garantisce che essi sono isolati dalla temperatura del cilindro e fornisce un facile allineamento. Un ulteriore vantaggio di utilizzare sonde lunghezza focale 100 mm che forniscono accesso ottico sufficiente per consentire fotografia ad alta velocità per misurare il profilo di espansione dell'intero cilindro. La disposizione e la posizione del quattro sonde, AD, lungo il cilindro è mostrato nella Figura 1 Due telecamere ad alta velocità sono impiegati qui.; una videocamera ad alta velocità Phantom V16.10 operando a 250.000 fps e un IVV UHSi fotocamera 12/24 inquadratura, catturando 24 immagini. La telecamera IVV è retroilluminata tale che il cilindro è illuminato in silhouette permettendo al bordo radialmente espansione del cilindro da tracciare con precisione. La telecamera Phantom è anteriore illuminato imaging del processo fallimento di iniziazione e frammentazione. La fotografia ad alta velocità può quindi essere correlata con la velocimetria di dare tensione e velocità di deformazione lungo l'intero campione. L'imaging ad elevata velocità permette anche una misura precisa del ceppo fallimento e gli schemi di frattura lungo la superficie.

La tecnica sperimentale presentato nella sezione seguente protocollo fornisce un mezzo per il controllo della temperatura del campione in un esperimento cilindro in espansione, attraverso il quale diversi meccanismi di frattura possono essere attivate o soppressi. Questa tecnica porterà a una comprensione più completa del ruolo della temperatura negli scenari di carico dinamico.

Protocol

1. Obiettivo fabbricazione e assemblaggio

1. Cilindro bersaglio macchina alle dimensioni volute da solido magazzino.
2. Preparare la superficie del cilindro, rimuovendo segni di lavorazione. Una superficie diffusa divisa è preferibile per PDV riflessione. Buoni risultati sono stati ottenuti con una carteggiatura leggera con> 1200 graniglia.
3. Caratterizzano i componenti di destinazione, vale a dire, la misura quanto segue:
   La lunghezza del cilindro, diametro e spessore della parete (in più posizioni)
   Lunghezza proiettile, diametro
   Lunghezza ogiva, diametro
   Messa di tutto quanto sopra
4. Montare l'anello di montaggio del cilindro e il braccio PDV.
5. Montare le sonde PDV nei monti cinematiche e sul braccio PDV.
6. Inserire l'ogiva nel cilindro bersaglio in modo che la parte posteriore della ogiva è a filo con la parte posteriore del cilindro (questo dovrebbe essere fatto in un laboratorio piatto). I tre viti M3 sono progettati per tenere il ogiva in posizione mentre permettendo il cilindro a 'buccia away 'durante l'espansione.
7. Posizionare il cilindro di destinazione nel materiale di montaggio in modo che l'ingresso del cilindro è a filo con la faccia anteriore dell'anello di montaggio. Fissare il cilindro in posizione con 6 grani M4.
8. Installare riscaldamento apparecchi / raffreddamento e termocoppie obbligazioni lungo la lunghezza della parete esterna del cilindro.
9. Pulire il / APC (connettore ghiera, angolato contatto fisico) FC connettori all'estremità delle fibre sonda PDV un panno in microfibra e controllare con un ambito di fibra. Questo è importante per ridurre back-riflessione.
10. Utilizzando una visibile (660 nm) Classe 3R laser approssimativamente allineare le sonde in modo che siano normali al cilindro (cioè, la luce riflessa ricade sulla sonda).
11. Montare un circuito di riflettività di base utilizzando un circolatore. Collegare il nm laser di classe 1 1.550 all'ingresso 1, la sonda PDV di ingresso 2 e un misuratore di potenza di ingresso 3. Allineare le sonde PDV a sua volta in modo che il potere restituito è ingrandita.

2. Gas Gun Preparazione

1. Utilizzando lo spinotto cilindrico e il micrometro di profondità allineare l'anello porta alla fine della canna per minimizzare tilt impatto.
2. Installare il sistema di mitigazione frammento e la protezione della porta.
3. Inserire la spina di allineamento di destinazione nella canna.
4. Installare il gruppo bersaglio e allineare alla spina.
5. Installare la coppia grilletto make sull'estremità della canna e collegare l'hardware e diagnostica temporizzazione. Misurare la distanza dal contatto con il grilletto per impatto del proiettile sul ogiva.
6. Installare gli specchi di svolta per l'alta velocità fotografia.
7. Allineare gli specchi per dare una vista ortogonale del cilindro attraverso i porti di destinazione del serbatoio e bloccare in posizione.
8. Allineare l'alta autovelox e lampade flash all'esterno della vasca di destinazione. Guardando verso il basso la canna, posizionare la fotocamera ad alta velocità e la lampada uno flash 3:00 rispetto al cilindro. Collocare la fotocamera IVV a ore 9 eun'altra lampada flash 00:00. In questa configurazione la macchina fotografica ad alta velocità sarà front-lit per il monitoraggio e la crepa IVV fornirà immagini stagliano per il rilevamento dei bordi.
9. Collegare l'apparecchiatura di raffreddamento / riscaldamento a bersaglio e through alimentazione del vuoto.
10. ATTENZIONE: Con gli occhiali appropriati e altre precauzioni accendere i laser di classe IV, oscilloscopi e sistemi PDV.
11. Controllare i livelli di potenza vengono inviati alle sonde PDV. Con il sistema PDV, tipicamente utilizzare circa 5 mW per ciascuna sonda con 1 mW per canale per il riferimento.
12. Controllare l'allineamento delle sonde PDV con un misuratore di potenza. Una volta soddisfatti con l'allineamento uso carta IR per misurare dove le sonde PDV sono alla ricerca sulla superficie del cilindro.
13. Accendere il laser di riferimento e verificare la qualità dei segnali di battimento fornite da ogni sonda. Regolare la lunghezza d'onda del laser (s) per impostare la frequenza di battimento zero desiderata velocità (impostare questo circa 5 GHz).
14. Una volta soddisfatti con l'obiettivo alignment, posizione grilletto, la macchina fotografica e l'allineamento dello specchio, l'allineamento della sonda PDV e la posizione e la cornice di mitigazione chiudono il serbatoio di destinazione.
15. Togliere il tappo di allineamento; installare il proiettile.
16. Telecamere di installazione e di illuminazione (frame rate, dell'esposizione, tempi) ed eseguire l'imaging di prova. Frame rate tipici sono circa 250.000 fotogrammi / sec per entrambe le fotocamere, con un'esposizione di circa 0,5 msec. La prima immagine è normalmente in concomitanza con il momento dell'impatto.

3. Preparazione cottura

1. Installare le membrane culatta applicabili alla pressione di cottura necessario.
2. Chiudere la culatta e iniziare l'evacuazione dei serbatoi di destinazione. Obiettivo per un livello di vuoto nella regione di 50 mTorr.
3. Eseguire la messa a punto finale di tutte le diagnosi (ritardi dell'oscilloscopio, trigger, le impostazioni della fotocamera, ecc). Impostare oscilloscopi per PDV a 50 msec per divisione, 25 psec per punto e un pretrigger del 20% per dare una finestra di 500 msec. Attiva l'oscilloscopes e telecamere tempo così che lo zero coincide con il tempo di impatto.
4. Test grilletto finale; tempi di controllo sono accurate.
5. Accendere i laser; telecamere braccio.
6. Chiudi stanza; garantendo laser ed alta pressione interblocchi sono nella posizione corretta.
7. Inizia il riscaldamento / raffreddamento come richiesto utilizzando il software LabVIEW.
8. Caricare la pistola alla pressione di cottura desiderato.
9. Quando alla pressione, fare un controllo finale che tutti i sistemi di diagnostica sono armati.
10. Isolare l'apparecchio di riscaldamento o raffreddamento.
11. Countdown "3, 2, 1 FUOCO."
12. Vent i serbatoi di destinazione e la cattura.
13. Salvare tutti i dati oscilloscopio e della fotocamera.

4. colpo articolo

1. Arrestare i laser e attendere per la pistola a pareggiare a completa atmosfera.
2. Aprire il serbatoio di destinazione, raccogliere tutti i frammenti di metallo e risolvere il Ti-6Al-4V.

Analisi 5. I dati

1. Eseguire l'analisi STFT sul os PDVdati cilloscope per ridurre la storia della velocità secondo l'analisi di Ao e Dolan ^12.
2. Processo dati di immagini ad alta velocità con software come indicato nella tabella di attrezzature. Il filmato telecamera ad alta velocità fornirà tempo e deformazione a fallimento e consentire l'analisi di formazione di crepe e di crescita. Le immagini proiettato dallo dell'IVV forniscono un chiaro vantaggio per esaminare il profilo deformazione completo del cilindro.
3. Misurare e pesare frammenti recuperati. Selezionare frammenti con caratteristiche interessanti, come le fratture arrestati e prepararli per la microscopia.
   1. Sezione, montaggio, e lucidare i frammenti; quindi analizzare al microscopio elettronico. Elettroni backscatter diffrazione fornisce informazioni su struttura e microstruttura a fianco di imaging di elettroni secondari per sondare le superfici di frattura e identificare la modalità di guasto.

Results

La qualità dei dati sarà dapprima determinato dai tempi sperimentale. Se i ritardi da innesco a impatto siano corretti allora le lampade flash produrrà abbastanza luce quando il cilindro di destinazione inizia a deformarsi, che consente alle telecamere ad alta velocità per produrre immagini chiare. In questo caso le immagini dalla telecamera inquadratura avranno un bordo staglia chiaro che può essere utilizzato per monitorare la deformazione dell'intero cilindro. Software come ImageJ può essere utilizzato per estrarre l...

Discussion

Questo metodo consente di ricerca di materiali ad elevate velocità di carico a trazione in un ampio intervallo di temperature, da criogeniche a ~ 1000 K, unica per questo disegno. Tuttavia, questo aggiunge alcune sfide al setup sperimentale e l'esecuzione. In primo luogo, per ottimizzare il controllo della temperatura dell'inserto ogiva deve essere lavorato da un materiale adatto. 4340 acciaio è qui utilizzato, anche se qualsiasi alta temperatura ad alta durezza dell'acciaio dovrebbe essere sufficiente. Allo...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.550 nm CW Laser	NKT Photonics	Koheras Adjustik	x 2
Amplificatore di potenza da 1.550 nm	Fotonica NKT	Koheras Boostik HPA
Generatori di ritardo	Compositori quantistici	9500+ Generatore di impulsi di ritardo digitale Versione	a 8 uscite
Stanford Research Systems	DG535 Digitalizzatore
	a 16 canaliAgilent Technologies	U1056B Chassis + 4 x U1063A Digitalizzatore
Oscilloscopi ad alta larghezza di banda	Teledyne LeCroy	WaveMaster 816Zi-A	espansione, Gen 3 PDV
Tektronix	DPO71604C	Velocità del proiettile, Gen 1 PDV
Sistemi di imaging ad alta velocità	Vision Research	Phantom v16.10
Invisible Vision	IVV UHSi-24
Zeiss Optics	Planar T* 1,4/85	85 mm Obiettivo
fissa Nikon	AF-S Nikkor 70-200 mm f/2.8 ED VR II	70-200 mm Teleobiettivo Flash
Lampada	Bowens	Gemini Pro 1500 W	x 2
PDV Sonda	Laser 2000	LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3	x 4 (Ordine personalizzato)
Sistema PDV	Costruito internamente dall'Institute of Shock Fisica	Custom Build	3rd Generazione (upshifted) 8 canali PDV
controllo	National Instruments	LabVIEW 2013
Hardware di controllo per il riscaldamento	National Instruments	NI-DAQ 6009
USB Heating Power Supply	BK Precision	BK1900
Termocoppia Logger	Pico Technology	TC-08
100 mm Pistola a gas leggera a stadio singolo	Physics Applications, Inc. (PAI)	Costruzione personalizzata	In grado di almeno 1.000 m/sec con proiettile da ~2 kg Software di
analisi	delle immagini National Institutes of Health	ImageJ	open source e gratuito
	Mathworks	MATLAB r2014a	Con cassette degli attrezzi per l'elaborazione delle immagini
Sega	per sezionamento dei materialiStruers	Accutom-50
Microscopio elettronico	Zeiss	Auriga
Diffrazione a retrodiffusione elettronica	Bruker	e-Flash 1000
Software EBSD	Bruker	eSprit