Methodenartikel
Fractuur en fragmentatie zijn laatstadiumverschijnselen in dynamische belastingscenario's en worden meestal bestudeerd met behulp van explosieven. We presenteren een techniek voor het aansturen van expansie met behulp van een gaskanon die uniek de controle van zowel de belastingsnelheid als de monstertemperatuur mogelijk maakt.
De dynamische breuk van een lichaam is een late fase fenomeen meestal bestudeerd onder vereenvoudigde voorwaarden, waarin een monster wordt vervormd onder uniforme stress en spanning tarief. Dit kan worden verkregen door gelijkmatig laden van het binnenoppervlak van een cilinder. Door de axiale symmetrie, terwijl de cilinder breidt de wand is geplaatst in een trekkracht hoepelspanning die gelijkmatig rond de omtrek. Hoewel er verschillende technieken om deze expansie te genereren zoals explosieven, elektromagnetische aandrijving, en bestaande gas gun technieken ze allemaal beperkt in het feit dat het monster fles moet op kamertemperatuur. We presenteren een nieuwe methode met behulp van een gas pistool dat experimenten faciliteert op cilinders van 150 K tot 800 K met een consistente, herhaalbare laden. Deze zeer gediagnosticeerd experimenten worden gebruikt om het effect van temperatuur op de breuk mechanismen verantwoordelijk voor falen, en de resulterende invloed op fragmentatie statistische onderzoeken. Het experimentele gebruik van een geometriestaal ogive zich binnen het doel cilinder en het uiteinde ligt ongeveer halverwege in. Een enkele stap licht gas pistool wordt vervolgens gebruikt om een polycarbonaat projectiel in de cilinder lancering op 1.000 m / sec -1. Het projectiel effecten en stroomt rond de stijve ogive, het besturen van de steekproef cilinder van binnenuit. Het gebruik van een vormvaste ogive insert kunnen we temperatuurbeheersing hardware te installeren in de achterzijde van de cilinder. Vloeibare stikstof (LN 2) wordt gebruikt voor het koelen en een resistieve hoge stroom voor verwarming. Meerdere kanalen upshifted photon Doppler velocimetry (PDV) volgen de expansie snelheid langs de cilinder waardoor directe vergelijking met computersimulaties, terwijl High speed beeldvorming wordt gebruikt om de spanning te mislukken meten. De teruggewonnen cylinder fragmenten zijn ook onderworpen aan optische en elektronenmicroscopie het faalmechanisme bepalen.
De dynamische falen van een materiaal is een belangrijk aspect van haar algemene mechanisch gedrag, en heeft belang bij tal van industrieën, waaronder automotive, luchtvaart en leger om een paar te noemen. Terwijl falen bij lage rek-tarieven wordt gewoonlijk onderzocht door middel van conventionele trekproeven, waarbij een lange dunne monster in spanning aan de uiteinden wordt geladen met hoge vervormingssnelheden zodanige geometrie / configuratie vereist een monster zeer klein te zijn teneinde een handhaven pseudo-mechanische evenwicht gedurende de proef. Bij het verschijnen van een enkele spleet, zal het omringende materiaal worden versoepeld, effectief arrestatie van de ontwikkeling van aangrenzende defect sites. Dit beperkt het aantal breuken die tegelijkertijd kunnen worden waargenomen in elk experiment en voorkomt belangrijke informatie over de ploegen falen te bepalen.
De groeiende cilindertest is een gevestigde techniek voor het karakteriseren van de wijze waarop materials mislukken en fragment onder hoge snelheid laden. In de test, wordt een cilinder van het materiaal van belang uniform geplaatst langs de binnenomtrek, lanceert een drukgolf door de muur waardoor de cilinder te breiden. Binnenkort wordt deze radiale golf verdwijnt en een uniforme treksterkte hoepel spanning rond de omtrek domineert. Als de stress en spanning tarief is hetzelfde rond de cilinder de breuk en fragmentatie gedrag wordt uitsluitend beheerst door de eigenschappen van het materiaal. De test vermindert de eerder genoemde probleem als de typisch grote steekproef omtrek bevorderen de start van meerdere falen locaties onder uniforme spanning 1.
Het belangrijkste doel bij het ontwikkelen van deze experimentele techniek was de studie van de rol van de temperatuur in de splijting en fragmentatie gedrag van een expanderende cilinder mogelijk. De controle van de monstertemperatuur zal voor het onderzoek van de wijze waarop de dynamische treksterkte, breuk mechanisme en Fragmentatie gedrag van het materiaal wordt aangetast. Bijvoorbeeld metalen, bij temperatuurverhoging een verschuiving van ductiele naar brosse breuk veroorzaken in totaal meer van plastic voordat uiteindelijk falen. Sommige materialen zoals Ti-6Al-4V kunnen vertonen adiabatische shear lokalisatie 2. Terwijl de sample vervormt, het plastic werk genereert warmte. Als de snelheid van verzachtende als gevolg van deze temperatuurverhoging is dan het werktempo verharding van de vervorming kan een instabiliteit vormen waar een grote hoeveelheid plastische vervorming optreedt in een zeer plaatselijk band (adiabatische shear band). Deze reactie wordt bevorderd Ti-6Al-4V vanwege de slechte warmtegeleiding, en kan mogelijk de effectiviteit beperken voor toepassingen zoals lichtgewicht bepantsering.
Deze nieuwe test aanpak moet voldoen aan twee belangrijke criteria. Ten eerste moet de methode een radiale belasting tarief in de orde van 10 4 sec -1 produceren, meestal gezien in ballistische eninvloed evenementen, om vergelijking met eerdere studies met meer traditionele laden regelingen mogelijk te maken. Ten tweede, het aandrijfmechanisme dient te worden beïnvloed door de temperatuur van het monster om de samenhang tussen experimenten te waarborgen. Initial mechanismen cilinder uitbreiding gebruikt explosieve ladingen, ofwel gewoon het monster cilinder 3-5 vullen rechtstreeks of via een intermediair driver. In het laatste geval wordt een buffer gebruikt 6, waarbij het monster over een stalen cilinder die op zijn beurt bevat een explosieve lading wordt geplaatst. Voor de hand liggende beperking is dat wanneer het monster cylinder bevat de aandrijving materiaal (in de vorm van het explosief) worden verwarming van de cylinder eveneens de lading verwarmen. Hoewel dit misschien niet direct inleiding van de lading veroorzaken vele soorten explosieven bevatten een polymeer bindmiddel materiaal dat uit zal smelten van het monster cilinder. Ook sommige explosieven worden zeer gevoelige bij afkoeling. Dit betekent dat explosieve aandrijvingen niet geschikt voor temperaturen studie. Een alternatiefmethode wordt de Lorentz-kracht voor uitzetting - het monster boven een driver spoel 7, 8 geplaatst een hoge stroom wordt geïnjecteerd in deze driver spoel (gewoonlijk dikwandig koperdraad), het induceren van een tegengestelde stroming in het monster.. Deze tegengestelde stromen geassocieerd magneetvelden die werken tegen elkaar, de magnetische druk besturen van de sample zich vanaf de binnenzijde. Opnieuw verwarmen van het materiaal nadelig beïnvloeden de koperen spoel in het monster. Gas kanonnen zijn gebruikt voor cylinder expansie sinds eind 1970 9. In deze experimenten het voor de insertie in de cilinder materiaal een polymeer, het station komt als gevolg van zowel het projectiel en plaatst vervormen bij impact. Dit inzetstuk is typisch een rubber of kunststof 10, de sterkte en taaiheid van deze gebieden ernstig wordt beïnvloed door de temperatuur. Verwarming zal de insert te zacht te maken, en koeling zal het zich op een brosse manier zodat het niet te vroeg.
Unlike voorgaande technieken cylinder expansie, de hier beschreven werkwijze is als eerste een herhaalbare loading drive over een breed gebied van temperaturen (100-1000 K). De techniek is uniek in het feit dat de voor het aandrijven van de uitbreiding (in ons geval het projectiel) materiaal is gescheiden van de cilinder tot het trefpunt. Bijgevolg wordt beïnvloed door de begintemperatuur van het monster cilinder en verschaft een herhaalbare lading.
De experimentele geometrie bestaat uit een stalen ogive gemonteerd binnen een doel cilinder en het uiteinde ligt ongeveer halverwege de lengte van de cilinder. Een eentraps licht gas pistool wordt vervolgens gebruikt om een polycarbonaat projectiel starten met een concaaf gezicht in de cilinder met snelheden tot 1000 m / sec -1. De as van het doel cilinder wordt zorgvuldig uitgelijnd op de as van de gas-geweerloop een herhaalbare en gelijkmatige belasting vergemakkelijken. De impact en de daaropvolgende stroom van de polycarbonate projectiel rond de pseudo-stijve stalen ogive, drijft de cilinder in uitbreiding van de binnenwand. De geometrie van de ogive insert en het concave vlak van het projectiel zorgvuldig geoptimaliseerd via hydro-code computersimulaties de gewenste expansie van de cilinder genereren. Met 4340 gelegeerd staal voor het ogief maakt experimenten met de cilinder temperatuur zijn sterkte is veel hoger dan het polycarbonaat projectiel het temperatuurbereik van belang zodat het aandrijfmechanisme consistent blijft. Ogives gewonnen uit verwarmde en gekoelde experimenten vertonen slechts minimale vervorming als gevolg van de impact.
De verwarming en afkoeling van het monster cilinder wordt bereikt door het installeren van temperatuurregeling hardware in een bewerkt uitsparing aan de achterzijde van het ogief insert. Voor het koelen van het monster tot cryogene temperaturen (~ 100 K), is de uitsparing in het ogief afgesloten met een aluminium capsule en vloeibare stikstof fgevolgd door de holte. Als het doel cilinder heeft een groot contactoppervlak met de ogive het monster wordt gekoeld door geleiding. Om het doel cilinder temperaturen naderen 1000 K te verwarmen, wordt een keramische en nichrome resistieve verwarming geplaatst in de ogive uitsparing. Een hoge stroom voeding levert tot 1 kW, het verwarmen van de ogive en de cilinder. De cilinder en ogiefvormige thermisch geïsoleerd van het doel monteren in de enkele trap gas-gun door middel van MACOR keramische afstandhouders. De tank wordt tevens gedurende het experiment die thermische behandeling helpt gehouden onder matig vacuüm (<0,5 Torr).
Om het fragmentatieproces van de cilinder diagnosticeren, proefopzet bevat meerdere kanalen frequentie-omzetting PDV, de expansiesnelheid van punten langs de cilinder gemeten. PDV is een relatief nieuw 11 optische vezel gebaseerde interferometrie techniek die het meten van oppervlakte- snelheden maakt tijdens hoogdynamische evenementen. Tijdens PDV meting Doppler verschoven licht gereflecteerd door een bewegend oppervlak plaats met behulp van een vezeloptische sonde wordt gecombineerd met un verschoven licht, waardoor een slagfrequentie die direct evenredig met de snelheid van het bewegend oppervlak. In wezen, een PDV-systeem is een snelle Michelson interferometer met de vooruitgang in de nabij-infrarood (1550 nm) communicatietechnologie op te nemen ritme frequenties in het GHz bereik. Het montagesysteem voor 100 mm brandpuntsafstand PDV probes gebruikt in de huidige studie, zodat ze geïsoleerd zijn van de temperatuur van de cilinder en een gemakkelijke aanpassing. Een bijkomend voordeel van het gebruik van 100 mm brandpuntsafstand probes is dat zij voldoende optische toegang tot ultrasnelle fotografie in staat de uitbreiding profiel van de gehele cilinder gemeten. De opstelling en de plaats van de vier probes, AD, langs de cilinder in figuur 1 twee high speed cameras hier toegepast.; een hoge snelheid videocamera Phantom V16.10 werken op 250.000 bps en een IVV UHSi 12/24 framing camera, het vastleggen van 24 beelden. Het IVV camera wordt verlicht zodanig dat de cilinder verlicht silhouet zodat de radiaal uitbreidende rand van de cilinder nauwkeurig worden bijgehouden. De Phantom camera is front verlicht beeldvorming van de breuk is begonnen en fragmentatie proces. De hoge snelheid fotografie kan dan worden gecorreleerd met de velocimetry om spanning en reksnelheid geven over de volledige monster. De high speed imaging maakt ook een nauwkeurige meting van falen stam en de breuk patronen langs het oppervlak.
De experimentele techniek in onderstaande protocol deel een middel voor het regelen van de monstertemperatuur in een groeiende cilinder experiment, waardoor breuk verschillende mechanismen kunnen worden geactiveerd of onderdrukt. Deze techniek zal leiden tot een beter begrip van de rol van de temperatuur in dynamische belasting scenario's.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Target fabricage en assemblage
2. Gas Gun Voorbereiding
3. Firing Voorbereiding
4. Bericht Shot
5. Data Analysis
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De kwaliteit van de gegevens beginnen bepaald door de experimentele timing. Als de vertraging van de trekker om de impact correct zijn dan de flitslampen zal produceren genoeg licht wanneer het doel cilinder begint te vervormen, waardoor de high speed camera's om duidelijke beelden te produceren. In dit geval is de beelden van de camera framing een duidelijk afgetekend rand die kan worden gebruikt om de vervorming van het gehele kettingspanners hebben. Software zoals ImageJ kunnen worden voor het afzuigen lineout ge...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Deze methode maakt onderzoek materialen bij hoge snelheden van trekbelasting over een groot temperatuurbereik van cryogeen tot ~ 1000 K, uniek voor dit ontwerp. Echter voegt dit bepaalde problemen met de experimentele opstelling en uitvoering. Ten eerste, de temperatuurregeling de ogive inzetstuk moet worden vervaardigd uit een geschikt materiaal te optimaliseren. 4340 staal wordt hier gebruikt, hoewel elke hoge temperatuur hoge hardheid staal moeten volstaan. Ook omdat het hele expansie station is nu afkomstig uit het ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
De auteurs erkennen dankbaar de voortgezette financiering en ondersteuning voor het project van de Atomic Weapons Establishment, AWE Plc. (UK) en Imperial College London.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 1,550 nm CW Laser | NKT Photonics | Koheras Adjustik | x 2 |
| 1,550 nm Power Amplifier | NKT Photonics | Koheras Boostik HPA | |
| Delay Generators | Quantum Composers | 9500+ Digital Delay Pulse Generator | 8 output versie |
| 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 | 85 mm Prime Lens | |
| Nikon | AF-S Nikkor 70-200 mm f/2.8 ED VR II | 70-200 mm Telephoto Lens | |
| Flash Lamp | Bowens | Gemini Pro 1500 W | x 2 |
| PDV Probe | Laser 2000 | LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3 | x 4 (op maat gemaakt) |
| PDV System | Gemaakt in-house door het Institute of Shock Physics | Op maat gemaakt | 3rd Generatie (Upshifted) 8 kanaals draagbaar PDV systeem |
| Control Software | National Instruments | LabVIEW 2013 | |
| Control Hardware voor verwarming | National Instruments | NI-DAQ 6009 USB | |
| Verwarming voeding | BK Precision | BK1900 | |
| Thermokoppel logger | Pico Technology | TC-08 | |
| 100 mm Single Stage Light Gas Gun | Physics Applications, Inc. (PAI) | Op maat gemaakt | Capabel voor ten minste 1.000 m/sec met ~2 kg projectiel |
| Beeldanalyse software | National Institutes of Health | ImageJ | Open source, gratis |
| Beeldanalyse software | Mathworks | MATLAB r2014a | Met beeldverwerkings toolboxes |
| Materiaal snijzaag | Struers | Accutom-50 | |
| Elektronenmicroscoop | Zeiss | Auriga | |
| Elektronen Backscatter Diffractie | Bruker | e-Flash 1000 | |
| EBSD software | Bruker | eSprit |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen