Name: Metoda badania zależności dynamicznego pękania i fragmentacji od temperatury (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 12 s
Description: Poznaj metodę badania dynamicznego pękania materiałów przy wysokich prędkościach odkształcenia i zmiennych temperaturach. Wykorzystuje się w niej działko gazowe z rozszerzającym się cylindrem oraz laserową diagnostykę prędkości.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują za nieustające finansowanie i wsparcie dla projektu ze strony Atomic Weapons Establishment, AWE Plc. (UK) i Imperial College London.

1. Docelowa produkcja i montaż
<ol>
	<li>Obrabiaj cylinder docelowy do żądanych wymiarów z litego materiału.</li>
	<li>Przygotuj powierzchnię cylindra, usuwając ślady obróbki. W przypadku odbicia PDV preferowana jest jednolita powierzchnia dyfuzyjna. Dobre wyniki uzyskano przy lekkim szlifowaniu na mokro papierem o ziarnistości >1 200.</li>
	<li>Scharakteryzować składniki docelowe, tj. zmierzyć następujące elementy: 
	Długość, średnica i grubość ścianki cylindra (w wielu miejscach) 
	Długość pocisku, średnica 
	Długość ołowiu, średnica 
	Masa wszystkich powyższych</li>
	<li>Zamontuj pierścień mocujący butli i ramię PDV.</li>
	<li>Zamontuj sondy PDV w mocowaniach kinematycznych i na ramieniu PDV.</li>
	<li>Włóż ostrokąt do cylindra docelowego tak, aby tył zęba był zlicowany z tyłem cylindra (należy to zrobić na płaskim warsztacie). Trzy M3 są zaprojektowane tak, aby utrzymać ogiwę na miejscu, jednocześnie umożliwiając "odklejenie" cylindra podczas rozszerzania.</li>
	<li>Umieść cylinder docelowy w elementach montażowych tak, aby wejście cylindra było zlicowane z powierzchnią prowadzącą pierścienia montażowego. Zabezpiecz cylinder na miejscu za pomocą 6 wkrętów dociskowych M4.</li>
	<li>Zainstalować urządzenie grzewcze/chłodzące i połączyć termopary wzdłuż zewnętrznej ścianki cylindra.</li>
	<li>Wyczyść złącza FC/APC (złącze tulejkowe, kątowy styk fizyczny) na końcu włókien sondy PDV ściereczką do czyszczenia włókien i sprawdź za pomocą światłowodu. Jest to ważne, aby zmniejszyć odbicie wsteczne.</li>
	<li>Za pomocą widzialnego (660 nm) lasera klasy 3R z grubsza ustaw sondy tak, aby były normalne do cylindra (tj. odbite światło padało z powrotem na sondę).</li>
	<li>Zamontuj podstawowy obwód odbicia za pomocą pompy cyrkulacyjnej. Podłącz laser klasy 1 1,550 nm do wejścia 1, sondę PDV do wejścia 2 i miernik mocy do wejścia 3. Ustaw kolejno sondy PDV tak, aby zwrócona moc była zmaksymalizowana.</li>
</ol>
2. Przygotowanie pistoletu gazowego
<ol>
	<li>Za pomocą zatyczki lufy i mikrometru głębokości wyrównaj pierścień celu z końcem lufy, aby zminimalizować przechylenie uderzenia.</li>
	<li>Zamontuj system ograniczania odłamków i zabezpieczenie drzwi.</li>
	<li>Umieść zatyczkę wyrównującą cel w lufie.</li>
	<li>Zainstaluj zespół docelowy i wyrównaj z wtyczką.</li>
	<li>Zamontuj parę spustu na końcu lufy i podłącz do osprzętu do pomiaru czasu i diagnostyki. Zmierz odległość od kontaktu ze spustem do uderzenia pocisku w ostrołuk.</li>
	<li>Zamontuj lusterka obrotowe, aby fotografować z dużą prędkością.</li>
	<li>Ustaw lusterka tak, aby zapewnić ortogonalny widok cylindra przez docelowe otwory zbiornika i zablokuj się na miejscu.</li>
	<li>Ustaw szybkie kamery i lampy błyskowe lampy błyskowe na zewnątrz zbiornika docelowego. Patrząc w dół lufy, umieść szybkoobrotową kamerę i jedną lampę błyskową na godzinie 3 względem cylindra. Umieść kamerę IVV na godzinie 9, a kolejną lampę błyskową lamp na godzinie 12. W tej konfiguracji szybka kamera będzie oświetlona z przodu w celu śledzenia pęknięć, a IVV będzie dostarczać obrazy sylwetkowe do wykrywania krawędzi.</li>
	<li>Podłącz urządzenia grzewcze/chłodzące do przepustów docelowych i próżniowych.</li>
	<li>UWAGA: Przy odpowiednich okularach i innych środkach ostrożności włącz lasery, oscyloskopy i systemy PDV klasy IV.</li>
	<li>Sprawdź poziomy mocy wysyłane do sond PDV. W przypadku systemu PDV zwykle używa się około 5 mW na każdą sondę, z 1 mW na kanał jako odniesienie.</li>
	<li>Sprawdź wyrównanie sond PDV z miernikiem mocy. Po uzyskaniu zadowolenia z wyrównania użyj karty IR, aby zmierzyć, gdzie sondy PDV patrzą na powierzchni cylindra.</li>
	<li>Włącz laser referencyjny i sprawdź jakość sygnałów dudnienia podawanych przez każdą sondę. Dostosuj długość fali lasera (laserów), aby ustawić żądaną częstotliwość uderzeń o zerową prędkość (ustaw ją na około 5 GHz).</li>
	<li>Po uzyskaniu zadowolenia z wyrównania celu, lokalizacja spustu, wyrównanie kamery i lustra, wyrównanie i lokalizacja sondy PDV oraz ramka ograniczająca ryzyko zamykają zbiornik docelowy.</li>
	<li>Wyjmij zatyczkę wyrównującą; zainstaluj pocisk.</li>
	<li>Skonfiguruj kamery i oświetlenie (liczba klatek na sekundę, ekspozycja, czas) i wykonaj obrazowanie testowe. Typowa liczba klatek na sekundę wynosi około 250 000 klatek/s dla obu aparatów, przy ekspozycji około 0,5 μs. Pierwszy obraz jest zwykle wyświetlany w czasie tak, aby zbiegł się w czasie z momentem uderzenia.</li>
</ol>
3. Przygotowanie do wypalania
<ol>
	<li>Zamontować membrany zamka, które mają zastosowanie do wymaganego ciśnienia zapłonu.</li>
	<li>Zamknij zamek i rozpocznij ewakuację docelowych czołgów. Celuj w poziom próżni w okolicach 50 mTorr.</li>
	<li>Wykonaj ostateczną konfigurację całej diagnostyki (opóźnienia oscyloskopu, wyzwalacze, ustawienia kamery itp.). Ustaw oscyloskopy dla PDV na 50 μs na działkę, 25 psec na punkt i wyzwalanie wstępne 20%, aby uzyskać okno 500 μs. Uruchom oscyloskopy i kamery tak, aby czas zerowy pokrywał się z czasem uderzenia.</li>
	<li>Końcowy test spustu; sprawdź, czy czasy są dokładne.</li>
	<li>Włącz lasery, uzbrój kamery.</li>
	<li>Zamknij pomieszczenie, upewniając się, że blokady laserowe i wysokociśnieniowe znajdują się we właściwej pozycji.</li>
	<li>Rozpocznij ogrzewanie / chłodzenie zgodnie z wymaganiami za pomocą oprogramowania LabVIEW.</li>
	<li>Naładować pistolet do wymaganego ciśnienia strzału.</li>
	<li>W przypadku ciśnienia należy przeprowadzić ostateczną kontrolę, czy wszystkie systemy diagnostyczne są uzbrojone.</li>
	<li>Odizolować urządzenie grzewcze lub chłodzące.</li>
	<li>Odliczanie "3, 2, 1 POŻAR".</li>
	<li>Odwietrz cel i przejmij zbiorniki.</li>
	<li>Zapisz wszystkie dane oscyloskopu i kamery.</li>
</ol>
4. Zdjęcie po
<ol>
	<li>Wyłącz lasery i poczekaj, aż pistolet całkowicie wyrówna się w atmosferze.</li>
	<li>Otwórz czołg docelowy, zbierz wszystkie odłamki metalu i posortuj Ti-6Al-4V.</li>
</ol>
5. Analiza danych
<ol>
	<li>Wykonaj analizę STFT na danych oscyloskopu PDV, aby skrócić historię prędkości zgodnie z analizą Ao i Dolan 12.</li>
	<li>Przetwarzaj dane obrazowania z dużą szybkością za pomocą oprogramowania, takiego jak wymienione w tabeli wyposażenia. Nagrania z kamer o dużej prędkości zapewnią czas i naprężenie w momencie awarii oraz umożliwią analizę powstawania i wzrostu pęknięć. Zdjęcia sylwetkowe z IVV zapewniają wyraźną krawędź do zbadania pełnego profilu deformacji cylindra.</li>
	<li>Zmierz i zważ odzyskane fragmenty. Wybierz fragmenty z interesującymi cechami, takimi jak zatrzymane złamania i przygotuj je do mikroskopii.
	<ol>
		<li>Pokrój, zamontuj i wypoleruj fragmenty, a następnie przeanalizuj je pod mikroskopem elektronowym. Dyfrakcja elektronów rozpraszania wstecznego dostarcza informacji o teksturze i mikrostrukturze wraz z wtórnym obrazowaniem elektronów w celu zbadania powierzchni pęknięcia i zidentyfikowania trybu uszkodzenia.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Jones, D. R., Chapman, D. J., Eakins, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+gas+gun+based+technique+for+studying+the+role+of+temperature+in+dynamic+fracture+and+fragmentation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">A gas gun based technique for studying the role of temperature in dynamic fracture and fragmentation.</a> J. Appl. Phys. 114, 173508(2013).</li>
<li>Liao, S. C., Duffy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adiabatic+shear+bands+in+a+Ti-6Al-4V+titanium+alloy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mech.+Phys.+Solids%22%5BJournal%5D)">Adiabatic shear bands in a Ti-6Al-4V titanium alloy.</a> J. Mech. Phys. Solids. 46 (11), 2201-2231 (1998).</li>
<li>Mott, N. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fragmentation+of+shell+cases%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+R.+Soc.+Lond.+A%22%5BJournal%5D)">Fragmentation of shell cases.</a> Proc. R. Soc. Lond. A. 189 (1018), 300-308 (1947).</li>
<li>Hoggatt, C. R., Recht, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fracture+behavior+of+tubular+bombs%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Fracture behavior of tubular bombs.</a> J. Appl. Phys. 39 (3), 1856-1862 (1968).</li>
<li>Banks, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+fragmentation+behavior+of+thin-walled+metal+cylinders%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">The fragmentation behavior of thin-walled metal cylinders.</a> J. Appl. Phys. 40 (1), 437-438 (1969).</li>
<li>Warnes, R. H., Duffey, T. A., Karpp, R. R., Carden, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+technique+for+determining+dynamic+metal+properties+using+the+expanding+ring%5BTitle%5D)+AND+%22Los+Alamos+Scientific+Laboratory+Report%22%5BJournal%5D)">Improved technique for determining dynamic metal properties using the expanding ring.</a> Los Alamos Scientific Laboratory Report. , (1980).</li>
<li>Niordson, F. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+unit+for+testing+materials+at+high+strain+rates%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Mech%22%5BJournal%5D)">A unit for testing materials at high strain rates.</a> Exp. Mech. 5 (1), 29-32 (1965).</li>
<li>Grady, D. E., Benson, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fragmentation+of+metal+rings+by+electromagnetic+loading%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Mech%22%5BJournal%5D)">Fragmentation of metal rings by electromagnetic loading.</a> Exp. Mech. 23 (4), 393-400 (1983).</li>
<li>Winter, R. E., Prestidge, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+technique+for+the+measurement+of+the+high+strain+rate+ductility+of+metals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mat.+Sci%22%5BJournal%5D)">A technique for the measurement of the high strain rate ductility of metals.</a> J. Mat. Sci. 13 (8), 1835-1837 (1978).</li>
<li>Vogler, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fragmentation+of+materials+in+expanding+tube+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Imp.+Eng%22%5BJournal%5D)">Fragmentation of materials in expanding tube experiments.</a> Int. J. Imp. Eng. 29, 735-746 (2003).</li>
<li>Strand, O. T., Goosman, D. R., Martinez, C., Whitworth, T. L., Kuhlow, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compact+system+for+high-speed+velocimetry+using+heterodyne+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Inst%22%5BJournal%5D)">Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques.</a> Rev. Sci. Inst. 77, 083108(2006).</li>
<li>Ao, T., Dolan, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SIRHEN%3A+A+data+reduction+program+for+photonic+Doppler+velocimetry+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Sandia+National+Laboratories+Report%22%5BJournal%5D)">SIRHEN: A data reduction program for photonic Doppler velocimetry measurements.</a> Sandia National Laboratories Report. , (2010).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Metoda ta umożliwia badanie materiałów przy wysokich prędkościach rozciągania w szerokim zakresie temperatur, od kriogenicznych do ~1,000 K, unikalnych dla tej konstrukcji. Wiąże się to jednak z pewnymi wyzwaniami związanymi z konfiguracją i wykonywaniem eksperymentu. Po pierwsze, aby zoptymalizować kontrolę temperatury, wkładka ostroziarnista musi być obrabiana z odpowiedniego materiału. Używana jest tutaj stal 4340, chociaż każda stal wysokotemperaturowa o wysokiej twardości powinna wystarczyć. Podobnie, ponieważ cały ...

Dynamiczne uszkodzenie materiału jest ważnym aspektem jego ogólnego zachowania mechanicznego i ma znaczenie dla wielu branż, w tym motoryzacyjnej, lotniczej i wojskowej, by wymienić tylko kilka. Podczas gdy zniszczenie przy niskich szybkościach odkształcania jest zwykle badane za pomocą konwencjonalnych prób rozciągania, w których długa cienka próbka jest obciążana napięciem od końców, przy wysokich prędkościach odkształcania taka geometria/konfiguracja wymaga, aby próbka była bardzo mała, aby utrzymać równowagę pseudomechaniczną przez cały czas trwania testu. Na pojawienie się pojedynczego pęknięcia otaczający materiał zostanie rozluźniony, skutecznie zatrzymując rozwój wszelkich sąsiednich miejsc awarii. Ogranicza to liczbę złamań, które można jednocześnie zaobserwować w jednym eksperymencie, i uniemożliwia ustalenie ważnych informacji dotyczących statystyk uszkodzeń.
Test rozszerzającego się cylindra to sprawdzona technika do charakteryzowania sposobu, w jaki materiały ulegają uszkodzeniu i fragmentacji pod wpływem obciążenia z dużą prędkością. W teście cylinder wykonany z materiału będącego przedmiotem zainteresowania jest równomiernie obciążany wzdłuż swojego wewnętrznego obwodu, wystrzeliwując falę naprężeń przez ścianę i powodując rozszerzanie się cylindra. Wkrótce ta fala radialna rozprasza się i dominuje równomierne naprężenie obwodowe rozciągające na obwodzie. Ponieważ naprężenia i szybkość odkształcania są takie same wokół cylindra, pękanie i fragmentowanie zależy wyłącznie od właściwości materiału. Test łagodzi wyżej wymieniony problem, ponieważ zazwyczaj duże obwody próbki sprzyjają inicjacji wielu miejsc uszkodzenia przy jednolitym naprężeniu 1.
Głównym celem w rozwoju tej eksperymentalnej techniki było umożliwienie badania roli temperatury w zachowaniu pękania i fragmentacji rozszerzającego się cylindra. Kontrola temperatury próbki pozwoli na zbadanie, w jaki sposób wpływa to na dynamiczną wytrzymałość na rozciąganie, mechanizm pękania i rozdrobnienie materiału. Na przykład w przypadku metali wzrost temperatury może spowodować przejście od kruchości do plastycznego pękania, co pozwala na wykonanie większej ilości prac plastycznych, zanim ostatecznie ulegnie awarii. Niektóre materiały, takie jak Ti-6Al-4V, mogą również wykazywać adiabatyczną lokalizację ścinania 2. Podczas gdy próbka odkształca się, plastikowa konstrukcja wytwarza ciepło. Jeśli szybkość mięknienia w wyniku tego wzrostu temperatury jest większa niż szybkość utwardzania przez zgniot w wyniku odkształcenia, niestabilność może powstać, gdy duża ilość odkształcenia plastycznego występuje w bardzo zlokalizowanym paśmie (adiabatyczny pasmo ścinania). Reakcja ta jest promowana w Ti-6Al-4V ze względu na jego słabą przewodność cieplną i może potencjalnie ograniczyć jego skuteczność w zastosowaniach takich jak lekki pancerz.
To nowe podejście do testowania musi spełniać dwa główne kryteria. Po pierwsze, metoda musi wytworzyć prędkość odkształcenia promieniowego rzędu 104 sek-1, zwykle obserwowaną w zdarzeniach balistycznych i uderzeniowych, aby umożliwić porównanie z wcześniejszymi badaniami wykorzystującymi bardziej tradycyjne schematy obciążenia. Po drugie, temperatura próbki nie ma wpływu na mechanizm napędowy, aby zapewnić spójność między eksperymentami. Początkowe mechanizmy rozprężania cylindra wykorzystywały ładunki wybuchowe, po prostu napełniając cylinder 3-5 próbki bezpośrednio lub używając pośredniego sterownika. W tym drugim przypadku stosuje się bufor 6, w którym próbkę umieszcza się nad stalowym cylindrem, który z kolei zawiera ładunek wybuchowy. Oczywistym ograniczeniem jest to, że ponieważ cylinder z próbką zawiera materiał napędowy (w postaci materiału wybuchowego), podgrzanie cylindra spowoduje również podgrzanie ładunku. Chociaż może to nie spowodować bezpośrednio zainicjowania ładunku, wiele rodzajów materiałów wybuchowych zawiera polimerowy materiał wiążący, który stopi się z cylindra z próbką. Podobnie, niektóre materiały wybuchowe stają się bardzo wrażliwe po schłodzeniu. Oznacza to, że napędy wybuchowe nie nadają się do badania temperatury. Alternatywna metoda wykorzystuje siłę Lorentza do rozszerzania - próbkę umieszcza się na cewce sterującej 7, 8. Do tej cewki sterującej (zwykle drutu miedzianego o dużej grubości) wtryskiwany jest wysoki prąd, indukując przeciwny prąd w próbce. Te przeciwstawne prądy mają powiązane pola magnetyczne, które działają przeciwko sobie, a ciśnienie magnetyczne wypycha próbkę na zewnątrz od wewnętrznej powierzchni. Ponownie, podgrzanie materiału niekorzystnie wpłynie na miedzianą cewkę napędową wewnątrz próbki. Pistolety gazowe są używane do rozprężania butli od końca lat 1970. 9. W tych eksperymentach materiałem użytym do wykonania wkładki w cylindrze jest polimer, którego napęd powstaje w wyniku odkształcenia zarówno pocisku, jak i wkładki przy uderzeniu. Ta wkładka jest zazwyczaj gumowa lub plastikowa 10, której wytrzymałość i ciągliwość będzie poważnie zależała od temperatury. Podgrzanie sprawi, że wkładka będzie zbyt miękka, a chłodzenie sprawi, że będzie zachowywała się krucho, więc przedwcześnie ulegnie awarii.
W przeciwieństwie do poprzednich technik rozprężania cylindrów, opisana tutaj metoda jest pierwszą, która zapewnia powtarzalny napęd obciążenia w szerokim zakresie temperatur (100-1,000 K). Wyjątkowość naszej techniki polega na tym, że materiał użyty do napędzania rozprężania (w naszym przypadku pocisku) jest oddzielony od cylindra aż do momentu uderzenia. W związku z tym nie ma na nią wpływu początkowa temperatura cylindra z próbką i zapewnia powtarzalne obciążenie.
Geometria eksperymentalna składa się ze stalowego ostrołuku zamontowanego wewnątrz cylindra docelowego, którego końcówka znajduje się mniej więcej w połowie długości cylindra. Jednostopniowy lekki pistolet gazowy jest następnie używany do wystrzeliwania poliwęglanowego pocisku z wklęsłą powierzchnią czołową do cylindra z prędkością do 1000 m/s-1. Oś celu, w której cylinder jest starannie wyrównany z osią lufy pistoletu gazowego, aby ułatwić powtarzalne i równomierne ładowanie. Uderzenie i następujący po nim przepływ pocisku z poliwęglanu wokół pseudosztywnej stalowej ostrołuku powoduje rozszerzanie się cylindra od wewnętrznej ściany. Geometria płytki ostrołukowej i wklęsła powierzchnia pocisku zostały starannie zoptymalizowane przy użyciu symulacji komputerowych hydro-code, aby wygenerować pożądane rozszerzenie cylindra. Użycie stali stopowej 4340 do produkcji cylindra umożliwia eksperymentowanie z cylindrem w temperaturze, ponieważ jego wytrzymałość jest znacznie wyższa niż pocisku poliwęglanowego w interesującym nas zakresie temperatur, zapewniając, że mechanizm napędowy pozostaje spójny. Ogły odzyskane z podgrzanych i schłodzonych eksperymentów wykazują jedynie minimalne odkształcenia w wyniku uderzenia.
Ogrzewanie i chłodzenie cylindra próbki odbywa się poprzez instalację sprzętu do kontroli temperatury w obrobionym wgłębieniu w tylnej części wkładki zewnętrznej. W celu schłodzenia próbki do temperatur kriogenicznych (~100 K), wgłębienie w oliwie jest uszczelniane aluminiową nasadką, a przez wnękę przepływa ciekły azot. Ponieważ cylinder docelowy ma dużą powierzchnię styku z otworem gębowym, próbka jest chłodzona przez przewodzenie. Aby podgrzać cylinder docelowy do temperatur zbliżających się do 1 000 K, w wgłębieniu ostro umieszczonym jest grzałka rezystancyjna ceramiczna i NiChrome. Zasilacz wysokoprądowy zapewnia do 1 kW, ogrzewając ogę i cylinder. Butla i ogia są izolowane termicznie od mocowania celu w jednostopniowym pistolecie gazowym poprzez zastosowanie ceramicznych przekładek MACOR. Podczas eksperymentu zbiornik jest również utrzymywany w warunkach umiarkowanej próżni (<0,5 Torra), co pomaga w manipulacji termicznej.
Aby zdiagnozować proces fragmentacji cylindra, eksperymentalny projekt obejmuje wiele kanałów konwersji częstotliwości PDV, aby zmierzyć prędkość rozszerzania się w punktach wzdłuż cylindra. PDV to stosunkowo nowa technika interferometrii opartej na światłowodach, która umożliwia pomiar prędkości powierzchniowych podczas wysoce dynamicznych zdarzeń. Podczas pomiaru PDV światło przesunięte dopplerowsko odbite od poruszającej się powierzchni będącej przedmiotem zainteresowania za pomocą sondy światłowodowej jest łączone ze światłem nieprzesuniętym, tworząc częstotliwość uderzeń, która jest wprost proporcjonalna do prędkości poruszającej się powierzchni. Zasadniczo system PDV to szybki interferometr Michelsona wykorzystujący postępy w technologii komunikacji w bliskiej podczerwieni (1550 nm) do rejestrowania częstotliwości dudnień w zakresie GHz. System mocowania sond PDV o ogniskowej 100 mm zastosowanych w obecnym badaniu zapewnia ich izolację od temperatury cylindra i zapewnia łatwe ustawienie. Dodatkową zaletą stosowania sond o ogniskowej 100 mm jest to, że zapewniają one wystarczający dostęp optyczny, aby umożliwić fotografowanie z dużą prędkością w celu zmierzenia profilu rozszerzalności całego cylindra. Układ i położenie czterech sond, A-D, wzdłuż cylindra pokazano na rysunku 1. Zastosowano tu dwie kamery szybkoobrotowe; szybka kamera wideo Phantom V16.10 działająca z prędkością 250 000 kl./s oraz kamera kadrująca IVV UHSi 12/24, rejestrująca 24 obrazy. Kamera IVV jest podświetlana w taki sposób, że cylinder jest oświetlony w sylwetce, co umożliwia dokładne śledzenie promieniście rozszerzającej się krawędzi cylindra. Kamera Phantom jest podświetlana z przodu, obrazując proces inicjacji i fragmentacji awarii. Fotografia z dużą prędkością może być następnie skorelowana z prędkościomierzem, aby uzyskać odkształcenie i szybkość odkształcenia wzdłuż całej próbki. Obrazowanie z dużą prędkością pozwala również na dokładny pomiar odkształcenia powodującego uszkodzenie i wzorów pęknięć wzdłuż powierzchni.
Technika eksperymentalna przedstawiona w poniższej sekcji protokołu umożliwia kontrolowanie temperatury próbki w eksperymencie z rozszerzającym się cylindrem, dzięki czemu różne mechanizmy pękania mogą być aktywowane lub tłumione. Technika ta doprowadzi do bardziej wszechstronnego zrozumienia roli temperatury w scenariuszach obciążenia dynamicznego.

<table><tbody><tr><td>1,550 nm CW Laser</td><td>NKT Photonics</td><td>Koheras Adjustik</td><td>x 2</td></tr><tr><td>Wzmacniacz mocy 1,550 nm</td><td>NKT Photonics</td><td>Koheras Boostik HPA</td><td></td></tr><tr><td>Generatory opóźnienia</td><td>Quantum Composers</td><td>9500+ Cyfrowy generator impulsów opóźniających</td><td>8 wersja wyjściowa</td></tr><tr><td>Stanford Research Systems</td><td>DG535 Cyfrowy generator</td><td></td><td></td>opóźnienia</tr><tr><td>16-kanałowy digitizer</td><td>Obudowa Agilent Technologies</td><td>U1056B + 4 x U1063A Oscyloskopy</td><td></td></tr><tr><td>cyfrowe o dużej przepustowości</td><td>Teledyne LeCroy</td><td>WaveMaster 816Zi-A</td><td>Prędkość ekspansji, Gen 3 PDV</td></tr><tr><td>Tektronix</td><td>DPO71604C</td><td>Prędkość pocisku, szybkie systemy obrazowania Gen 1 PDV</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Vision Research</td><td>Phantom v16.10</td><td></td></tr><tr><td>Invisible Vision</td><td>IVV UHSi-24</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zeiss Optics</td><td>Planar T* 1,4/85</td><td>85 mm Obiektyw</td><td></td>stałoogniskowy</tr><tr><td>Nikon</td><td>AF-S Nikkor 70-200 mm f/2.8 ED VR II</td><td>70-200 mm Teleobiektyw</td><td></td></tr><tr><td>Lampa błyskowa</td><td>Bowens</td><td>Gemini Pro 1500 W</td><td>x 2</td></tr><tr><td>PDV Sonda</td><td>laserowa 2000</td><td>LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3</td><td>x 4 (na zamówienie)</td></tr><tr><td>System PDV</td><td>Zbudowany przez Institute of Shock Physics</td><td>Custom Build</td><td>3rd Generation (z przesunięciem w górę) 8-kanałowe przenośne oprogramowanie sterujące systemem PDV</td></tr><tr><td></td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2013</td><td></td></tr><tr><td>Sprzęt sterujący do ogrzewania</td><td>National Instruments</td><td>NI-DAQ 6009 Zasilacz grzewczy USB</td><td></td></tr><tr><td></td><td>BK Precision</td><td>BK1900</td><td></td></tr><tr><td>Rejestrator termopary</td><td>Pico Technology</td><td>TC-08</td><td></td></tr><tr><td>100 mm Jednostopniowy lekki pistolet gazowy</td><td>Physics Applications, Inc. (PAI)</td><td>Niestandardowa konstrukcja</td><td>Zdolny do co najmniej 1,000 m/s z pociskiem ~2 kg</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do analizy obrazu</td><td>National Institutes of Health</td><td>ImageJ Open-source</td><td>, bezpłatne</td></tr><tr><td>oprogramowanie do analizy obrazu</td><td>Mathworks</td><td>MATLAB r2014a</td><td>Z zestawami narzędzi do przetwarzania obrazu</td></tr><tr><td>Piła</td> <td>do cięcia materiałówMikroskop elektronowy Struers</td><td>Accutom-50</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Zeiss</td><td>Auriga</td><td></td></tr><tr><td>Elektron Dyfrakcja wstecznie rozpraszana</td> Oprogramowanie <td>Bruker</td><td>e-Flash 1000</td><td></td></tr><tr><td>EBSD</td><td>Bruker</td><td>eSprit</td><td></td></tr></tbody></table>

metoda badania zależności dynamicznego pękania i fragmentacji od temperatury

A Method for Studying the Temperature Dependence of Dynamic Fracture and Fragmentation

Dynamiczne pękanie ciała jest zjawiskiem w późnym stadium, zazwyczaj badanym w uproszczonych warunkach, w których próbka jest deformowana pod wpływem równomiernego naprężenia i szybkości odkształcania. Można to osiągnąć poprzez równomierne obciążenie wewnętrznej powierzchni cylindra. Ze względu na symetrię osiową, gdy cylinder rozszerza się, ścianka jest umieszczana w naprężeniu rozciągającym obwodowym, które jest równomierne na całym obwodzie. Chociaż istnieją różne techniki generowania tej ekspansji, takie jak materiały wybuchowe, napęd elektromagnetyczny i istniejące techniki pistoletów gazowych, wszystkie są ograniczone tym, że butla z próbką musi mieć temperaturę pokojową. Przedstawiamy nową metodę wykorzystującą pistolet gazowy, która ułatwia eksperymenty na butlach o temperaturze od 150 K do 800 K przy stałym, powtarzalnym obciążeniu. Te wysoce zdiagnozowane eksperymenty są wykorzystywane do zbadania wpływu temperatury na mechanizmy pękania odpowiedzialne za awarie i wynikający z tego wpływ na statystyki fragmentacji. Geometria eksperymentalna wykorzystuje stalowy ostrołuk umieszczony wewnątrz cylindra docelowego, z końcówką umieszczoną mniej więcej w połowie. Jednostopniowy lekki pistolet gazowy jest następnie używany do wystrzeliwania pocisku poliwęglanowego do cylindra z prędkością 1000 m/s-1. Pocisk uderza i przepływa wokół sztywnego ostrołuku, napędzając cylinder z próbką od wewnątrz. Zastosowanie nieodkształcającej się wkładki z ogrodu pozwala nam na zamontowanie osprzętu do kontroli temperatury wewnątrz tylnej części cylindra. Ciekły azot (LN2) służy do chłodzenia, a rezystancyjne obciążenie wysokoprądowe do ogrzewania. Wiele kanałów szybkości dopplerowskiej fotonów (PDV) z przesunięciem w górę śledzi prędkość rozprężania wzdłuż cylindra, umożliwiając bezpośrednie porównanie z symulacjami komputerowymi, podczas gdy obrazowanie z dużą prędkością służy do pomiaru odkształcenia do uszkodzenia. Odzyskane fragmenty cylindrów są również poddawane mikroskopii optycznej i elektronowej w celu ustalenia mechanizmu uszkodzenia.

Jakość danych będzie zależeć przede wszystkim od czasu trwania eksperymentu. Jeśli opóźnienia od wyzwalacza do uderzenia będą prawidłowe, lampy błyskowe wygenerują wystarczającą ilość światła w momencie, gdy cylinder celu zacznie ulegać odkształceniu, co umożliwi kamerom wysokich prędkości uzyskanie wyraźnych obrazów. W takim przypadku obrazy z kamery ramowej będą posiadały wyraźną krawędź sylwetki, która może posłużyć do śledzenia odkształcenia całego cylindra. Do wyodrębniania danych profilowych dla każdej klatki można...

Pękanie i fragmentacja są zjawiskami późnego stadium w scenariuszach dynamicznego ładowania i są zazwyczaj badane przy użyciu materiałów wybuchowych. Przedstawiamy technikę napędzania rozprężania za pomocą pistoletu gazowego, która w unikalny sposób umożliwia kontrolę zarówno szybkości ładowania, jak i temperatury próbki.

Metoda badania zależności dynamicznego pękania i fragmentacji od temperatury

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform ...

Celem następnego eksperymentu jest opracowanie metody badania dynamicznego pękania i fragmentacji materiału poddanego rozciąganiu przy wysokiej prędkości odkształcenia w zakresie różnych początkowych temperatur próbek. Jest to realizowane przy użyciu geometrii rozprężanego cylindra napędzanego działem gazowym, gdzie próbka ma postać pustego cylindra zawierającego wewnątrz stalowy wkład w kształcie litery O, który pełni funkcję urządzenia do kontroli temperatury. W drugim kroku cylinder docelowy jest montowany równolegle do końca lufy działa gazowego, a następnie instalowane są diagnostyki symetrii oparte na laserze w celu pomiaru prędkości rozprężania w kilku punktach wzdłuż cylindra, natomiast obrazowanie wysokiej prędkości służy do śledzenia inicjacji i wzrostu pęknięć.Następnie cylinder zostaje doprowadzony do pożądanej temperatury, a pocisk z poliwęglanu zostaje wystrzelony w stronę celu. Powstałe w wyniku uderzenia oddziaływanie między pociskiem a wkładką OJ powoduje wypływ poliwęglanu na zewnątrz, co wymusza jednorodne rozszerzenie radialne cylindra, tworząc stan naprężeń rozciągających w kierunku obwodowym. Symetria vela oraz obrazowanie wysokiej prędkości mogą być następnie

a-method-for-studying-temperature-dependence-dynamic-fracture

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Metoda badania zależności temperaturowej dynamicznego pękania i fragmentacji

Prezentujemy eksperymenty, w których prawdziwe paliwo jądrowe, obudowy i materiały zabezpieczające są podgrzewane laserowo do temperatur powyżej 3 000 K, podczas gdy ich zachowanie jest badane za pomocą spektroskopii radiancji i analizy termicznej. Eksperymenty te symulują, w skali laboratoryjnej, powstawanie fazy lawy po stopieniu rdzenia reaktora jądrowego.

Laserowa spektrometria nagrzewania i promieniowania do badania materiałów jądrowych w warunkach symulujących awarię elektrowni jądrowej

W tym protokole, naprężenia powierzchni kości udowej są szacowane podczas testów złamań przy użyciu techniki cyfrowej korelacji obrazu. Nowatorstwo metody polega na zastosowaniu stochastycznego wzoru plamek o wysokim kontraście na powierzchni kości udowej, starannie dobranym oświetleniu, szybkim przechwytywaniu wideo i cyfrowej analizie korelacji obrazu do obliczeń odkształceń.

Metoda szacowania naprężeń kory kości udowej zwłok podczas badania złamań z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

Tutaj prezentujemy szczegółowy protokół nowego podejścia do przeprowadzania podwyższonej temperatury, odwrotnego normalnego uderzenia płyty, oraz połączonego uderzenia płyty ciśnieniowej i ścinającej. Podejście to polega na zastosowaniu grzałki cewki rezystancyjnej po stronie zamka w celu podgrzania próbki trzymanej na początku żaroodpornego sabotu do żądanej temperatury.

Przeprowadzanie eksperymentów z uderzeniami w płytę ciśnieniowo-ścinającą w podwyższonej temperaturze za pomocą systemu nagrzewnicy Sabot po stronie zamka

Tutaj prezentujemy protokół opisujący badania ex situ i in situ przemian strukturalnych w szkłach metalowych. Zastosowaliśmy metody analityczne oparte na jądrze, które badają oddziaływania nadsubtelne. Wykazujemy możliwość zastosowania spektrometrii Mössbauera i jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu podczas eksperymentów opartych na temperaturze.

Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych

Celem protokołu jest optymalizacja parametrów generowania pęknięć, aby uzyskać spójne złamania. Protokół ten uwzględnia różnice w wielkości i morfologii kości, które mogą występować między zwierzętami. Dodatkowo opisano ekonomiczny, regulowany aparat do łamania.

Projektowanie aparatury do pękania i optymalizacja protokołu dla złamań stabilizowanych metodą zamkniętą u gryzoni

Mikrostrukturalnie małe zachowanie wzrostu pęknięć zmęczeniowych jest badane przy użyciu nowatorskiego podejścia metodologicznego, łączącego pomiar szybkości wzrostu pęknięć i analizę pola odkształceń, aby ujawnić skumulowane pole deformacji na poziomie podziarna.

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów

Ten protokół pokazuje, jak przygotować próbkę brykietu i przeprowadzić eksperyment jednoosiowego ściskania brykietu przy różnych ciśnieniach CO2 przy użyciu wizualizowanego systemu testowania sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości. Jego celem jest również zbadanie zmian w zakresie właściwości fizycznych i mechanicznych węgla wywołanych adsorpcją CO2 .

Eksperyment jednoosiowego sprężania z węglem zawierającym CO2 przy użyciu wizualizowanego systemu testowego sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości

Cyfrowa korelacja obrazu jest używana w testach zmęczeniowych na maszynie do badania rezonansu do wykrywania makroskopowych pęknięć i monitorowania propagacji pęknięć w próbkach spawanych. Pęknięcia na powierzchni próbki stają się widoczne jako zwiększone odkształcenia.

Monitorowanie pęknięć w rezonansowych badaniach zmęczeniowych spawanych próbek z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

W tym badaniu przedstawiono protokół opisujący użycie wizualizacji mechanoluminescencyjnej (ML) do monitorowania propagacji pęknięć i zachowania mechanicznego podczas testowania oceny połączeń adhezyjnych.

Mechanoluminescencyjna wizualizacja propagacji pęknięć do wspólnej oceny

Cięcie w kształcie litery Y mierzy skale długości i energie związane z pękaniem w miękkich materiałach. Poprzednie aparaty były przeznaczone do pomiarów stacjonarnych. Protokół ten opisuje wytwarzanie i użytkowanie aparatury, która orientuje konfigurację poziomo i zapewnia precyzyjne możliwości pozycjonowania niezbędne do oglądania in situ, a także kwantyfikacji uszkodzeń za pomocą mikroskopu optycznego.

Wykonywanie testów cięcia w kształcie litery Y montowanych pod mikroskopem

Poznaj metodę badania dynamicznego pękania materiałów przy wysokich prędkościach odkształcenia i zmiennych temperaturach. Wykorzystuje się w niej działko gazowe z rozszerzającym się cylindrem oraz laserową diagnostykę prędkości.

Metoda badania zależności dynamicznego pękania i fragmentacji od temperatury

Przeglądaj więcej filmów