Um Método de Estudar a dependência da temperatura da fratura dinâmica e fragmentação

Summary

Fratura e fragmentação são fenômenos de estágio avançado em cenários de carregamento dinâmico e são tipicamente estudados usando explosivos. Apresentamos uma técnica para conduzir a expansão usando uma pistola de gás que permite o controle exclusivo da taxa de carregamento e da temperatura da amostra.

Abstract

A fratura dinâmica de um corpo é um fenômeno em estágio final tipicamente estudados em condições simplificadas, no qual uma amostra é deformado sob uniforme e taxa de deformação. Isto pode ser produzido através do carregamento de maneira uniforme a superfície interior de um cilindro. Devido à simetria axial, como o cilindro se expande a parede é colocada num aro de tracção tensão que é uniforme em torno da circunferência. Embora haja várias técnicas para gerar esta expansão, como explosivos unidade electromagnética, e técnicas de arma de gás existentes que são todos limitados no facto de o cilindro de amostra devem estar à temperatura ambiente. Nós apresentamos um novo método utilizando uma pistola de gás que facilita experiências com cilindros de 150 K a 800 K com uma carga consistente e repetível. Estas experiências altamente diagnóstico são utilizados para examinar o efeito da temperatura sobre os mecanismos responsáveis ​​pela falha de fractura, e a sua influência resultante sobre as estatísticas de fragmentação. A geometria experimental emprega umogiva de aço localizado no interior do cilindro de destino, com a ponta localizado a meio caminho. Uma arma de gás luz do estágio único é então utilizado para lançar um projétil de policarbonato para dentro do cilindro a 1.000 m / s ^-1. Os impactos de projécteis e flui em torno da ogiva rígida, a condução do cilindro de amostra a partir do interior. O uso de uma inserção de ogiva não deformando permite instalar o hardware de controlo da temperatura no interior da parte traseira do cilindro. Azoto líquido _(LN2) é utilizado para o arrefecimento e uma elevada carga de corrente para o aquecimento resistivo. Vários canais de upshifted velocimetria Doppler fóton (PDV) acompanhar a velocidade de expansão ao longo do cilindro permitindo comparação direta com simulações de computador, enquanto imagiologia de alta velocidade é utilizado para medir a tensão ao fracasso. Os fragmentos de cilindros recuperados também estão sujeitas a microscopia óptica e eletrônica para determinar o mecanismo de falha.

Introduction

A falha dinâmica de um material é um aspecto importante do seu comportamento mecânico, em geral, e tem relevância para várias indústrias incluindo automóvel, aeroespacial e militar, para citar alguns. Enquanto a falha em baixas taxas de deformação-se tipicamente estudada por meio de testes de tensão convencional, em que uma longa amostra fina é carregada em tensão a partir das extremidades, a altas taxas de deformação tal geometria / configuração requer uma amostra a ser muito pequena, a fim de manter uma pseudo-equilíbrio mecânico durante todo o ensaio. No aparecimento de uma fenda única, o material circundante será relaxado, de forma eficaz parar o desenvolvimento de quaisquer locais de falha adjacentes. Isso limita o número de fraturas que podem ser observadas simultaneamente em qualquer um experimento, e impede que informações importantes sobre as estatísticas da falha a determinar.

O teste do cilindro de expansão é uma técnica bem estabelecida para caracterizar a forma em que materials falhar e fragmento sob alta carga velocidade. No teste, um cilindro feito de material de interesse é carregado uniformemente ao longo da sua circunferência interna, lançar uma onda de tensão através da parede e fazendo com que o cilindro de expansão. Logo esta onda radial se dissipa e um uniforme de tração hoop estresse em torno da circunferência domina. Como a taxa de estresse e tensão é a mesma em torno do cilindro o comportamento fratura e fragmentação é regida exclusivamente pelas propriedades do material. O teste alivia o problema acima mencionado como os tipicamente grandes circunferências amostra promover a abertura de vários sites de falha sob tensão uniforme ^1.

O principal objectivo no desenvolvimento desta técnica experimental foi o de permitir o estudo do papel da temperatura no comportamento da fractura e fragmentação de um cilindro de expansão. O controlo da temperatura da amostra vai permitir que para a investigação de como a resistência à tracção dinâmico, mecanismo de fractura, e Fragmentação comportamento do material é afectada. Por exemplo, em metais, um aumento na temperatura pode causar uma mudança de frágil para dúctil fractura, acomodando trabalho mais plástico antes de finalmente falhar. Alguns materiais, tais como Ti-6Al-4V, também podem exibir cisalhamento localização ^2. Embora a amostra deforma, o trabalho plástico gera calor. Se a taxa de amolecimento como um resultado deste aumento de temperatura é maior do que a taxa de trabalho de endurecimento a partir da deformação, uma instabilidade podem formar onde uma grande quantidade de deformação plástica ocorre num (banda de cisalhamento) banda muito localizada. Esta resposta é promovido em Ti-6Al-4V, devido à sua baixa condutividade térmica, e podem potencialmente limitar a sua eficácia para aplicações tais como blindagem leve.

Esta nova abordagem de testes deve satisfazer dois critérios principais. Em primeiro lugar, o método deve produzir uma taxa de deformação radial da ordem de ⁴ a 10 seg ^-1, tipicamente visto em balística eeventos de impacto, para permitir a comparação com estudos anteriores que empregam sistemas de carregamento mais tradicionais. Em segundo lugar, o mecanismo de accionamento deve ser afetado pela temperatura da amostra para garantir a consistência entre os experimentos. Mecanismos de expansão cilindro iniciais usadas cargas explosivas, ou simplesmente encher o cilindro de amostras ^3-5 diretamente ou através de um driver intermediário. Neste último caso, é utilizado um tampão ^6, em que a amostra é colocada sobre um cilindro de aço que, por sua vez contém uma carga explosiva. A limitação é evidente que, como o cilindro de amostra contém o material rígido (sob a forma do explosivo) aquecer o cilindro também vai aquecer a carga. Enquanto isso não pode causar diretamente o início da carga muitos tipos de explosivo conter um material ligante polimérico que vai derreter fora do cilindro de amostra. Da mesma forma, alguns explosivos tornam-se altamente sensível quando resfriado. Isto significa que as unidades de explosivos não são adequados para estudos de temperatura. Uma alternativamétodo utiliza a força de Lorentz para a expansão - a amostra é colocada sobre uma bobina de condução ^{7, 8} uma corrente elevada é injectada no condutor este bobina (tipicamente pesada bitola de cobre), induzindo uma corrente oposta na amostra.. Estas correntes opostas têm associado os campos magnéticos que actuam umas contra as outras, a pressão de condução magnético a amostra para o exterior a partir da face interior. Mais uma vez, o aquecimento do material vai afectar adversamente a bobina de comando de cobre no interior da amostra. Canhões de gases foram utilizados para a expansão do cilindro desde o final dos anos 1970 ^9. Nestas experiências, o material usado para a inserção dentro do cilindro é um polímero, o accionamento vindo como um resultado tanto do projéctil e inserir deformar no momento do impacto. Esta inserção é, tipicamente, uma borracha ou de plástico ^10, a resistência e ductilidade do que vai ser gravemente afectado pela temperatura. Aquecimento fará a inserção muito mole, e resfriamento irá torná-lo comportar-se de maneira frágil para que ele falhar prematuramente.

Ao contrário das técnicas de expansão do cilindro anteriores, o método aqui descrito é o primeiro a fornecer uma unidade de carregamento repetível ao longo de um intervalo amplo de temperaturas (100-1.000 K). A nossa técnica é única no facto de o material usado para a condução da expansão (no nosso caso o projéctil) é separada do cilindro, até o ponto de impacto. Por conseguinte, não é afectado pela temperatura inicial do cilindro de amostra e fornece uma carga repetível.

A geometria experimental é constituído por um aço de ogiva montada no interior do cilindro de destino, com a ponta localizada a cerca de meio caminho ao longo do comprimento do cilindro. Uma arma único gás luz do estágio é então utilizado para lançar um projétil de policarbonato com uma face côncava para dentro do cilindro em velocidades de até 1.000 m / s ^-1. O eixo do alvo é cilindro é cuidadosamente alinhado em relação ao eixo do cilindro de gás-arma para facilitar uma carga uniforme e repetível. O fluxo de impacto e subsequente do poprojéctil lycarbonate em torno da ogiva aço pseudo-rígida, acciona o cilindro de expansão para dentro a partir da parede. A geometria da pastilha de ogiva e a face côncava do projéctil foram cuidadosamente optimizadas usando simulações por computador hidro-código para gerar a expansão desejada do cilindro. Usando 4340 ligas de aço para a ogiva permite experimentação com o cilindro à temperatura como a sua força é muito maior do que o projéctil policarbonato sobre o intervalo de temperatura de interesse, assegurando o mecanismo de accionamento permanece consistente. Ogivas recuperados a partir de experimentos aquecido e resfriado só exibem deformação mínima, como resultado do impacto.

O aquecimento e o arrefecimento do cilindro amostra é conseguido pela instalação de equipamento de controlo da temperatura dentro de um rebaixo maquinado na parte traseira da peça inserta de ogiva. Por arrefecimento da amostra a temperaturas criogénicas (~ 100 K), no recesso da ogiva é selado com uma tampa de alumínio e de azoto líquido é flowed através da cavidade. À medida que o cilindro de destino tem uma grande área de contacto com a ogiva a amostra é arrefecida por condução. Para aquecer o cilindro alvo a temperaturas próximas de 1000 K, um aquecedor de cerâmica e nicrómio resistiva é colocada no recesso ogiva. Uma fonte de alimentação de alta corrente fornece até 1 kW, o aquecimento da ogiva e cilindro. O cilindro de ogiva e são isolados termicamente do alvo montar na fase única de gás-arma através do uso de espaçadores Macor cerâmica. O tanque também é realizada sob vácuo moderado (<0,5 Torr) durante a experiência que ajuda manipulação térmica.

A fim de diagnosticar o processo de fragmentação do cilindro, o delineamento experimental inclui vários canais de frequência de conversão PDV, para medir a velocidade de expansão em pontos ao longo do cilindro. VPD é uma técnica relativamente nova interferometria base ^11, de fibra óptica, que permite a medição das velocidades de superfície durante eventos altamente dinâmicos. Durante uma medição PDV, Doppler deslocado luz reflectida a partir de uma superfície móvel de interesse, utilizando uma sonda de fibra óptica é combinada com luz deslocou-un, criando uma frequência de batimento que é directamente proporcional à velocidade da superfície em movimento. Essencialmente, um sistema de PDV é um interferômetro de Michelson rápido utilizando avanços em infravermelho próximo (1.550 nm), tecnologia de comunicações para bater o recorde frequências na faixa GHz. O sistema de montagem para os 100 mm de comprimento focal PDV sondas utilizadas no presente estudo assegura que eles são isolados a partir da temperatura do cilindro e proporciona o alinhamento fácil. Uma vantagem adicional de utilizar as sondas de 100 milímetros de comprimento focal é que eles proporcionam o acesso óptico suficiente para permitir que a fotografia de alta velocidade para medir o perfil de expansão de todo o cilindro. A disposição e localização do quatro sondas, AD, ao longo do cilindro é mostrado na Figura 1 Duas câmaras de alta velocidade são utilizados aqui.; uma câmera de vídeo de alta velocidade Fantasma V16.10 operando a 250,000 fps e um IVV UHSi câmera 12/24 enquadramento, a captura de 24 imagens. A câmara IVV é iluminado de modo que o cilindro é iluminado em silhueta permitindo a expansão radial da borda do cilindro para ser rastreado com precisão. A câmera frontal Fantasma é iluminado imagem latente o processo de iniciação fracasso e fragmentação. A fotografia de alta velocidade pode então ser correlacionados com a velocimetria a dar tensão e velocidade de deformação ao longo da amostra completa. A imagem de alta velocidade também permite uma medida precisa da estirpe falha e os padrões de fractura ao longo da superfície.

A técnica experimental apresentada na secção protocolo seguinte fornece um meio de controlar a temperatura da amostra de uma experiência cilindro de expansão, através da qual diferentes mecanismos de fractura pode ser activado ou suprimido. Esta técnica irá conduzir a uma melhor compreensão do papel da temperatura em cenários de carga dinâmicas.

Protocol

1. Alvo Fabricação e Montagem

1. Máquina alvo cilindro de dimensões desejadas a partir da sólida.
2. Preparar a superfície do cilindro através da remoção de marcas de usinagem. Uma superfície difusa uniforme é preferível para PDV reflexão. Bons resultados têm sido obtidos com uma lixa húmida com luz> 1200 grit.
3. Caracterizar os componentes alvo, ou seja, medir o seguinte:
   Comprimento do cilindro, diâmetro e espessura da parede (em vários locais)
   Comprimento projétil, diâmetro
   Ogiva comprimento, diâmetro
   Massa de todos os itens acima
4. Monte o anel de montagem do cilindro e PDV braço.
5. Monte as sondas PDV nas montagens cinemáticos e no braço PDV.
6. Inserir a ogiva no cilindro alvo, de modo que a parte traseira da ogiva é nivelada com a parte traseira do cilindro (isto deve ser feito numa oficina plana). Os três parafusos M3 são projetados para manter a ogiva no lugar enquanto permitindo que o cilindro 'casca de away 'durante a expansão.
7. Colocar o cilindro alvo no equipamento de montagem de modo que a entrada do cilindro está alinhada com a face dianteira do anel de montagem. Prenda o cilindro no lugar com 6 parafusos sem cabeça M4.
8. Instalar aparelho de aquecimento / arrefecimento e de títulos termopares ao longo do comprimento da parede exterior do cilindro.
9. Limpe o / APC (conector ponteira, o contato físico angular) FC conectores na extremidade das fibras sonda PDV com fibra pano de limpeza e verificar com um escopo de fibra. Isso é importante para reduzir o back-reflexão.
10. Usando um visível (660 nm) a laser Classe 3R aproximadamente alinhar as sondas de modo a que eles são normais para o cilindro (ou seja, a luz reflectida de volta sobre a outra sonda).
11. Montar um circuito refletividade básico usando um circulador. Ligue o laser nm Classe 1 1,550 na entrada 1, a sonda PDV na entrada 2 e um medidor de potência de entrada 3. Alinhe as sondas PDV, por sua vez, de modo que o poder devolvido é maximizada.

2. Gás Gun Preparação

1. Usando o bujão e o tambor micrómetros de profundidade alinhar o anel de alvo para o fim do barril para minimizar o impacto de inclinação.
2. Instalar o sistema de mitigação fragmento e à protecção porta.
3. Coloque a ficha alinhamento alvo no barril.
4. Instale o conjunto alvo e alinhar para a ficha.
5. Instalar o gatilho fazem par na extremidade do cano e ligar-se ao hardware de temporização e de diagnóstico. Medir a distância do contacto com o gatilho de impacto do projéctil na ogiva.
6. Instale os espelhos que giram para a fotografia de alta velocidade.
7. Alinhe os espelhos para dar uma visão ortogonal do cilindro através dos portos de tanques-alvo e bloquear no lugar.
8. Alinhe a radares de velocidade e lâmpadas de flash de alta fora do tanque de destino. Olhando para o cano, coloque a câmera de alta velocidade e uma lâmpada de flash em três horas em relação ao cilindro. Coloque a câmera IVV, às 9 horas eoutra lâmpada de flash em 12 horas. Nesta configuração, a câmera de alta velocidade será front-iluminado para rastreamento de crack eo IVV irá fornecer imagens mostradas em silhueta para detecção de bordas.
9. Conecte aquecimento / resfriamento de equipamentos para alvejar e passagem da alimentação de vácuo.
10. ATENÇÃO: Com os óculos adequados e outras precauções ligar os lasers Classe IV, osciloscópios e sistemas PDV.
11. Verifique os níveis de energia que está sendo enviado para as sondas PDV. Com o sistema de PDV, normalmente usam cerca de 5 mW para cada sonda com 1 mW por canal para a referência.
12. Verifique o alinhamento das sondas PDV com um medidor de energia. Uma vez satisfeito com o uso do cartão de IR para medir o alinhamento, onde as sondas PDV está procurando na superfície do cilindro.
13. Ligue o laser de referência e verificar a qualidade dos sinais de batimento dadas por cada sonda. Ajuste o comprimento de onda do laser (s) para definir a frequência desejada de zero batida velocidade (definir esta em torno de 5 GHz).
14. Uma vez satisfeito com o objectivo de alignment, localização gatilho, câmera e alinhamento espelho, alinhamento sonda PDV e localização eo quadro de mitigação fechar o tanque de destino.
15. Remova o plugue de alinhamento; instalar o projétil.
16. Câmeras de instalação e iluminação (taxa de quadros, a exposição, horários) e realizar imagem de teste. Taxas de quadros típicos são em torno de 250 mil frames / seg para ambas as câmaras, com uma exposição de cerca de 0,5 ms. A primeira imagem é normalmente programado para coincidir com o momento do impacto.

3. Preparação Firing

1. Instale os diafragmas pélvica que são aplicáveis ​​à pressão de disparo necessário.
2. Fechar a culatra e começar a evacuação dos tanques alvo. Alvo para um nível de vácuo na região de 50 mTorr.
3. Faça a configuração final de todos os diagnósticos (atrasos osciloscópio, gatilhos, as configurações da câmera etc.). Definir osciloscópios para PDV em 50 ms por divisão, 25 psec por ponto e um pré-trigger de 20% para dar uma janela de 500 ms. Acionar o oscilloscopes e câmaras de tempo zero, de tal modo que coincide com o tempo de impacto.
4. Teste de disparo Final; timings de seleção são precisos.
5. Ligue lasers; câmeras braço.
6. Quarto próximo; encravamentos e assegurando a laser de alta pressão estão na posição correcta.
7. Comece aquecimento / arrefecimento conforme necessário utilizando o software LabVIEW.
8. Carregue a arma para a pressão de disparo desejado.
9. Quando a pressão, fazer uma verificação final de que todos os sistemas de diagnóstico estão armados.
10. Isolar o aparelho de aquecimento ou arrefecimento.
11. Countdown "3, 2, 1 FOGO."
12. Desabafar os tanques-alvo e captura.
13. Guarde todos os dados do osciloscópio e da câmera.

4. Pós Plano

1. Encerre lasers e aguarde a arma para equalizar totalmente à atmosfera.
2. Abra o tanque de destino, recolher todos os fragmentos de metal e resolver o Ti-6Al-4V.

Análise 5. Dados

1. Realizar análise STFT no sistema operacional PDVcilloscope dados para reduzir a velocidade de história de acordo com a análise de Ao e Dolan ^12.
2. Processo de dados de imagem de alta velocidade com o software tal como mencionado na tabela de equipamentos. A câmera metragem de alta velocidade irá fornecer tempo e esforço em fracasso e permitir a análise de formação de fissuras e crescimento. As imagens de silhueta IVV fornecer uma clara vantagem para examinar o perfil de deformação completa do cilindro.
3. Medir e pesar fragmentos recuperados. Selecione fragmentos com características interessantes, tais como fraturas presos e prepará-los para a microscopia.
   1. Seção, montagem, e polir os fragmentos; em seguida, analisar no microscópio eletrônico. Electron retroespalhamento difração fornece informações sobre a textura e microestrutura ao lado de imagens de elétrons secundários para sondar as superfícies de fratura e identificar o modo de falha.

Results

A qualidade dos dados em primeiro lugar irá depender do tempo experimental. Se os atrasos de gatilho para impacto estão corretas, em seguida, as lâmpadas de flash estará produzindo luz suficiente quando o cilindro alvo começa a deformar-se, permitindo que as câmeras de alta velocidade para produzir imagens claras. Neste caso, as imagens da câmara moldação terá uma borda silhueta claro que pode ser usado para controlar a deformação de todo o cilindro. Software como o ImageJ pode ser usado para extrair alinhamento lateral...

Discussion

Este método permite a investigação de materiais com elevadas taxas de cargas de tracção ao longo de uma larga gama de temperaturas, a partir criogénico a ~ 1000 K, única para o seu design. No entanto, isso acrescenta certos desafios para a configuração e execução experimental. Em primeiro lugar, para optimizar o controlo da temperatura do inserto de ogiva tem de ser maquinado a partir de um material adequado. 4340 aço é usado aqui, embora qualquer aço de alta dureza de alta temperatura deve ser suficiente. Da mesma form...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.550 nm CW Laser	NKT Photonics	Koheras Adjustik	x 2
1.550 nm Amplificador de Potência	NKT Photonics	Koheras Boostik HPA
Delay Generators	Quantum Composers	9500+ Digital Delay Pulse Generator	8 versão de saída
Stanford Research Systems	DG535 Digital Delay Generator
16 Channel Digitiser	Agilent Technologies	U1056B Chassis + 4 X U1063A Digitiser
High Bandwidth Osciloscópios	Teledyne LeCroy	WaveMaster 816Zi-A	Velocidade de Expansão, Gen 3
PDV Tektronix	DPO71604C	Velocidade do Projétil, Gen 1 PDV
Sistemas de Imagem de Alta Velocidade	Vision Research	Phantom v16.10
Invisible Vision	IVV UHSi-24
Zeiss Optics	Planar T* 1,4/85	85 mm Lente
Nikon	AF-S Nikkor 70-200 mm f/2.8 ED VR II	70-200 mm Lente
Flash Lâmpada	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 (Pedido personalizado)
Sistema PDV	Construído internamente pelo Institute of Shock Física	Custom Build	3rd Geração (Upshifted) Software de Controle do Sistema PDV Portátil de 8
	Canais National Instruments	LabVIEW 2013
Hardware de Controle para aquecimento	National Instruments	NI-DAQ 6009 Fonte de Alimentação de Aquecimento USB
	BK Precision	BK1900
Thermocouple Logger	Pico Technology	TC-08
100 mm Single Stage Light Gas Gun	Physics Applications, Inc. (PAI)	Custom	Build Capaz de pelo menos 1.000 m/s com projétil de ~2 kg
Software	de análise de imagem National Institutes of Health	ImageJ	gratuito e de código aberto
	Mathworks	MATLAB r2014a	Com caixas de ferramentas de processamento de imagem
Serra	de seccionamento de materialMicroscópio	Struers Accutom-50
	Zeiss	Auriga
Difração de Retroespalhamento Eletrônico	Bruker	e-Flash 1000
Software EBSD	Bruker	eSprit