Метод для изучения температурной зависимости динамического разрушения и фрагментации

Summary

Разрушение и фрагментация являются явлениями на поздних стадиях в сценариях динамического нагружения и обычно изучаются с использованием взрывчатых веществ. Мы представляем технологию расширения с помощью газового пистолета, которая позволяет управлять как скоростью загрузки, так и температурой образца.

Abstract

Динамический перелом тела поздней стадии, как правило, явление изучено в упрощенном условиях, в которых образец деформируется под единой стресса и скорости деформации. Это может быть получено путем равномерного загрузки внутреннюю поверхность цилиндра. В связи с осевой симметрией, а расширяется цилиндр стенки помещают в кольцевое напряжение на растяжение, что является однородным по окружности. Хотя существуют различные методы для создания этого расширения, такие как взрывчатые вещества, электромагнитного привода, и существующие методы газовый пистолет все они ограничены в том, что образец цилиндр должен быть комнатной температуры. Мы представляем новый метод, используя газовый пистолет, что облегчает эксперименты на баллонах из 150 К до 800 К с постоянной, повторяемой нагрузки. Эти высоко диагнозом эксперименты используются для изучения влияния температуры на механизмы разрушения, ответственных за провал, и их влияния на полученной статистики фрагментации. Геометрия эксперимента работаетСталь Огива расположен внутри целевой цилиндра, с наконечником, расположенный примерно на полпути в. одноступенчатый газовая пушка затем используется для запуска поликарбонатный снаряд в цилиндре при 1000 м / сек ^-1. Воздействие снарядов и обтекает жесткой оживальной, вождение образец цилиндр изнутри. Использование недеформирующаяся оживальной вставки позволяет установить контроль температуры внутри оборудования в задней части цилиндра. Жидкий азот (LN ₂₎ используется для охлаждения и резистивной высокой токовой нагрузки для отопления. Многочисленные каналы повысить, фотон Доплера велосиметрии (PDV) отслеживать скорость расширения вдоль цилиндра благоприятной прямое сравнение с компьютерной симуляции, в то время как высокая скорость формирования изображения используется для измерения напряжения до отказа. Восстановленные фрагменты цилиндр, также подлежат оптической и электронной микроскопии для выяснения механизма отказа.

Introduction

Динамический отказ материала является важным аспектом его общего механического поведения, и имеет отношение к многочисленным отраслей промышленности, включая автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, и военными, чтобы назвать несколько. В то время как отказ при низких деформации-ставок, как правило, изучали с помощью обычных испытаний на растяжение, в котором длинный тонкий образец загружалась в напряженности с концов, при высоких скоростях деформации такая геометрия / конфигурация требует образец, чтобы быть очень маленьким, чтобы поддерживать псевдо-механическое равновесие в течение всего теста. При появлении одной трещины, окружающим материалом будут ослаблены, фактически остановку развития любых смежных участков недостаточности. Это ограничивает количество переломов, которые могут быть одновременно наблюдаемых в одном эксперименте, и предотвращает важную информацию о статистике отказов, которые будут определены.

Расширение тестирования цилиндр хорошо разработанный метод, характеризующий манеру, в которой MateriaLs сбой и фрагмент при высокой скорости загрузки. В тесте, цилиндр из материала, представляющего интерес, равномерно загружен по его внутренней окружности, запуск волну напряжения через стенку и вызывает расширение цилиндра. Вскоре этот радиальная волновая рассеивается и равномерное растяжение обруч стресс по окружности доминирует. Поскольку скорость напряжением и деформацией же вокруг цилиндра характер разрушения и фрагментации регулируется исключительно свойств материала. Тест облегчает вышеупомянутую проблему, как правило, крупные образцы окружности способствовать инициации нескольких сайтов отказа при равномерном стресса ^1.

Основная цель при разработке этой экспериментальной техники было для того, чтобы изучение роли температуры в поведении перелома и фрагментации расширяющейся цилиндра. Контроль температуры образца позволит исследование того, как динамической прочности на растяжение, механизма разрушения, и Фрагментация поведение материала зависит. Например, в металлах, повышение температуры может вызвать сдвиг от хрупкой до вязкого разрушения, размещения более пластиковый работу до конечном итоге удается. Некоторые материалы, такие как Ti-6Al-4V может также демонстрируют локализацию адиабатического сдвига ^2. В то время как образец деформируется, пластик работа вырабатывает тепло. Если скорость размягчения в результате этого повышения температуры больше, чем скорость упрочнения от деформации, нестабильность может сформировать где большое количество пластической деформации происходит в очень локализованы полосы (полосы сдвига адиабатического). Этот ответ способствовал в Ti-6Al-4V-за его плохой теплопроводности, и потенциально может снизить эффективность ее для таких приложений, как легкий брони.

Этот новый подход тестирование должно удовлетворять двум основным критериям. Во-первых, метод должен производить радиальную скорость деформации порядка 10 ⁴ с ^-1, как правило, рассматривается в баллистических исобытия воздействия, чтобы сравнение с предыдущими исследованиями, использующих более традиционные схемы погрузки. Во-вторых, механизм привода должен быть не зависит от температуры образца, чтобы обеспечить согласованность между экспериментами. Начальные механизмы расширения цилиндра используется взрывчатку, либо заполнив образец цилиндр ^3-5 непосредственно или с помощью промежуточного драйвера. В последнем случае используют буфер ^6, где образец помещают на стальной цилиндр, который, в свою очередь, содержит взрывной заряд. Очевидным ограничением является то, что, как образец цилиндра содержит привод материала (в виде взрывчатого вещества) нагревание цилиндра также будет нагревать заряд. Хотя это не может непосредственно привести к инициации заряда много типов взрывчатого вещества содержит полимерный связующий материал, который будет плавиться из образца цилиндра. Точно так же, некоторые взрывчатые вещества становятся очень чувствительны при охлаждении. Это означает, что взрывные диски не подходят для температуры исследования. АльтернативаМетод использует силу Лоренца для расширения - образец помещают над катушкой водителя ^{7, 8} высокий ток вводится в этой катушки драйвера (обычно толстостенной медной проволоки), вызывая противоположную тока в образце.. Эти противоположные токи связаны магнитные поля, которые действуют друг против друга, магнитное давление движущей образец наружу от внутренней поверхности. Опять же, нагрев материала будет отрицательно влиять на меди привода катушки внутри образца. Газовые пистолеты были использованы для расширения цилиндра с конца 1970-х годов ^9. В этих экспериментах материал, используемый для вставки в цилиндр представляет собой полимер, привод приходит в результате обоих снаряда и включить деформируя при ударе. Эта вставка, как правило, из резины или пластмассы ^10, прочность и пластичность, которые будут строго зависит от температуры. Отопление сделает вставки слишком мягким, и охлаждение заставить его вести себя в хрупкой образом, так она не преждевременно.

В отличие от предыдущих методов расширения цилиндра, способ, описанный здесь, является первым, чтобы обеспечить повторяемое загрузки диска в широком диапазоне температур (100-1000 К). Наша методика является уникальным в том, что материал, используемый для приведения в действие расширение (в нашем случае снаряд) отделен от цилиндра до точки удара. Следовательно, это не зависит от начальной температуры образца цилиндра и обеспечивает повторяемый нагрузку.

Геометрия опыта состоит из стали Огива установленной внутри целевой цилиндра, с наконечником, расположенный примерно на полпути по длине цилиндра. Одноступенчатый газовая пушка затем используется для запуска снаряда из поликарбоната с вогнутой поверхностью в цилиндре при скоростях до 1000 м / сек ^-1. Ось цилиндра мишени тщательно выровнены по оси газового ствола, чтобы облегчить воспроизводимой и равномерной нагрузки. Поток воздействия и последующего РОlycarbonate снаряда вокруг псевдо-жесткой стали оживальной, приводит в действие цилиндр в расширении от внутренней стенки. Геометрия оживальной вставкой и вогнутой поверхностью снаряда были тщательно оптимизированы с помощью гидро-кода компьютерного моделирования для создания желаемого расширение цилиндра. Использование 4340 легированной стали для оживальной дает эксперименты с цилиндром при температуре в его прочность значительно выше, чем поликарбоната снаряда в диапазоне температур интереса, обеспечивая механизм привода остается неизменной. Ogives выделенные из нагревании и охлаждении экспериментов только демонстрируют минимальную деформацию в результате воздействия.

Нагрев и охлаждение образца цилиндра осуществляется путем установки контроля температуры аппаратного в обработанной углубление в задней части вставки оживальной. Для охлаждения образца до криогенных температур (~ 100 К), выемка в оживальной герметизируют с алюминиевой крышкой и жидкий азот Fмычали через полость. В целевой цилиндра имеет большую площадь контакта с оживальной образец охлаждают посредством проводимости. Для нагрева целевой цилиндр в температурах, близких к 1000 К, керамики и нихрома резистивный нагреватель размещен в углублении оживальной. Высокий ток питания обеспечивает до 1 кВт, нагрев стрельчатыми и цилиндр. Цилиндр и Огива термически изолированы от цели установки в одноступенчатой ​​газовой горелки через использование MACOR керамических прокладок. Бак также провел при умеренном вакууме (<0,5 Торр) в ходе эксперимента, который помогает тепловой манипуляции.

Для того, чтобы диагностировать процесс фрагментации цилиндра, опытно-конструкторских включает в себя несколько каналов преобразования частоты PDV, чтобы измерить скорость расширения в точках вдоль цилиндра. PDV является относительно новым ^11, оптическое волокно на основе интерферометрии техника, которая позволяет измерение поверхностных скоростей во высоко динамичных событий, Во время измерения PDV, доплеровского сдвига света, отраженного от движущейся поверхности интереса с использованием волоконно-оптического зонда сочетается с ООН сдвинуты света, создавая частоту биений, которая прямо пропорциональна скорости движущейся поверхности. По сути, система PDV является быстро интерферометр Майкельсона с помощью достижений в ближней инфракрасной (1550 нм) коммуникационных технологий для записи частоты биений в диапазоне ГГц. Система крепления для 100 мм с фокусным расстоянием ПДВ зондов, используемых в данном исследовании гарантирует, что они изолированы от температуры цилиндра и обеспечивает легкий выравнивание. Дополнительным преимуществом использования 100 мм фокусным расстоянием зондов является то, что они обеспечивают достаточную оптическую доступ для обеспечения высокой скорости фотографии для измерения профиля расширения всей цилиндра. Расположение и расположение четыре зондов, AD, вдоль цилиндра показана на рисунке 1 Две камеры высокоскоростные работают здесь. высокая скорость видео камеры Phantom V16.10 работает на 250000 кадров в секунду и ИВВ UHSi 12/24 обрамление камеры, захватив 24 изображений. Камера ИВВ подсвечивается таким образом, что цилиндр горит силуэт, позволяющего радиальное расширение край цилиндра, чтобы быть точно отслеживаться. Призрак камера переднего горит визуализации процесса инициации и фрагментации провал. Высокая скорость фотография может быть коррелирует с велосиметрии дать нагрузку и скорость деформации по всей выборке. Высокой скорости визуализации и позволяет для точного измерения напряжения и отказа шаблонов разрушения вдоль поверхности.

Экспериментальная методика представлена ​​в следующем разделе протокола предоставляет средства контроля температуры образца в расширяющейся эксперимента цилиндра, через которые различные механизмы разрушения может быть активирован или подавленной. Этот метод приведет к более широкому пониманию роли температуры в динамических сценариев нагрузки.

Protocol

1. Целевая Изготовление и монтаж

1. Машина целевой цилиндр до требуемых размеров из массива складе.
2. Подготовка поверхности цилиндра, удалив обработки знаки. Однородная поверхность диффузного является предпочтительным для PDV отражения. Хорошие результаты были получены с легкой влажной шлифовки с> 1200 грит.
3. Охарактеризовать целевые компоненты, то есть, измерять следующее:
   Длина цилиндра, диаметр и толщина стенки (в нескольких местах)
   Снаряд длина, диаметр
   Стрельчатыми длина, диаметр
   Масса всего выше
4. Соберите цилиндр монтажного кольца и PDV руку.
5. Установите датчики PDV в кинематических опорах, на PDV руку.
6. Вставьте стрельчатыми в целевой цилиндра так, чтобы задняя часть оживальной на одном уровне с задней части цилиндра (это должно быть сделано на семинаре плоской). Три винта M3 предназначены для хранения стрельчатыми на месте, позволяя цилиндр для "корки AWай "в процессе расширения.
7. Поместите мишень цилиндр в крепежом, так что вход в цилиндре находится на одном уровне с передней поверхностью установочного кольца. Закрепите цилиндр в месте с 6 резьбовыми штифтами M4.
8. Установите нагревательный аппарат / охлаждения и термопар облигаций по всей длине цилиндра наружной стены.
9. Очистите FC / APC (обоймы разъем, угловой физический контакт) разъемы на конце зонда волокон ПДВ с чистящей ткани волокна и проверить с помощью осциллографа волокна. Это важно, чтобы уменьшить обратную отражение.
10. Использование видимый (660 нм) лазера Класса 3R примерно выровнять зондов, чтобы они нормально к цилиндру (т.е. отраженный свет падает обратно на зонде).
11. Соберите основную цепь отражательной помощью циркуляционного насоса. Подключите нм Класс лазера 1 1550 на вход 1, зонд PDV для ввода 2 и измеритель мощности к входу 3. Совместите зонды PDV, в свою очередь, так что мощность вернулся развернуто.

2. Газ Подготовка пистолет

1. Используя вилку ствола и глубины микрометра совмещена с объектом кольцо на конце ствола, чтобы минимизировать воздействие наклона.
2. Установите систему смягчения фрагмент и защиты двери.
3. Поместите выравнивания вилку цели в бочке.
4. Установите целевую сборку и выровнять на вилку.
5. Установите пару триггера косметику на конце ствола и подключения к синхронизации аппаратного и диагностики. Измерьте расстояние от контакта с триггером к воздействию снаряда на оживальной.
6. Установите поворотные зеркала для высокоскоростной съемки.
7. Совместите зеркала, чтобы дать ортогонального вид цилиндра через порты целевых танковых и зафиксировать на месте.
8. Совместите высокой скорость камеры и лампы-вспышки вне целевой бака. Глядя на баррель, поместить высокоскоростной камеры и один лампы-вспышки в 3 часа по отношению к цилиндру. Поместите фотокамеру ИВВ в 9 часов идругая вспышка лампы на 12 часов. В этой конфигурации высокоскоростной камеры будет фронте освещенных для отслеживания трещин и ИВВ обеспечит силуэт изображения для обнаружения края.
9. Подключите нагрев / охлаждение оборудования для цели и вакуумной подачи прошлифованных.
10. ВНИМАНИЕ: При соответствующем очков и других мер предосторожности включить IV класса лазеров, осциллографов и систем ПДВ.
11. Проверить уровни мощности передачи в зондов ПДВ. С помощью системы PDV, как правило, используют около 5 мВт для каждого зонда с 1 мВт на канал для справки.
12. Проверьте выравнивание зондов ПДВ с измерителем мощности. После того, как удовлетворены выравнивания использовать ИК-карты для измерения, где зонды PDV ищете на поверхности цилиндра.
13. Включите опорного лазера и проверить качество сигналов биений, выданных каждым зондом. Отрегулируйте длину волны лазера (ов), чтобы установить нужный нулевую частоту биений скорость (установить этот около 5 ГГц).
14. После того, как удовлетворены с целью Алиgnment, местоположение триггер, камера и выравнивание зеркала, выравнивание зонда PDV и расположение и рамки смягчения закрыть целевой танк.
15. Удалить выравнивания вилку; установить снаряд.
16. Камеры установки и освещение (частота кадров, экспозиции, тайминги) и выполнять тест визуализации. Типичные частоты кадров около 250000 кадров / сек для обеих камер, с выдержкой около 0,5 мкс. Первое изображение, как правило, приурочено к моменту удара.

3. Обжиг Подготовка

1. Установите казенной диафрагм, которые применимы к давлению обжига необходимо.
2. Закройте затвор и начать эвакуацию целевых танков. Цель для уровня вакуума в области 50 мТорр.
3. Выполните окончательную настройку всех диагностики (задержки осциллографа, триггеры, настройки камеры и т.д.). Набор для осциллографов PDV на 50 мкс на деление, 25 пс на точку и претриггер 20%, чтобы дать окно 500 мкс. Trigger оscilloscopes и камеры таким образом, что нулевое время совпадает со временем воздействия.
4. Итоговый тест триггера; Проверка тайминги точны.
5. Включите лазеров; рука камеры.
6. Закрыть комната; обеспечивая лазерные и высокого давления блокировки в правильном положении.
7. Начните отопления / охлаждения в соответствии с требованиями с помощью программного обеспечения LabVIEW.
8. Зарядка пистолет до требуемого давления обжига.
9. Когда при давлении, сделать окончательную проверку, что все диагностические системы на охрану.
10. Изолировать отопления или охлаждения устройства.
11. Обратный отсчет "3, 2, 1 пожар."
12. Vent целевых и захвата танков.
13. Сохраните все осциллографа и камеры данных.

4. Сообщение Выстрел

1. Выключите лазеров и ждать пушки полностью уравнять в атмосфере.
2. Откройте целевую бак, собрать все фрагменты металлических и разобраться в Ti-6Al-4V.

5. Анализ данных

1. Выполнить анализ КК на ОС PDVДанные cilloscope уменьшить скорость историю в соответствии с анализом Ао и Долан ^12.
2. Высокая скорость передачи данных изображений процесса с программным обеспечением такого, как указано в таблице оборудования. Высокая скорость камеры кадры будут предоставить время и напряжение при аварии и проведения анализа образования трещин и роста. В вырисовываются образы из ИВВ обеспечить четкие края, чтобы изучить полный профиль деформации цилиндра.
3. Измерьте и весят восстановленные фрагменты. Выберите фрагменты с интересными функциями, такими как арестованных переломов и подготовить их к микроскопии.
   1. Раздел, монтировать, и полировать фрагменты; затем анализировать в электронном микроскопе. Электрон обратного рассеяния дифракция дает информацию о текстуре и микроструктуры наряду изображений вторичных электронов для исследования поверхности разрушения и определить режим отказа.

Results

Качество данных будет в первую очередь зависеть от экспериментального времени. Если задержки от триггера к воздействию верны, то вспышка лампы будет производить достаточно света, когда цель цилиндр начинает деформироваться, позволяя высокие скорости камеры, чтобы произвести четкие изображения. В этом случае изображения с кадровой камеры будет иметь четкое силуэт край, который может быть использован, чтобы отслеживать деформацию всей цилиндра. Программное обеспечение, такое, как ImageJ можно использовать для извлечения д...

Discussion

Этот метод позволяет исследовать материалов при высоких скоростях растягивающей нагрузке в широком диапазоне температур, от криогенных до ~ 1000 К, уникальный для данной конструкции. Тем не менее, это добавляет определенные трудности для экспериментальной установки и исполнения. Во-первых, оптимизировать температурный контроль Огива вставка должна быть изготовлен из подходящего материала. 4340 сталь используется здесь, хотя любой высокой температуры высокой твердости стали должно хватить. Точно так же, как весь диск рас...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1,550 нм CW Лазер	NKT Photonics	Koheras Adjustik	x 2
1,550 нм Усилитель мощности	NKT Photonics	Koheras Boostik HPA
Генераторы задержки	Quantum Composers	9500+ Цифровой импульсный генератор задержки	8 выходная версия
Stanford Research Systems	DG535 Цифровой генератор
16-канальный дигитайзер	Agilent Technologies	U1056B Шасси + 4 x U1063A Оцифровщик
Широкополосные осциллографы	Teledyne LeCroy	WaveMaster 816Zi-A	Expansion Velocity, PDV Gen 3
Tektronix	DPO71604C	скорость снаряда, Gen 1 PDV
Высокоскоростные системы визуализации	Vision	Research Phantom v16.10
Invisible Vision	IVV UHSi-24
Zeiss Optics	Planar T* 1,4/85	85 мм Фикс-объектив
Nikon	AF-S Nikkor 70-200 мм f/2.8 ED VR II	70-200 мм Телеобъектив
Лампа-вспышка	Bowens	Gemini Pro 1500 Вт	x 2
PDV Зонд	Лазер 2000	LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3	x 4 (Индивидуальный заказ)
Система PDV	Построено Институтом шока Физика	Пользовательская сборка	3rd поколение (с повышенным переключением) 8-канальная портативная система управления PDV
программное обеспечение	National Instruments	LabVIEW 2013
Аппаратное управление для отопления	National Instruments	NI-DAQ 6009 USB
Источник питания	нагрева BK Precision	BK1900
Регистратор термопар	Pico Technology	TC-08
100-мм одноступенчатая легкая газовая пушка	Physics Applications, Inc. (PAI)	Специальная сборка	Способна развивать скорость не менее 1,000 м/с со снарядом ~2 кг
Программное обеспечение для анализа изображений	Национальный институт здравоохранения	ImageJ	Открытый исходный код, бесплатно
Программное обеспечение для анализа изображений	Mathworks	MATLAB r2014a	С ящиками для обработки изображений
Пила	для резки материалаСтруерс	Аккутом-50
Электронный микроскоп	Zeiss	Аурига
Дифракция с обратным рассеянием	электронов Bruker	e-Flash 1000
EBSD программное обеспечение	Bruker	eSprit