Abstract
Die dynamische Bruch eines Körpers ist ein Late-Stage-Phänomen in der Regel unter vereinfachten Bedingungen, in dem eine Probe unter einheitlichen Stress und Belastung verformt Rate untersucht. Dies kann durch gleichmäßiges Laden der inneren Oberfläche eines Zylinders erzeugt werden. Aufgrund der Rotationssymmetrie, da die Zylinder dehnt sich die Wand in eine Zug- Umfangsspannung, die uniform über den Umfang angeordnet ist. Zwar gibt es verschiedene Techniken, um diese Ausdehnung zu erzeugen, wie Sprengstoffe, elektromagnetischem Antrieb bestehenden Gaskanone Techniken sind sie alle in der Tatsache, dass der Probenzylinder muss bei Raumtemperatur begrenzt. Wir präsentieren ein neues Verfahren, das eine Gas-Pistole, die Experimente an Zylindern von 150 K bis 800 K mit einer konsistenten, reproduzierbaren Beladung erleichtert. Diese hoch diagnostiziert Experimente werden verwendet, um die Wirkung der Temperatur auf die Bruchmechanismen Ausfall verantwortlich, und die daraus resultierenden Einfluss auf Fragmentierungsstatistik zu untersuchen. Die experimentelle Geometrie beschäftigt einStahlspitzbogen innerhalb der Zielzylinder befindet, mit der Spitze in etwa auf halber Strecke befindet. Eine einstufige Leichtgaskanone wird dann verwendet, um ein Polycarbonat Projektil in den Zylinder bei 1000 m / sec -1 starten. Das Projektil Auswirkungen und umströmt den starren Ogive und treibt den Probenzylinder von innen. Die Verwendung eines nicht verformbaren Ogive Einsatz ermöglicht es uns, eine Temperatursteuerung Hardware innerhalb der Rückseite des Zylinders benötigt. Flüssigen Stickstoff (LN 2) zum Kühlen und eine resistive hoher Strombelastung für die Heizung verwendet wird. Mehrere Kanäle von hochgeschalteten Photonen Doppler-Geschwindigkeits (PDV) verfolgen die Expansionsgeschwindigkeit entlang des Zylinders, die direkten Vergleich mit Computersimulationen, während High-Speed-Bildgebung verwendet wird, um die Belastung bis zum Versagen zu messen. Die wiedergewonnenen Zylinder Fragmente unterliegen auch optische und Elektronenmikroskopie, um den Fehlermechanismus zu ermitteln.
Introduction
Die dynamische Ausfall eines Materials ist ein wichtiger Aspekt seiner Gesamt mechanische Verhalten und hat Relevanz für zahlreiche Branchen, darunter Automotive, Luft- und Raumfahrt und Militär, um nur einige zu nennen. Beim Versagen bei niedrigen Verformungsraten wird typischerweise durch konventionelle Zugtests, in dem eine lange dünne Probe unter Spannung von den Enden geladen wird, bei hohen Dehnraten sucht solche Geometrie / Konfiguration erfordert eine Probe, um eine Aufrechterhaltung sehr klein zu sein pseudo-mechanischen Gleichgewicht während der gesamten Prüfung. Beim Auftreten eines einzelnen Risses, wird das umgebende Material gelockert werden, effektiv Anhalten der Entwicklung von irgendwelchen benachbarten Ausfall Webseiten. Dies begrenzt die Anzahl der Frakturen, die gleichzeitig in einem Experiment beobachtet werden kann, und verhindert, dass wichtige Informationen bezüglich der Spiel Ausfall zu bestimmen.
Der Spreizzylinder Test ist eine gut etablierte Technik für die Charakterisierung der Art und Weise, Materials scheitern und Fragment unter hoher Geschwindigkeit geladen. In dem Test wird ein Zylinder aus dem Material von Interesse gemacht gleichmäßig entlang seinem Innenumfang geladen, die Einleitung einer Spannungswelle durch die Wand und Bewirken der Zylinder expandieren. Bald wird diese radiale Wellen abführt und eine gleichmäßige Zug- Ringspannung um den Umfang beherrscht. Da die Spannungs- und Dehnungsrate dieselbe um den Zylinder und die Bruchfragmentierungsverhalten wird allein durch die Eigenschaften des Materials bestimmt. Der Test lindert das oben genannte Problem, da die in der Regel großen Probenumfängen fördern Einleitung Mehrfachversagen Websites unter gleichmäßige Spannungs 1.
Das Hauptziel bei der Entwicklung dieser Untersuchungen wurden über die Untersuchung der Rolle der Temperatur bei der Bruch und Fragmentierungsverhalten eines expandierenden Zylinders zu ermöglichen. Die Steuerung der Probentemperatur wird für die Untersuchung, wie die dynamische Zugfestigkeit, Bruchmechanismus und fragm ermöglichenentation Verhalten des Materials beeinträchtigt wird. Zum Beispiel in Metallen kann eine Temperaturerhöhung eine Verschiebung von spröde Verformungsbruch verursachen, Aufnahme plastischer Arbeit, bevor letztlich scheitern. Einige Materialien, wie beispielsweise Ti-6Al-4V kann auch aufweisen adiabatischen Scherlokalisierungs 2. Während die Probe verformt, erzeugt das Kunststoffwerk Wärme. Wenn die Rate der Erweichung als Ergebnis dieser Temperaturanstieg größer als die Geschwindigkeit der Verfestigung von der Verformung ist, kann eine Instabilität zu bilden, wo eine große Menge an Kunststoffverformung in einer sehr lokalisierten Band (adiabatische Scherb) auftritt. Diese Antwort wird in Ti-6Al-4V aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit gefördert und kann dessen Wirksamkeit potentiell beschränken für Anwendungen wie leichte Panzerung.
Diese neue Testansatz müssen zwei Hauptkriterien erfüllen. Erstens muss die Methode eine radiale Verformungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 10 4 sec -1 erzeugen, in der Regel in ballistischen gesehen undSchlagereignisse, um einen Vergleich zu früheren Studien mit mehr traditionellen Ladesystemen zu ermöglichen. Zweitens muss der Antrieb von der Probentemperatur nicht beeinflusst, um die Kohärenz zwischen den Experimenten zu gewährleisten. Initial Zylinder Ausfahrmechanismen verwendet Sprengladungen, entweder einfach direkt Füllen der Probenzylinder 3-5 oder unter Verwendung eines Zwischentreibers. Im letzteren Fall wird ein Puffer verwendet, 6, wobei die Probe über einen Stahlzylinder, der wiederum eine Sprengladung enthält, platziert. Die offensichtliche Beschränkung ist, dass, wenn die Probe Zylinder enthält die Antriebs Material (in der Form des Sprengstoffs) Erhitzen des Zylinders wird auch die Ladung aufzuheizen. Auch wenn dies nicht direkt Initiierung der Ladung führen, dass viele Arten von Sprengstoff enthalten ein polymeres Bindemittel, das aus dem Probenzylinder schmilzt. Ebenso einige Sprengstoffe werden hochempfindliche, wenn gekühlt. Dies bedeutet, dass explosive Antriebe geeignet für Temperatur Studie nicht. Eine AlternativeMethode verwendet die Lorentz-Kraft für die Expansion - die Probe wird über eine Treiberspule 7, 8 platziert ein hoher Strom in diese Antriebsspule (typischerweise dickem Kupferdraht) eingespritzt wird, induziert eine entgegengesetzte Strom in der Probe.. Diese gegensätzlichen Strömungen assoziiert Magnetfeldern, die gegeneinander wirken, der magnetische Druck Antrieb der Probe nach außen von der Innenfläche. Auch Erhitzen des Materials beeinträchtigen die Kupferantriebsspule im Inneren der Probe. Gaspistolen haben für Zylinder Expansion seit den späten 1970er Jahren 9 verwendet. In diesen Experimenten wurde die für den Einsatz in dem Zylinder verwendete Material ist ein Polymer, das Laufwerk kommt als Folge sowohl des Projektils und legen Verformen Wirkung. Dieser Einsatz ist typischerweise ein Gummi oder Kunststoff 10 wird die Festigkeit und Duktilität von denen durch die Temperatur stark beeinflußt werden. Heizung machen den Einsatz zu weich, und Kühlen wird es in einem spröden Weise zu verhalten, damit es nicht zu früh.
Die experimentelle Geometrie besteht aus einem Stahl Ogive innerhalb der Zielzylinder angebracht, wobei die Spitze etwa auf halbem Weg entlang der Länge des Zylinders. Eine einstufige Leichtgaskanone wird dann verwendet, um ein Polycarbonat Projektil mit einer konkaven Fläche in den Zylinder bei Geschwindigkeiten bis zu 1.000 m / sec -1 starten. Die Achse des Targets Zylinder vorsichtig zu der Achse des gasGewehrLauf ausgerichtet sind, um eine reproduzierbare und gleichmäßige Belastung zu erleichtern. Die Auswirkungen und anschließende Strömung des polycarbonate Projektils um die pseudo-starren Stahl Ogive, treibt den Zylinder in Expansion von der Innenwand. Die Geometrie des Spitzeinsatz und der konkaven Fläche des Projektils wurden sorgfältig optimierten Verwendung hydro-Code Computersimulationen, um die gewünschte Expansion der Flasche zu erzeugen. Verwendung 4340 Stahllegierung für die Ogive ermöglicht Experimente mit dem Zylinder bei einer Temperatur als seine Stärke ist viel höher als die Polycarbonat Geschosses über den Temperaturbereich von Interesse, wodurch der Antriebsmechanismus konsistent bleibt. Ogives von beheizten und gekühlten Experimenten gewonnen weisen nur minimale Verformung infolge des Aufpralls.
Das Erwärmen und Abkühlen des Probenzylinder wird durch den Einbau von Temperatursteuereinrichtungen in einer bearbeiteten Ausnehmung in der Rückseite des Spitzeinsatz erreicht. Zum Kühlen der Probe auf kryogene Temperaturen (~ 100 K), ist die Aussparung in der Ogive mit einem Aluminiumdeckel verschlossen und mit flüssigem Stickstoff ist fdingt beachtet durch den Hohlraum. Als Zielzylinder hat einen großen Kontaktbereich mit der Ogive die Probe wird durch Wärmeleitung gekühlt. Um den Zielzylinder zu Temperaturen von annähernd 1.000 K zu erhitzen, ist ein Keramikmaterial und Nichrom-Widerstandsheizung in der Ogive Aussparung platziert. Eine hohe Stromnetzteil liefert bis zu 1 kW, Erhitzen der Spitzbogen und Zylinder. Der Zylinder und Ogive thermisch vom Target getrennt Lagers im einstufigen Gaspistole durch den Einsatz von MACOR keramischen Abstandshaltern. Der Tank ist auch unter mäßigem Vakuum (<0,5 Torr) während des Versuchs, die thermische Manipulation hilft statt.
Um die Fragmentierung des Zylinders zu diagnostizieren, das experimentelle Design umfasst mehrere Kanäle von Frequenzwandlung PDV, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit an den Punkten entlang des Zylinders zu messen. PDV ist eine relativ neue 11, Glasfaser basiert Interferometrie, welche die Messung der Oberflächengeschwindigkeit während der hochdynamischen Ereignissen ermöglicht. Während eines PDV Messung, verschoben Doppler Licht von einer sich bewegenden Fläche von Interesse reflektiert Verwendung einer faseroptischen Sonde mit nicht-verschobene Licht kombiniert, wodurch ein Schwebungsfrequenz, die direkt proportional zu der Geschwindigkeit der sich bewegenden Oberfläche ist. Im Wesentlichen ist eine PDV-System eine schnelle Michelson-Interferometer mit Fortschritten in der Nah-Infrarot (1.550 nm) Kommunikationstechnologie auf Rekordschwebungsfrequenzen im GHz-Bereich. Das Befestigungssystem für die 100 mm Brennweite PDV Sonden in der vorliegenden Studie verwendet wird sichergestellt, dass sie von der Temperatur des Zylinders isoliert und bietet eine einfache Ausrichtung. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung der 100 mm Brennweite Sonden ist, dass sie einen ausreichenden optischen Zugang zum Aktivieren einer Hochgeschwindigkeitskamera, um das Dehnungsprofil des gesamten Zylinder zu messen. Die Anordnung und Lage der vier Sonden, AD, längs des Zylinders ist in 1 gezeigt zwei Hochgeschwindigkeitsgeräte werden hier eingesetzt. ein Hochgeschwindigkeits-Videokamera Phantom V16.10, die bei 250.000 fps und einer IVV UHSi 12/24 Framing Camera, Erfassung 24 Bilder. Die IVV Kamera ist hinterleuchtet, so dass der Zylinder in der Silhouette ermöglicht die radiale Ausdehnung Rand des Zylinders beleuchtet genau verfolgt werden. Die Phantom-Kamera ist vorne beleuchtet Abbildung des Ausfall Initiierung und Fragmentierung. Die High-Speed-Fotografie kann dann mit dem Geschwindigkeitsmessung korreliert, um Belastung und Verformungsgeschwindigkeit über die gesamte Probe zu geben. Die Hochgeschwindigkeitsabbildungs ermöglicht auch eine genaue Messung der Bruchdehnung und die Bruchmuster entlang der Fläche.
Das experimentelle Verfahren in dem folgenden Protokoll Abschnitt dargestellt stellt ein Mittel zur Steuerung der Probentemperatur in einem expandierenden Zylinder Experiment, durch die unterschiedliche Bruchmechanismen aktiviert oder unterdrückt werden. Diese Technik wird, um ein umfassenderes Verständnis der Rolle der Temperatur in dynamischer Belastung Szenarien führen.
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Protocol
1. Ziel Fertigung und Montage
- Maschinenzielzylinder zu gewünschten Abmessungen aus festen Lager.
- Bereiten Sie die Zylinderoberfläche durch Entfernen Bearbeitungsspuren. Eine gleichförmige diffuse Oberfläche ist bevorzugt PDV Reflexion. Gute Ergebnisse wurden mit einer leichten Nassschliff mit> 1.200 Körnung erhalten.
- Charakterisieren Sie die Zielbestandteile, dh, messen Sie das folgende:
Zylinderlänge, Durchmesser und Wandstärke (an mehreren Standorten)
Projektil Länge, Durchmesser
Ogive Länge, Durchmesser
Masse aller oben - Bauen Sie die Zylinderbefestigungsring und PDV Arm.
- Montieren Sie die PDV-Sonden in den kinematischen Halterungen und auf die PDV Arm.
- Einfügen der Ogive im Zielzylinders, so daß das hintere Ende des Spitzbogens bündig mit der Rückseite des Zylinders (dies sollte auf einem flachen Werkstatt durchgeführt werden). Die drei Schrauben M3 sind auf der Ogive in Position zu halten und gleichzeitig den Zylinder zu "peel away 'während der Expansion.
- Platzieren des Zielzylinders im Befestigungsmaterial, so dass der Eingang des Zylinders bündig mit der Vorderfläche des Befestigungsringes. Sichern Sie den Zylinder an Ort und Stelle mit 6 M4 Madenschrauben.
- Installieren Sie Heiz- / Kühlgerät und Anleihethermoelemente entlang der Länge des Zylinderaußenwand.
- Reinigen Sie die FC / APC (Zwinge Stecker, gewinkelt Körperkontakt) Anschlüsse am Ende der PDV-Sonde Fasern mit Reinigungstuch und überprüfen Sie mit einem Faserumfang. Dies ist wichtig, um eine Rückreflexion zu verringern.
- Verwendung eines sichtbaren (660 nm) Laserklasse 3R grob auszurichten der Sonden, so daß sie senkrecht zu der Zylinder sind (dh, das reflektierte Licht fällt wieder auf die Sonde).
- Bauen Sie ein Grundreflexionsschaltung unter Verwendung einer Umwälzpumpe. Schließen Sie das Class 1 1.550 nm Laser an Eingang 1, dem PDV Sonde an Eingang 2 und einem Leistungsmesser zur Eingabe 3. Richten Sie die PDV-Sonden wiederum so, dass der Netzzurück maximiert wird.
- Unter Verwendung der Klinkenstecker und die Tiefenmikrometer ausrichten Zielring bis zum Ende des Laufes zu Auswirkungen Neigung zu minimieren.
- Installieren Sie das Fragment Minderungssystem und die Tür Schutz.
- Legen Sie die Zielausrichtung Stecker in den Lauf.
- Installieren Sie die Zielanordnung und richten Sie an den Stecker.
- Installieren Sie den Auslöser make Paar am Ende der Trommel und eine Verbindung zum Hardware-Timing und Diagnostika. Den Abstand von der Berührung mit dem Auslöser zum Aufprall des Geschosses auf der Ogive.
- Installieren Sie die Drehspiegel für High-Speed-Fotografie.
- Richten Sie die Spiegel, um eine orthogonale Ansicht des Zylinders durch den Zielbehälter-Ports geben und einrasten.
- Richten Sie den High-Speed-Kameras und Blitzlampen außerhalb der Zieltank. Blick in den Lauf, setzen Sie den High-Speed-Kamera und einer Blitzlampe bei 3 Uhr gegenüber dem Zylinder. Setzen Sie den IVV-Kamera bei 9 Uhr undein anderer Blitzlampe bei 12 Uhr. In dieser Konfiguration wird der Hochgeschwindigkeitskamera vorne beleuchteten zur Rissverfolgung und die IVV wird silhouetted Bilder für Kantenerkennung bieten.
- Schließen Sie Heiz- / Kühlanlagen zum Ziel und Vakuumdurchführungen.
- ACHTUNG: Mit der entsprechenden Brillen und andere Vorsichtsmaßnahmen schalten Sie die Klasse IV Laser, Oszilloskope und PDV-Systeme.
- Überprüfen Sie die Leistungspegel an den PDV Sonden gesendet. Mit der PDV-System, in der Regel verwenden um 5 mW zu jeder Sonde mit 1 mW pro Kanal für den Hinweis.
- Überprüfen Sie die Ausrichtung der PDV-Sonden mit einem Leistungsmesser. Einmal mit der Ausrichtung Mit IR Karte zufrieden zu messen, wo die PDV-Sonden werden auf der Zylinderoberfläche suchen.
- Schalten Sie das Referenzlaser und überprüfen die Qualität der Überlagerungssignale von jeder Sonde gegeben. Stellen Sie die Wellenlänge des Lasers (n), um die gewünschte Geschwindigkeit Null Schwebungsfrequenz gesetzt (setzen Sie diese um 5 GHz).
- Einmal mit der Ziel ali zufriedengnment, Triggerstelle, Kamera und Spiegelausrichtung, PDV Sonde Ausrichtung und Lage und die Milderung Rahmen schließen Sie die Zielbehälter.
- Entfernen Sie die Ausrichtung Stecker; Installieren Sie das Projektil.
- Setup-Kameras und Beleuchtung (Bildrate, Belichtung, Zeitpunkte) und führen Test Bildgebung. Typische Bildraten sind rund 250.000 Bilder / s für beide Kameras mit einer Belichtungszeit von etwa 0,5 & mgr; s. Das erste Bild wird normalerweise zeitlich mit dem Zeitpunkt des Aufpralls zusammenfallen.
3. Firing Vorbereitung
- Installieren Sie die Verschlussblenden, die für den Aktivierungsdruck erforderlich sind.
- Schließen Sie den Verschluss und beginnen Evakuierung der Zielbehälter. Ziel für eine Unterdruckniveau in der Region von 50 mTorr.
- Durchführung der endgültigen Einstellung aller Diagnostik (Oszilloskop Verzögerungen, Trigger, Kameraeinstellungen etc.). Set-Oszilloskope für PDV bei 50 & mgr; s pro Teilung, 25 ps pro Punkt und eine Pretrigger von 20%, um eine 500 & mgr; s Fenster geben. Auslöser der oscilloscopes und Kameras, so dass Null-Zeit identisch mit dem Zeitpunkt des Aufpralls.
- Schlussauslösetest; Check Zeiten sind korrekt.
- Schalten Sie Lasern; Arm-Kameras.
- Schließen Zimmer; Sicherstellung Laser und Hochdruckverriegelungen sind in die richtige Position.
- Beginnen Heizen / Kühlen, wie mit Hilfe der LabVIEW-Software erforderlich.
- Laden Sie die Pistole auf die erforderliche Aktivierungsdruck.
- Wenn bei einem Druck, machen eine letzte Kontrolle, dass alle Diagnosesysteme sind bewaffnet.
- Isolieren Sie die Heiz- oder Kühlvorrichtung.
- Countdown "3, 2, 1 Feuer".
- Vent die Zielerfassung und Tanks.
- Speichern Sie alle Oszilloskop und Kameradaten.
4. Beitrag Aufnahme
- Fahren Sie Lasern und warten, bis die Waffe voll auf Atmosphäre auszugleichen.
- Öffnen Sie die Zielbehälter, sammeln Sie alle Metallteile und sortieren, die Ti-6Al-4V.
5. Datenanalyse
- Führen STFT-Analyse auf der PDV-oscilloscope Daten, um die Geschwindigkeit der Geschichte nach der Analyse von Ao und Dolan 12 zu reduzieren.
- Verfahren Hochgeschwindigkeitsbilddaten mit einer Software, wie beispielsweise in der Hardware-Tabelle genannt. Die High-Speed-Kamera-Aufnahmen wird Zeit und Bruchdehnung liefern und die eine Analyse der Rissbildung und Wachstum. Die Silhouette Bilder von der IVV eine klare Kante, um die volle Deformationsprofil des Zylinders zu prüfen.
- Messen und wiegen erholt Fragmente. Wählen Fragmente mit interessanten Features wie verhaftet Frakturen und bereiten sie für die Mikroskopie.
- Section, montieren und polieren die Fragmente; dann analysiert im Elektronenmikroskop. Electron Backscatter Diffraction bietet Informationen über Struktur und Mikrostruktur neben Sekundärelektronen-Bildgebung, um die Bruchflächen zu untersuchen und zu identifizieren, die Fehlermodus.
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Representative Results
Die Qualität der Daten werden zunächst über die experimentelle Zeit abhängen. Wenn die Verzögerungen vom Auslöser, um Auswirkungen richtig sind dann die Blitzlampen produzieren wird genug Licht, wenn der Zielzylinder beginnt, sich zu verformen, so dass die Hochgeschwindigkeitskameras, um klare Bilder zu erzeugen. In diesem Fall werden die Bilder von dem Framing Kamera ein klares silhouettiertem Kante, die verwendet werden können, um die Verformung des gesamten Zylinder zu verfolgen. Software wie ImageJ kann zur lineout Daten für jeden Rahmen zu extrahieren, wodurch ein Bild, wie in Abbildung 2 werden. Idealerweise wird der PDV in der Lage, die Expansionsgeschwindigkeit zu ~ 100 & mgr; s zu ermitteln, werden diese auf der Oberfläche des Zylinders ab, und die Ausrichtung der Sonde. Für ein gegebenes Experiment die PDV und lineout Daten können gegeneinander mit Hilfe der vier bekannten Punkten aus der PDV in das Bild überprüft werden. Mit dieser Kombination ein genaues Maß für den Radius oder radiale Dehnung an jedem Punkt entlang der Zylinderlänge kannextrahiert, Fig. 3 zeichnet die radiale Expansionsgeschwindigkeit an zwei Punkten entlang der Länge des Zylinders, Vergleichen Experimenten bei 150 K und 800 K. Man kann sehen, dass die gekühlten Zylinder weniger Verzögerung nach dem Spitzengeschwindigkeit, was darauf hindeutet Fraktur initiiert früher führenden ein Verlust an Festigkeit in dem Zylinder. Die Radialgeschwindigkeit wird dann im Laufe der Zeit, um die radiale Verschiebung an den von den Sonden beobachteten Punkte verringern integriert, Fig. 4 zeigt ein Beispiel für das für die gekühlte Zylinder. Bilder von der Hochgeschwindigkeitsvideo sollte klar genug, um Brucheinleitung und Rissausbreitung zu erkennen sein, wie in Figur 5 ersichtlich. Daraus extrahiert man die zeitliche Aktivierung des Bruch und müssen die Anzahl der Risse um den Zylinder mit der Zeit als die andere Seite des zu extrapolieren der Zylinder ist nicht sichtbar für die Kamera, Fig. 5 ist ein Beispiel für einen gut beleuchteten Bild, welches mehrere Längsbrüche entlang des Zylinders.
Abb. 1: Versuchsgeometrie oben, links: Grundeinheit, welche Position der PDV-Sonden entlang des Zylinders. Oben, rechts: Ogive Modifikationen zum Kühlen und Heizen des Zylinders. Unten: beheizten Zylinder Experiment auf der Gaskanone installiert. Schwarz-Kabel sind Leistung für die Heizwendel. Thin black / white Kabel Thermoelemente. PDV-Sonden sind an der Unterseite sichtbar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: Lineout Daten von Hochgeschwindigkeitsabbildungs eines 300 K Spreizzylinder Experiment bei einer Reihe von Zeitpunkten nach der Schlag extrahiert.
Fig. 3: Radialexpansionsgeschwindigkeit mit PDV für einen 150 K (fest) und 800 K (gepunktet) Spreizzylinder Die an zwei Punkten entlang der Zylindergekühlten Zylinder weniger Verzögerung, nachdem die Spitzengeschwindigkeit hindeutet Fraktur früher eingeleitet.
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Abbildung 4: 150 K Ausbau Zylinderdurchgezogene Linien:. Bei 4 Punkten entlang der Zylinderlänge akkumuliert radiale Belastung. Gestrichelte Linien: Anzahl der sichtbaren Bruchstellen von den Hochgeschwindigkeitskamera-Daten.
Abb. 5: Auszug aus High-Speed-Video (Video 1) aufgezeichneten 150 K expandierenden Zylinder.
Video 1: High-Speed-Video eines expandierenden 150 K Zylinder Experiment Projektilgeschwindigkeit 1.000 m / sec.. Rahmung:. 1 Bild alle 10 & mgr; s, 0,7 & mgr; s Belichtungs Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen.
Video 2: High-Speed-Video eines expandierenden 650 K Zylinder Experiment Projektilgeschwindigkeit 1.000 m / sec.. Rahmung: 1 Rahmen jeder 4,7 & mgr; s, 0,7 & mgr; exposure. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen.
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Discussion
Dieses Verfahren ermöglicht die Untersuchung von Werkstoffen bei hohen Zugbelastung über einen weiten Temperaturbereich von Tieftemperatur bis ~ 1.000 K, einzigartig in diesem Design. Dies erhöht jedoch gewisse Herausforderungen für den Versuchsaufbau und Durchführung. Erstens die Optimierung der Temperatursteuerung die Ogive Einsatz muss aus einem geeigneten Material gefertigt werden. 4340 Stahl wird hier verwendet, obwohl jede Hochtemperatur-Härte Stahl sollte ausreichen. Ebenso, da die gesamte Expansion ist nun aus dem Polymer Projektil Ursprung dies muss aus einem nicht-spröden Kunststoff wie die maschinen Polykarbonat in dieser Arbeit durchgeführt werden.
Es ist wichtig, um eine enge mechanische Passung zwischen dem Einsatz und dem Zylinder aufweisen, um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten. Es muss darauf geachtet werden, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Zielzylinders nicht in der Nähe des Einsatzes. Wenn zum Beispiel der Zylinder ist spröde mit einer niedrigen thermischen Ausdehnung (wie Keramik) ter Expansion des Einsatzes könnte beschädigt werden oder sogar den Zylinder zu knacken. Aus dem gleichen Grund das Epoxidharz verwendet, um die Thermoelemente an dem Zylinder zu verbinden müssen den zu erwartenden Temperaturen und die Bewegung des Zylinders zu widerstehen, wie sie erwärmt / abkühlt. Schließlich ist die thermische Isolierung des Ziels von dem Befestigungssystem wichtig, da sonst Wärmekonditionierungs macht Temperatursteuerung schwierig und kann damit beginnen, sich negativ auf die PDV-Sonden und Zielausrichtung.
Die Einschränkungen dieser Technik sind abhängig von den Geschoßabschußeinrichtungen vorhanden. Die radialen Dehnungsraten, die erreicht werden können, sind eine Funktion der Geschossgeschwindigkeit und der Zylinderdurchmesser. Kleinere Zylinder benötigen unteren Geschossgeschwindigkeiten, sondern können dann begrenzen die Anzahl der Frakturen beobachtet. Genaue Messung der Expansionsgeschwindigkeit erfordert eine hochwertige Laser-Geschwindigkeitsmessung auf der Basis System wie dem hochgeschalteten PDV hier oder einem Mehrfachpunkt VISAR.
Zukunft applictionen sind die Untersuchung der Auswirkungen der Temperatur auf die Bruchmechanismen und resultierende Fragmentierungsverhalten von Materialien bei hohen einheitlichen Zugbelastung. Während des Experiments wird besonders zu Metallen aufgrund der reflektierenden Oberfläche ermöglicht PDV Messungen kann auf einen Bereich von Materialien trägt, könnte, wenn die Fläche richtig hergestellte werden. Diese Arbeit bei hohen und niedrigen Temperaturen ist für andere Antriebsmechanismen für den Ausbau der Zylinder derzeit nicht verfügbar, und wird andere Zugversuch Mechanismen, die für die weitere und genauere Bevölkerungs / Kalibrierung von Materialmodellen und Hydrocodes zu beglückwünschen.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 version |
| 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 (Custom order) |
| PDV System | Built in-house by the Institute of Shock Physics | Custom Build | 3rd Generation (Upshifted) 8 Channel Portable PDV System |
| Control Software | National Instruments | LabVIEW 2013 | |
| Control Hardware for heating | National Instruments | NI-DAQ 6009 USB | |
| Heating Power Supply | BK Precision | BK1900 | |
| Thermocouple Logger | Pico Technology | TC-08 | |
| 100 mm Single Stage Light Gas Gun | Physics Applications, Inc. (PAI) | Custom Build | Capable of at least 1,000 m/sec with ~2 kg projectile |
| Image analysis software | National Institutes of Health | ImageJ | Open source, free |
| Image analysis software | Mathworks | MATLAB r2014a | With image processing toolboxes |
| Material sectioning saw | Struers | Accutom-50 | |
| Electron Microscope | Zeiss | Auriga | |
| Electron Backscatter Diffraction | Bruker | e-Flash 1000 | |
| EBSD software | Bruker | eSprit |
References
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- Liao, S. C., Duffy, J. Adiabatic shear bands in a Ti-6Al-4V titanium alloy. J. Mech. Phys. Solids. 46 (11), 2201-2231 (1998).
- Mott, N. F.
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