Abstract
身体の動的な破壊は、典型的には、試料が均一な応力と歪み速度の下で変形された簡略化条件下で研究後期現象です。これは均等にシリンダの内面をロードすることによって製造することができます。シリンダー拡大に伴いによる軸対称に、壁が周囲に均一である引張フープ応力に配置されます。そのような爆発物、電磁駆動、この拡張を生成するための様々な技術、及び既存のガス銃技術があるが、それらはすべてのサンプルシリンダーを室温でなければならないという事実に制限されています。我々は一貫し、反復可能な負荷で800 Kに150 Kからシリンダーの実験を容易にガス銃を使用して新しい方法を提示します。これらの高度に診断された実験は、骨折の失敗の原因となるメカニズム、および断片化の統計上のその結果の影響に対する温度の影響を調べるために使用されます。実験的形状が採用スチールオジーブはで約半分の位置先端で、目標シリンダの内側に位置する。単段軽ガス銃はその後千メートル/秒でシリンダー内にポリカーボネート発射を起動するために使用されている-1。発射の影響とは、内側からサンプルシリンダーを駆動し、剛性オジーブの周囲を流れます。非変形オジーブインサートの使用は、私たちは、シリンダの背面内部の温度制御ハードウェアをインストールすることができます。液体窒素（LN 2）は、冷却および加熱用抵抗高電流負荷のために使用されます。高速撮像が失敗に歪みを測定するために使用されるアップシフト光子ドップラー流速（PDV）の複数のチャネルは、コンピュータシミュレーションの直接比較を可能にするシリンダーに沿って膨張速度を追跡します。回収されたシリンダーの断片は、故障メカニズムを把握するために、光学顕微鏡および電子顕微鏡の対象となっています。
Introduction
材料の動的な障害は、その全体的な機械的挙動の重要な側面であり、少数を示すために、自動車、航空宇宙、および軍事を含む多数の産業との関連性を持っています。低い歪み率で故障は、典型的には、細長いサンプルが両端からの張力にロードされ、高歪み速度で、このような幾何学的形状/構成を維持するために非常に小さくなるようにサンプルを必要とする、従来の引張試験により検討されているが試験全体を通して擬似機械平衡。単一亀裂の外観では、周囲の材料を効果的に隣接する故障部位の進行を止めること、緩和されます。これは同時に、いずれかの実験で観察することができる骨折の数を制限し、そして決定されるべき障害の統計に関する重要な情報を防ぎます。
拡大シリンダテストは、マテリア方法を特徴付けるための十分に確立された技術でありますLSは、高速負荷の下で失敗し、フラグメント。試験では、関心のある材料からなる円筒を均一に壁を通して応力波を起動し、拡大するシリンダーを引き起こし、その内周に沿ってロードされます。すぐにこのラジアル波が散逸すると周囲に均一な引張フープ応力が支配的。応力とひずみ率と破壊と断片化挙動は、材料の性質のみによって支配されたシリンダの周りに同じです。典型的には、大きなサンプル周囲が均一な応力1で複数の故障部位の開始を促進するような試験は、上記の問題を軽減します。
この実験的な手法を開発する際の主な目的は、拡大し、シリンダの破壊と断片化挙動の温度の役割の研究を可能にすることでした。試料温度の制御はどのように動的引張強度、破壊機構、およびfragmの調査を可能にします材料のentationの動作が影響を受けます。金属の例では、温度の上昇は、最終的に失敗する前に、より多くの塑性加工を収容し、延性破壊の脆性からのシフトを引き起こす可能性があります。例えばTi-6AL-4Vのようないくつかの材料はまた、断熱せん断局在2を示すことができます。試料が変形しながら、プラスチック作業が発熱します。この温度上昇の結果としての軟化率が変形から加工硬化率よりも大きい場合には塑性変形の大きな量が非常に局所的なバンド（断熱せん断帯）で生じる場合、不安定に形成することができます。この応答は、その熱伝導率が低いとのTi-6AL-4Vに促進され、潜在的にこのような軽量装甲などのアプリケーションにその有効性を制限することができます。
この新しいテスト手法は、主に2つの基準を満たさなければなりません。第一に、この方法は、10 4秒-1、典型的には弾道に見られる程度でラジアル歪率を生成しなければならないと衝撃事象は、より伝統的なローディング方式を採用する以前の研究との比較を可能にします。次に、駆動機構は、実験間の一貫性を保証するために、試料温度の影響を受けないことが必要です。最初のシリンダー膨張機構は、どちらかだけで直接サンプルシリンダー3-5を充填又は中間ドライバを使用して、爆薬を使用していました。後者の場合、バッファは、サンプルが順番に炸薬を含んでいるスチールシリンダーの上に配置された6、使用されています。明らかな制限は、サンプルシリンダーが含まれているように、シリンダを加熱する（爆発の形で）ドライブ材料は、電荷を加熱することです。これは直接充電の開始を引き起こさないかもしれないが、爆発性の多くの種類がサンプルシリンダーから溶融したポリマーバインダー材料を含んでいます。冷却されると同様に、いくつかの爆発物は非常に敏感になります。これは爆発ドライブは、温度試験には適していないことを意味します。代替案この方法は、拡張のためにローレンツ力を使用する-サンプルは、ドライバコイル7,8の上に配置される高電流は、サンプル中の反対の電流を誘導する、この駆動コイル（通常は太い銅線）に注入されます。これらの対向する電流は、磁気圧力は、内面から外側サンプルを駆動する、互いに作用する磁界が関連付けられています。ここでも、材料を加熱すると、悪影響サンプル内の銅駆動コイルに影響します。ガス銃は1970年代後半9は 、シリンダの拡張のために使用されています。これらの実験では、シリンダに挿入するために使用される材料は、ドライブが衝撃で変形発射体インサートの両方の結果として、今後、ポリマーです。この挿入は、典型的には、ゴム又はプラスチック10、深刻な温度に影響されるの強度と延性です。加熱は、インサートが柔らかすぎるようになり、冷却は、それが途中で失敗したので、それは脆いように動作になります。
実験的形状は円筒の長さに沿って約半分の位置先端で、目標シリンダの内部に取り付けられオジーブ鋼で構成されています。単段軽ガス銃はその後千メートル/秒までの速度でシリンダー内に凹面を有するポリカーボネート発射を起動するために使用されている-1。ターゲットの軸がシリンダーを注意深く再現性と均一な負荷を容易にするために、ガス銃筒の軸に整列されています。 POの影響とその後の流れ擬似硬質スチールオジーブ周りlycarbonate発射は、内壁からの展開に、シリンダを駆動します。オジーブインサートと発射体の凹面の形状は慎重シリンダの所望の拡大を生成するために、ハイドロコードの計算機シミュレーションを用いて最適化しました。オジーブための4340合金鋼を使用することで、その強さは、目的の温度範囲にわたってポリカーボネート発射体よりもはるかに高くなるように、駆動機構を確実にする一貫性のあるままである温度でシリンダーに実験を可能にします。加熱と冷却の実験から回収Ogivesのみ影響の結果として、最小限の変形を示します。
サンプルシリンダーの加熱および冷却は、オジーブインサートの背面の凹部内に機械加工された温度制御ハードウェアをインストールすることによって達成されます。低温（約100 K）にサンプルを冷却するため、オジーブの凹部は、アルミニウムキャップで密封し、液体窒素がfであります空洞を通ってlowed。対象気筒としては、試料が伝導によって冷却されるオジーブとの大きな接触面積を有しています。千Kに近い温度に目標シリンダを加熱するために、セラミックやニクロム抵抗ヒータはオジーブ凹部内に配置されています。高電流電源はオジーブとシリンダーを加熱し、1キロワットまで提供しています。シリンダとオジーブが熱ターゲットから隔離されているがMACORセラミックスペーサーを使用することにより、単一の段ガス郡にマウントします。タンクは、熱操作を助ける実験中に適度な真空（<0.5トル）下に保持されています。
シリンダのフラグメンテーションプロセスを診断するために、実験計画は、シリンダに沿った点における拡張速度を測定するために、周波数変換PDVの複数のチャネルを含みます。 PDVは非常にダイナミックな事象の間の表面速度の測定を可能にする比較的新しい11、光ファイバベースの干渉技術であります。 PDVの測定中、ドップラー光は、光ファイバプローブを用いて目的の可動表面から反射シフトは、移動表面の速度に正比例するビート周波数を生成する、非シフト光と組み合わされます。基本的に、PDVシステムはGHzの範囲内のレコードのビート周波数に近赤外（1,550 nm）の通信技術の進歩を使用して、高速マイケルソン干渉計です。現在の研究で使用さ100ミリメートルの焦点距離PDVプローブの取り付けシステムは、それらがシリンダの温度から隔離されていることを確実にかつ容易に位置合わせを提供します。 100ミリメートルの焦点距離プローブを使用することのさらなる利点は、それらが全体の気筒の膨張特性を測定するために、高速撮影を可能にするのに十分な光アクセスを提供することです。シリンダに沿って配置し、4つのプローブの位置、ADは、 図1に示されている二つの高速カメラはここで使用されます。高速ビデオカメラファントムV16.10 250,000 FPSとIVV UHSi 12/24フレーミングカメラで動作する24画像を取り込みます。 IVVカメラは、シリンダを正確に追跡する円筒の半径方向に拡大エッジを可能にシルエットで照明されるようなバックライト付き。ファントムカメラが故障開始と断片化のプロセスを画像化照らさフロントです。高速度撮影が次にサンプル全体に沿って歪み及び歪み速度を与える速度測定と相関させることができます。高速イメージングはまた、障害の歪みや表面に沿って破壊パターンの正確な測定を可能にします。
以下のプロトコルのセクションで提示実験技術は、異なる破壊機構が活性化または抑制することができるを通じて拡大筒実験における試料温度を制御する手段を提供します。この技術は、動的ロード·シナリオ内の温度の役割をより包括的に理解することにつながります。
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Protocol
1.ターゲットの作製とアセンブリ
- 固体ストックから所望の寸法に機械対象気筒。
- 加工痕を除去することにより、円筒面を準備します。均一な拡散面がPDV反射好ましいです。良好な結果が> 1200グリットの光水研で得られています。
- 次の測定、 すなわち 、標的成分を特徴付けます：
（複数の場所で）シリンダー長さ、直径および壁の厚さ
発射体の長さ、直径
オジーブ長さ、直径
上記のすべての質量 - シリンダ取付リングとPDVアームを組み立てます。
- キネマティックマウントおよびPDVアーム上にPDVプローブをマウントします。
- オジーブの後部がシリンダの背面と面一になるように目標シリンダにオジーブを挿入し（これはフラットなワークショップで行われるべきです）。剥離AW」にシリンダーを可能にしながら、3本のM3ネジを所定の位置にオジーブを保持するように設計されています拡張時AY」。
- シリンダーの入り口が取り付けリングのリーディング面と面一になるように取り付け金具で目標シリンダを配置します。 6 M4の止めねじで所定の位置にシリンダーを固定します。
- シリンダ外壁の長さに沿って加熱/冷却装置と結合熱電対を取り付けます。
- ファイバークリーニングクロスとPDVプローブファイバの端にFC / APC（フェルールコネクタ、角度の付いた物理的な接触）コネクタを清掃し、ファイバースコープで確認してください。これは、後方反射を低減することが重要です。
- 彼らは（ すなわち 、反射光がプローブ上にフォールバック）は、シリンダに正常であるように見える（660 nm）のクラス3Rのレーザーを使用すると、ほぼプローブの位置を合わせます。
- サーキュレータを使用して、基本的な反射回路を組み立てます。入力1のクラス1 1,550 nmレーザー、PDVプローブは、入力3に入力2とパワーメータに接続し、返された電力が最大となるように順番にPDVプローブの位置を合わせます。
- バレルプラグと深さマイクロメーターを用いて、衝撃傾きを最小化するために、バレルの最後にターゲットリングを合わせます。
- フラグメント緩和システムとドア保護をインストールします。
- バレル内のターゲットアライメントプラグを配置します。
- ターゲットアセンブリをインストールし、プラグに合わせます。
- バレルの端にトリガメイクのペアをインストールし、タイミングハードウェアおよび診断に接続します。オジーブに発射の影響をトリガーとの接触からの距離を測定します。
- 高速撮影用の反射鏡を取り付けます。
- 目標タンクポートを介してシリンダの直交ビューを提供し、所定の位置にロックするために、ミラーの位置を合わせます。
- ターゲットタンク外に高速カメラとフラッシュランプの位置を合わせます。バレルを見下ろすと、シリンダに比べて3時位置に高速度カメラと一つのフラッシュランプを配置します。 9時位置にIVVカメラを配置し、12時位置に別のフラッシュランプ。この構成では、高速度カメラはフロントライト亀裂追跡のためになり、IVVは、エッジ検出のためのシルエット画像を提供します。
- ターゲットとする加熱/冷却装置や真空フィードスルーを接続します。
- 注意：適切なアイウェアやその他の注意事項では、クラスIVレーザー、オシロスコープやPDVシステムの電源をオンにします。
- チェック電力レベルは、PDVプローブに送信されます。 PDVシステムでは、一般的に参照するためのチャネルあたり1ミリワットで各プローブに約5ミリワットを使用しています。
- パワー·メータとPDVプローブの配置を確認してください。 PDVプローブは円筒面上に見ている場所を測定することは、アライメント用IRカードで一度満足しています。
- 基準レーザをオンにして、各プローブによって与えられたビート信号の品質を確認してください。 （5 GHzの周りにこれを設定）は、所望のゼロ速度のビート周波数を設定するために、レーザ（複数可）の波長を調整します。
- ターゲットアリで一度に満足gnment、トリガ位置、カメラとミラーの位置合わせ、PDVプローブのアライメントおよび位置と緩和フレームが目標タンクを閉じます。
- アライメントプラグを外します。発射をインストールしてください。
- セットアップは、カメラと照明（フレームレート、露光、タイミング）とテスト撮影を行います。典型的なフレームレートは、約0.5マイクロ秒の露出で、25万フレーム/両方のカメラのために秒です。最初の画像は、通常、インパクトの瞬間と一致するようにタイミングを合わせています。
3.発射準備
- 必要な燃焼圧力にも適用可能である逆子ダイアフラムをインストールします。
- 逆子を閉じて、ターゲットタンクの排出を開始します。 50ミリトールの領域における真空レベルを目指します。
- すべての診断（オシロスコープの遅延、トリガー、カメラ設定など ）の最終的なセットアップを実行します。目盛り当たり50マイクロ秒、ポイントごとに25ピコ秒と500マイクロ秒のウィンドウを与えるために、20％のプレトリガでPDVの設定オシロスコープ。 Oトリガゼロ時間が衝撃の時刻と一致するようにscilloscopesやカメラ。
- 最終トリガー試験;チェックタイミングが正確です。
- レーザーをオンにします。アームカメラ。
- 閉じる部屋;レーザーと高圧インターロックを確保することが正しい位置にあります。
- LabVIEWソフトウェアを使用して、必要に応じて加熱/冷却を開始します。
- 必要な燃焼圧力に銃を充電してください。
- 圧力で、最終的なチェックを行うと、すべての診断システムが武装していること。
- 加熱または冷却装置を分離します。
- カウントダウン "3、2、1 FIRE」。
- ターゲットとキャプチャタンクベント。
- すべてのオシロスコープとカメラのデータを保存します。
4.ポストショット
- レーザーをシャットダウンし、完全な雰囲気で均等化するために銃を待ちます。
- 、ターゲットタンクを開き、すべての金属片を収集したTi-6AL-4Vを整理。
5.データ解析
- PDV OS上STFT解析を行いますcilloscopeデータはアオとドーラン12の解析ごとに速度履歴を低減することができます。
- 機器の表に記載のようなソフトウェアで処理の高速撮像データ。ハイスピードカメラの映像は、故障時間とひずみを提供し、亀裂の形成と成長の分析を可能にします。 IVVのシルエット画像は、シリンダーの完全変形プロファイルを調べるために明確なエッジを提供します。
- 回収された断片を測定し、比較検討します。このような逮捕骨折などの興味深い機能を有する断片を選択し、顕微鏡検査のためにそれらを準備します。
- セクションでは、マウント、およびフラグメントを磨きます。その後、電子顕微鏡で分析します。電子後方散乱回折は、破断面を調査し、故障モードを識別するために、二次電子像と一緒にテクスチャ及び微細構造に関する情報を提供します。
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Representative Results
データの品質は、まず実験のタイミングに依存します。トリガーからの衝撃に遅延が正しい場合、フラッシュランプは、鮮明な画像を生成するために、高速カメラを可能にする、目標シリンダが変形し始めるときに十分な光を生成するであろう。この場合、フレーミングカメラからの画像は全気筒の変形を追跡するために使用することができる明確なシルエットエッジを有することになります。例えば、ImageJのようなソフトウェアは、図2のように画像を生成する、各フレームのデータラインアウトを抽出するために使用することができる。理想的には、PDVは約100マイクロ秒の展開速度を追跡できるようになり、これはシリンダーの表面仕上げに依存し、そしてプローブの整列。所定の実験のためにPDVとラインアウトデータは、画像内のPDVからの4つの既知のポイントを使用して、1つ別のに対して検証することができます。この組み合わせにより、シリンダの長さに沿った任意の点における半径または放射状歪みの正確な測定をすることができます抽出された。我々は、冷却シリンダは破壊が以前につながる開始している示唆し、ピーク速度の後に以下の減速を持っていることを見ることができる150 Kと800 Kでの実験を比較すると、3プロットに円筒の長さに沿って2つの点で、半径方向膨張速度を図シリンダ内の強度の損失。半径方向速度は、次にプローブによって観察点での半径方向の変位を低減するために時間をかけて一体化されている。 図4は、冷却された気筒については、この例を示します。高速ビデオからの画像は、図5に見られるように、破壊開始を識別し、亀裂伝播するのに十分明確にする必要があります。このことから、我々は骨折の時間的な活性化を抽出し、他の側面として、時間の経過とともに、シリンダ周りのクラック数を推定する必要がありますシリンダーは、カメラには見えない。 図5は 、シリンダに沿って複数の長手方向の骨折を示し、明るい画像の一例です。
図1：実験ジオメトリトップ、左：基本アセンブリを、シリンダーに沿ってPDVプローブの位置を示します。上、右：冷却とシリンダーを加熱するためのオジーブ修正。下：ガス銃にインストール加熱筒実験。黒のケーブルは、加熱コイル用の電源です。細い黒/白のケーブルが熱電対です。 PDVプローブ下部に表示されている。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図2：衝突後の時間の範囲における筒実験を拡大する300 Kの高速イメージングから抽出されたデータラインアウト。
図3：150 K（固体）と800 K（点線）拡大気筒ザ用のシリンダーに沿って2箇所でPDVで測定ラジアル膨張速度は、ピーク速度を示唆している破壊が先に開始した後にシリンダが少ない減速を持って冷却しました。
ig4.jpg "/>
図4：150 K拡張シリンダー実線：シリンダー長さに沿って4点で蓄積ラジアル株。点線：ハイスピードカメラデータから見える骨折部位の数。
図5：高速ビデオ（動画1）からの抜粋は、シリンダを拡大し150 Kを記録しました 。
動画1：拡張150 Kシリンダー実験発射速度千メートル/秒の高速ビデオ 。フレーミング：1画像ごとに10マイクロ秒、0.7マイクロ秒の露出はこのビデオを見るにはこちらをクリックしてください。
ビデオ2：拡張650 Kシリンダー実験発射速度千メートル/秒の高速ビデオ 。フレーミング：1フレームごとに4.7マイクロ秒、0.7マイクロ秒の電子xposure。 このビデオを見るにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
このメソッドは、このデザインに特有の、〜千Kの極低温から、広い温度範囲にわたって引張荷重率の高さにある資料の調査を可能にします。しかし、これは実験と実行に特定の課題が追加されます。まず、オジーブインサートが適切な材料から機械加工される必要がある温度制御を最適化します。任意の高温高硬度鋼は十分ですが、4340鋼は、ここで使用されます。全体の拡張ドライブがポリマー発射から発信されるように同様に、これは、この作品で機械グレードのポリカーボネートなどの非脆性プラスチックから作られる必要があります。
これは、良好な熱的接触を確保するために、インサートとシリンダーとの間の緊密な機械的にも適合することが重要です。対象気筒の熱膨張係数は、インサートの近くにない場合には注意が必要です。例えば、シリンダ（セラミックなど）、低熱膨張Tと脆性である場合彼インサートの拡大が損傷し、あるいはシリンダーを割ることができます。同じ理由で、シリンダの熱電対を結合するために使用されるエポキシ樹脂は、それが/冷却加熱するように予測温度とシリンダの動きに抵抗することができなければなりません。最後に、取り付けシステムからターゲットの熱的分離は、温度制御が困難になり、悪影響PDVプローブとターゲットアライメントに影響を及ぼし始めることができる浸漬さもなければ熱、重要です。
この技術の制限は、利用可能な弾丸の発射施設に依存しています。達成することができるラジアル歪速度は発射速度とシリンダ直径の関数です。小さいシリンダが低い発射速度を必要とするが、その後観察骨折の数を制限することができます。膨張速度の正確な測定は、ここにアップシフトPDVまたは複数のポイントVISARとして品質のレーザーベースの速度測定システムを必要とします。
将来APPLICationsは破壊メカニズムと均一な引っ張り歪率の高さにある資料の得られる断片化挙動に対する温度の影響を検討しています。実験によりPDV測定を可能にする反射面を金属に特に適しているが、表面が適切に準備されている場合には、材料の範囲に適合させることができます。高温および低温でのこの作品は、シリンダを拡大するため、現在、他の駆動機構には使用できません、と材料モデルとhydrocodesのさらに、より正確な人口/キャリブレーションを可能にする他の引張試験メカニズムを補完します。
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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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