Caracterización de materiales de tipo cepa intermedia con correlación Digital de imágenes

Resumen

Aquí presentamos una metodología para la caracterización dinámica de muestras de resistencia a la tracción en las tasas de tensión intermedio utilizando un marco de carga servo-hidráulico de alta velocidad. También se definen los procedimientos para la instrumentación de la galga de tensión y análisis, así como para medidas de tensión de correlación digital de imágenes en las muestras.

Resumen

La respuesta mecánica de un material bajo carga dinámica es típicamente diferente de su comportamiento en condiciones estáticas; por lo tanto, el equipo cuasiestático común y procedimientos utilizados para la caracterización de materiales no son aplicables para materiales bajo cargas dinámicas. La respuesta dinámica de un material depende de su velocidad de deformación y se categoriza ampliamente en alto (es decir, mayor que 200/s), intermedio (es decir, 10−200/s) y baja tensión tarifa regímenes (es decir, por debajo de 10/s). Cada uno de estos regímenes requiere instalaciones específicas y protocolos de pruebas asegurar la confiabilidad de los datos adquiridos. Debido al acceso limitado a instalaciones de servo-hidráulico de alta velocidad y protocolos de prueba validados, hay una brecha notable en los resultados en el grado de deformación intermedias. El manuscrito actual presenta un protocolo validado para la caracterización de diferentes materiales a estas tasas de esfuerzo intermedio. Galgas extensométricas instrumentación y protocolos de correlación digital de imágenes también están incluidos como módulos de conexión para extraer el máximo nivel de datos detallados de cada prueba individual. Ejemplos de datos en bruto, obtenida de una variedad de materiales y configuraciones de prueba (por ejemplo,, resistencia a la tracción y cizallamiento) se presenta y se describe el procedimiento de análisis utilizado para procesar los datos de salida. Finalmente, se discuten los retos de caracterización dinámica mediante el protocolo actual, junto con las limitaciones de las instalaciones y métodos de superación de problemas potenciales.

Introducción

Mayoría de los materiales demuestra algún grado de dependencia del tipo de cepa en su comportamiento mecánico¹ y, por lo tanto, no es adecuado para determinar las propiedades del material para dinámica pruebas mecánicas realizadas sólo en las tasas de deformación cuasiestática aplicaciones. La dependencia del tipo de cepa de materiales típicamente se investiga utilizando cinco tipos de sistemas de prueba mecánicos: marcos de carga de disco tornillo convencional, sistemas servo-hidráulico, sistemas servo-hidráulico de alta velocidad, probadores de impacto y sistemas de barra Hopkinson ¹. barras Hopkinson de fractura han sido una facilidad para la caracterización dinámica de materiales durante los últimos 50 años². También ha habido esfuerzos para modificar barras Hopkinson para probar en las tasas de tensión intermedio e inferior. Sin embargo, estas instalaciones son típicamente más convenientes para las caracterizaciones de la tarifa de alta tensión del material (es decir, suele ser mayor que 200/s). Existe un vacío en la literatura en la caracterización de tipo de cepa de propiedades del material en las tasas de tensión intermedio en la gama de 10−200/s (es decir, entre deformación cuasiestática y alta tasa de split Hopkinson bares³), que es debido a el acceso limitado a servicios y la falta de procedimientos confiables de tensión intermediaria tasa prueba material.

Un marco de carga servo-hidráulico de alta velocidad aplica carga al espécimen a una velocidad constante y predefinido. Éstos cargan Marcos beneficio de un adaptador de flojos, que, en ensayos de tracción, permite la cruceta alcanzar la velocidad deseada antes de que la carga comience. El adaptador de holgura permite la cabeza viajar una cierta distancia (por ejemplo, 0,1 m) para llegar a la velocidad del blanco y luego comienza a aplicar la carga a la muestra. Marcos de carga servo-hidráulico alta velocidad típicamente realizan pruebas bajo modo de control de desplazamiento y mantienen una velocidad constante de actuador para producir constante ingeniería tensión tipos³.

Técnicas para la medición de elongación de la muestra se clasifican generalmente como contacto o sin contacto técnicas⁴. Técnicas de contacto incluyen el uso de instrumentos como extensómetros con clip, mientras que el extensómetro láser se emplea para mediciones sin contacto. Extensómetro de contacto es propenso a las influencias de la inercia, no son adecuados para ensayos dinámicos; Extensómetro sin contacto no sufre de este problema.

Correlación de imagen digital (CID) es una técnica de medición de tensión óptico, sin contacto, campo completo, que es una alternativa a la tensión de medición para medir tensión/carga y superar algunos de los retos (por ejemplo, el fenómeno llamado) asociados con caracterización de materiales dinámica⁵. Galgas extensométricas de resistencia pueden sufrir de limitaciones como un área limitada de la medida, una gama limitada de elongación y métodos de montaje limitada, mientras que CID es siempre capaz de proporcionar una medición de tensión de campo completo de la superficie del espécimen durante la experimento.

El procedimiento presentado describe el uso de un marco de carga servo-hidráulico alta velocidad junto con DIC y puede utilizarse como un documento complementario al desarrollado recientemente directrices estándar⁶ para aclarar los detalles del procedimiento experimental. La sección en el marco de carga servo-hidráulico puede seguirse para una variedad de configuraciones de prueba (p. ej., resistencia a la tracción, resistencia a la compresión y cortantes) y aun con carga cuasiestático común Marcos así y, por tanto, cubre una amplia gama de instalaciones. Además, la sección DIC se puede aplicar por separado a cualquier tipo de pruebas mecánicas o térmicas, con modificaciones menores.

Protocolo

1. PREPARACION

1. Preparar el hueso de perro en forma de muestras de resistencia a la tracción según el estándar ISO⁶ adelantado.
   Nota: Muestras similares son también usados⁴.
2. Instalar medidores de tensión en la sección de la ficha (obligatoria para la medición de la carga) y en la sección de calibre (opcional para la medición de la tensión) de la muestra resistencia a la tracción.
   1. Seleccione el modelo correcto de la galga de tensión basado en el tamaño, extensión máxima, pruebas de temperatura, resistencia eléctrica, etc.⁴.
   2. Limpie la superficie de la muestra con isopropanol para eliminar cualquier contaminación e instale el calibrador de tensión en el lugar correcto. Instale el calibrador de tensión de sección ficha en igual o mayor que el ancho de la sección de la ficha de la sección de agarre y la sección del calibrador para asegurar un flujo uniforme de la tensión del valor nominal (es decir, no hay concentración de estrés), de lo contrario el análisis numérico es necesaria para predecir el valor de la tensión en la posición de la galga de tensión.
   3. Conecte los cables del medidor a la caja de puente de Wheatstone. Utilice una ficha de conexión del alambre si es necesario para montar las conexiones a los cables externos.
   4. Verifique que el calibrador de tensión con una carga simple y las condiciones de contorno. Aplicar una carga conocida a la muestra (por ejemplo, colgar una masa conocida de la muestra) y revise las lecturas de tensión.
3. Preparar al espécimen de la DIC como sigue:
   1. Preparación de la superficie de la muestra con características de alto contraste. Por ejemplo, la muestra de pintura blanco y moteado con finos puntos negros. A través de ensayo y error coinciden con el patrón de moteado para el tamaño de sensor de imagen de cámara tal que cada punto se compone de aproximadamente de 3 píxeles o más.
      Nota: Evite realizar DIC en el lado que las galgas están instaladas para evitar las indeseables características superficiales.
   2. Deje la pintura se seque antes de la prueba. El espécimen de la prueba, preferentemente, en el mismo día fue pintado.
      Nota: Dependiendo del tipo y la consistencia de la pintura, esto puede tomar hasta un par de horas. No deje a los especímenes moteados por un período prolongado (por ejemplo, varios días) antes de la prueba ya que esto en la frágil ser pintura y formar escamas durante la prueba.

2. procedimiento de puesta en marcha de

1. Conecte la alimentación a la consola de Control usando el botón el UPS (fuente de alimentación ininterrumpida). Compruebe que la válvula de aislamiento de la bomba al marco de la alta tasa es abierta y luego encienda el ordenador.
2. Desde el escritorio la aplicación controlador, seleccionar la configuración de la Alta tasa de calcular Displacement.cfg , haga clic en restablecer para borrar del dispositivo de seguridad 1 (bajo los Controles de la estación).
   Nota: Los otros dos indicadores (programa 1 y 1 puerta) será rojos porque la hidráulica de alta presión no se aplica todavía.
3. Compruebe el Control exclusivo por lo que el marco sólo pueden controlarse desde el software (y no desde el teléfono).
4. Ahora, poner en marcha la bomba hidráulica (HPU) y abrir el manómetro de servicio (HSM 1) uno por uno (3 en total). Para cada caso espere hasta que el indicador deje de parpadear antes de presionar el indicador de alta. Si la bomba ha estado apagado durante mucho tiempo, esperar 30 s antes de seleccionar la alta para dar el tiempo de bomba de alimentación para suministrar aceite a la bomba de alta presión.
5. Otra vez, desde el escritorio, inicie el software de diseño de la prueba. De la barra de herramientas, asegúrese la HPU y HSM 1 son ON (verde). En el menú superior archivo > Nuevo > prueba de plantilla seleccionar Plantillas de encargoy luego seleccione la tensión de prueba.

3. instalación de las galgas

1. Ir al control de la carga marco cruceta (al lado del terminal) y gire el interruptor a la baja tasa (icono de la tortuga).
2. Dentro de la cámara de prueba, conecte los cables de la muestra strain gauge(s) a la caja del calibrador de tensión utilizando el código de color (rojo, blanco y negro). Si hay solamente una galga de tensión, utilizar la serie SG 1.
   Nota: El cable rojo es el terminal separado (excitación + o -) y el blanco y el negro son el sentido y conduce señal.
3. En la aplicación de controlador y Entradas auxiliares ir a cepa 1 (o 2) para seleccionar el rango máximo de las cepas (es decir, 2%, 5% o 10%). Por ejemplo, si se escoge el 5%, el software asigna esta de µε 50.000 a 10 voltios de salida y no puede medir tensiones más allá del 5%.
4. Ejecute el software acondicionador Utility para configurar las galgas y equilibrar el puente de Wheatstone según los siguientes pasos:
   1. Calcular la tensión de salida utilizando la fórmula para el puente de Wheatstone:
      
      Aquí,_O de la V es el voltaje de salida, V_E es la tensión de excitación, GF es el factor de galga, ε₁ es 50.000 (5%), mientras que ε₂,₃de ε y ε₄ son cero (puente de terminación).
5. Calcular la ganancia mediante la siguiente ecuación:
   
6. En el software de utilidad de acondicionador, hay opciones de 1, 8, 64 y 512 para la ganancia del preamplificador, mientras que el valor de ganancia del amplificador de Post se limita a 9. 9976. calcular el amplificador Post que ganancia basada en diferentes opciones de 1, 8, 64 y 512 para la ganancia del preamplificador utilizando la siguiente ecuación:
   
7. Seleccionar la ganancia de preamplificador más baja que da hacia fuera un amplificador Post ganancia que es menor que 9.9976 y estos valores de entrada en el software de utilidad de acondicionador.
8. Ejecute el software de configuración de adquisición de datos de alta tasa. La cepa de canales (canales 3 y 4), introduzca la gama a gran escala de la galga de tensión (por ejemplo, 50.000).
   Nota: Canal 1 y 2 se dedican al desplazamiento y fuerza, respectivamente.
9. Compensar las galgas a cero según los siguientes pasos:
   1. El software, retire primero cualquier valores de desplazamiento de los canales de tensión (traer valores de desplazamiento a cero).
      Nota: Este proceso tiene que hacerse cuando la probeta es reposo (por ejemplo, en la mesa) y no está bajo carga.
   2. A continuación, ajuste el parámetro de balance del puente para traer la cepa de lectura casi a cero. Este es el paso de ajuste grueso.
   3. Luego ajuste el parámetro Cero Feedback , para traer el valor de la tensión en el software manager de cepa completamente a cero. Este paso es el ajuste fino.
   4. Para asegurar que los parámetros de entrada son correctos, haga clic en opción de Derivación permiten .
      Nota: El valor de la tensión en el software de controlador debe leer µε 1640 (ya sea con + o -). No olvide desactivar la desviación al quitar la resistencia de desviación por el puente de Wheatstone. El valor de la tensión volverá a cero.
10. Si hay dos galgas en la muestra, en el software de utilidad de acondicionador, haga clic en 2 cepa y repetir todos los pasos de instalación del calibrador de tensión.

4. montaje de la probeta

1. En la aplicación de controlador activar el Manual de Control y entrar en la posición de la cabeza en extensión completa-125 mm.
2. Haga clic en para desactivar la casilla de verificación Activar Manual de comandos y desactive la casilla de Control exclusivo .
3. Utilice el accesorio de montaje para alinear el cupón dentro de los puños. Puede utilizarse un cable elástico para sujetar el adaptador flojo en una posición retraída dar espacio para instalar el cupón. Apriete primero el cupón en la empuñadura inferior.
4. En el auricular Presione el icono de llave en la esquina superior derecha para activar el auricular. Asegúrese de que la caja de Control exclusivo del software esté desactivada. Asegúrese de que la empuñadura superior está suelta para evitar la deseable aplicación de carga a la muestra.
   1. Retire el cordón elástico y presione el icono de rueda por debajo de la rueda de ajuste en el controlador para activarlo. Poco a poco rodar la rueda para llevar la cabeza hacia abajo hasta que el brazo inferior del adaptador flojo está casi totalmente retraído y la cruceta casi en-125 mm.
      Nota: la posición de la cabeza se puede leer en el auricular.
5. En el auricular Presione el icono de llave una vez más para desactivar el teléfono. Volver a la computadora y en la comprobación de la aplicación de controlador la caja de Control exclusivo y usa el Control Manual para hacer la cabeza exactamente-125 mm. La empuñadura superior está suelta por lo que no hay carga aplicada para el cupón.
6. Ahora, apriete los puños arriba con una llave y una llave girando el adaptador flojo. No tuerza el cupón mientras aprieta el puño.
7. Verificar las arandelas de espiral entre el adaptador de holgura y la cruceta intermedia y asegúrese que estén bien apretados y sin juego axial a lo largo del tren de la carga.
8. Nuevamente, utilizando la caja de control de la cruceta retomar el marco de la alta tasa (icono de conejo) y hacer que las puertas estén cerradas herméticamente.
9. Detrás en el equipo, para despejar los bloqueos, haga clic en restablecer (a la derecha de la aplicación de controlador).
   Nota: Los bloqueos son «Interlock 1» (una cadena de bloqueo pasando por todos los marcos y la bomba hidráulica), "programa 1" (software de computadora controlado, por ejemplo, alta y baja velocidad), "puerta 1" (caja e interruptor de velocidad), y "C-parada 1" (parada controlada) .
10. Cuando no hay ninguna intención para mover la cabeza manualmente, desmarque la casilla de Activar Manual comando en menú Manual comando para evitar que accidentalmente ingresa un número en el software y mover la cabeza.

5. preparación de instalación Dic.

1. Conecte la cámara de alta velocidad al ordenador mediante un Cable de LAN de Gigabit.
2. Conecte la caja de E/S digitales de la cámara de alta velocidad y MTC marco regulador.
3. Conectar el ordenador con el controlador de marco MTS a través de las tarjetas. Señales de fuerza y desplazamiento son transferidas desde el controlador MTS a la computadora a través de este cuadro.
4. Conecte la cámara de alta velocidad a la caja DAQ para la señal de disparo y la señal de sincronización.
5. Monte la cámara sobre la base de la estructura de carga para evitar el movimiento relativo entre la cámara y el espécimen durante el ensayo, como el marco tiembla debido al impacto.
6. Posición de la cámara con cuidado para garantizar que su sensor de imagen es paralela a la muestra. Use un lente de telecentric (p. ej., Opto-ingeniería 23-64with un campo de visión de 64 × 48 mm y una distancia de 182 mm) para reducir la posibilidad de distorsión de la perspectiva de movimiento fuera del plano.
7. Durante la instalación de la cámara, considerar la deformación final del espécimen y asegúrese de que el campo de visión abarca a la muestra a lo largo de la prueba de toda.
8. Para configurar las conexiones de software en el ordenador, seleccione red y centro de intercambio de Windows Panel de Control. A continuación, haga clic en conexión de área Local.
9. Seleccione Protocolo de Internet versión 4 (TCP/IPv6) en las propiedades de Conexión de área Local y configurar la dirección IP.
10. Abra el software de visualización de alta velocidad de imagen y haga clic en detectar y guardar la configuración.
11. Haga clic en el botón de Opción de la cámara y seleccione la ficha de I/O a las señales externas.
12. Para establecer la velocidad de fotogramas y la resolución de marco, haga clic en el botón variable . Establecer la frecuencia de la cámara y la velocidad de adquisición de datos acquisition (DAQ) caja en el mismo número que el sistema de adquisición de datos de alta velocidad en el marco de carga para facilitar el paso de análisis de datos
13. Abierta la alta velocidad DAQ en el visor de imágenes de alta velocidad y seleccione los canales requeridos y las muestras por fotograma.
14. Después de la instalación de la cámara, capturar varias imágenes estáticas y calcular el campo de tensión usando la rutina de la correlación de imagen.
    Nota: La tensión máxima y los desplazamientos medidos de este ruido y el proveen una medida cualitativa de la calidad de imagen.

6. ejecución de la prueba

1. En el software de diseño de la prueba, en el menú superior siga archivo > Nuevo > prueba > prueba de plantilla. Luego bajo Encargo plantillas Abra Prueba de tensión.
2. Seleccione Nueva prueba ejecutar y escriba un nombre de archivo válido (generalmente el nombre del cupón sin espacios). Modifique los campos según sea necesario; Haga clic en Aceptar.
   1. Si se incluyen las galgas extensométricas, recuerde introducir Cuenta de canal 4.
   2. El punto de partida es generalmente-125 mm. Esto es importante porque si esto no es correcto la cabeza se moverá a este valor antes de la prueba inicia posiblemente dañar el cupón.
   3. Los valores por defecto para la Adquisición de alta velocidad y Tamaño de búfer son 50.000 y 20.000, respectivamente. Dependiendo de la duración de la prueba y la resolución de tiempo (intervalo de tiempo entre puntos de datos), modificar estos números si es necesario.
      Nota: Los parámetros por defecto como resultado de guardar los datos para la duración de 0.4 s.
   4. Para seleccionar el Tipo de rampa el nominal había deseada velocidad de cabeza (por ejemplo, 8.000 mm/s), a continuación, haga clic en Aceptar.
3. Aparecerá una serie de mensajes, recordar para comprobar tiempos de hardware clave, después de lo cual se iniciará la prueba haciendo clic en el icono Ejecutar .
4. En la consola de Control cambiar el Modo de seleccionar a Alta tasa. Esto activa la válvula grande para aplicación de carga de alta tasa. El valor predeterminado se selecciona la válvula 1 (la luz está encendida).
5. En la pantalla del ordenador, se muestran una serie de pasos. Siga los pasos.
6. En la consola de Control, presione y mantenga el Brazo carga acumulador interruptor. El sistema está listo.
7. Presione el fuego para completar la prueba.
8. Cambiar el Modo de seleccionar a estándar y presione el volver a empezar (botón verde) en la consola para volver la cabeza hacia atrás de la tapa de extremo (125 mm).
9. Ir al control de la cruceta y volver a la baja tasa (icono de la tortuga).
10. Abra la caja y sacar la muestra. Encontrar los archivos de datos almacenados en la computadora en
    C:\Datafiles\High tarifa de datos (para datos de alta velocidad) y en C:\Datafiles\Low tarifa de datos (para baja tasa de datos).

7. procedimiento de apagado

1. En el software de controlador activar la HSM 1 bajo (amarillo) y luego apagado (rojo). Esto cerrará el múltiple y apaga la bomba.
2. En el software de diseño de pruebas, excepto la prueba de funcionamiento, si es necesario, siguiendo en el menú superior archivo > Guardar como y seleccione la prueba. Cierre el software de diseño de la prueba.
3. Cierre la aplicación de controlador. Guarde los parámetros antes de cerrar el software, si es necesario. Apague el ordenador.
4. Cierre la válvula hidráulica (palanca grande) y apague la consola de Control otra vez utilizando el botón de encendido del UPS.

8. Análisis de datos

1. Exportar los datos en bruto desde el equipo de marco de carga en el software de post-procesamiento de elección.
2. Calcular la carga real de las lecturas del calibrador de tensión montado en la sección de calibre y comparar con los datos de carga de crudos de la DAQ de alta velocidad. Si el zumbido en la alta velocidad de datos DAQ es severo, use la carga calculada de la galga de tensión en los próximos pasos⁴.
3. Calcular la tensión en la sección del calibrador, σ_{del calibrador}, en base a la carga calculada, Py la sección transversal del espécimen en la sección de calibre, un_{x - sección}:
   
4. Obtener la tensión en la sección de calibre de uno de los métodos siguientes:
   1. Tensión media en la sección de calibre:
      1. Calcular la elongación de la sección de ficha por saber la carga, ficha sección longitud, módulo de elasticidad del espécimen y área de sección transversal.
         Nota: Si el módulo de elasticidad es función del grado de deformación, se requiere un procedimiento iterativo (los detalles se explican en referencia⁷).
      2. Reste el alargamiento de la sección de ficha de elongación muestra todo (es decir carga marco cabeza desplazamiento) para obtener el alargamiento de la sección de calibre.
      3. Calcular la tensión media en la sección de calibre basada en el alargamiento de la sección de calibre y la longitud inicial.
   2. Variedad local de DIC:
      1. Determinar la ubicación en la sección de calibre que no la muestra (es decir, dividida en dos) y restringir el campo de tensión a una zona en las proximidades de la sección de falla.
      2. Mida y registre la tensión en el área local, utilizando el DIC-software de la opción de procesamiento.
5. Dibuje la curva tensión-deformación obtenida de los pasos anteriores.

Resultados

La duración de una prueba dinámica es típicamente comparable al tiempo necesario para que las ondas de estrés viajar ida y vuelta a lo largo del tren de la carga (es decir, apretones, muestras y carga) del sistema¹. Una prueba dinámica es válida si el número y la amplitud de las ondas de estrés durante una prueba dinámica es controlada por lo que se logra un equilibrio dinámico, y la muestra experimenta una deformación homogénea a una tasa casi constant...

Discusión

Los datos crudos obtenidos en el experimento está influenciados por la ubicación de geometría y galgas de espécimen en el espécimen. Los datos de la carga en pruebas dinámicas de baja tensión tarifa adquiridas por una lavadora de carga de piezo-eléctrico incorporaron en el marco de carga a tasas más altas de tensión (Bruce et al. ³ sugerido > 10/s, mientras que para Wang et al. ⁹ registrados este límite a 100/s) por lo general sufren oscilacione...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Camera Lens	Opto Engineering		Telecentric lens 23-64
High Speed Camera	SAX Photron Fastcam
High Speed DAQ	National Instruments	USB-6259
High Speed Servo-Hydraulic Load Frame	MTS Systems Corporation	Custom Built
Jab Bullet Light with diffuser	AADyn JAB BULLET		15° diffusers
Strain gauge	Micro-Measurements	Model EA-13-062AQ-350