Une méthode pour l'étude de la dépendance en température de la rupture dynamique et fragmentation

Résumé

Fracture and fragmentation are late stage phenomena in dynamic loading scenarios and are typically studied using explosives. We present a technique for driving expansion using a gas gun which uniquely enables control of both loading rate and sample temperature.

Résumé

La rupture dynamique d'un corps est un phénomène stade avancé généralement étudiés dans des conditions simplifiées, dans lequel un échantillon est déformé par contrainte uniforme et la vitesse de déformation. Ceci peut être réalisé en chargeant uniformément la surface intérieure d'un cylindre. En raison de la symétrie axiale, lorsque le cylindre se dilate la paroi est placée dans une contrainte circonférentielle à la traction qui est uniforme autour de la circonférence. Bien qu'il existe différentes techniques pour générer cette expansion tels que les explosifs, entraînement électromagnétique, et les techniques d'armes à feu de gaz existants, ils sont tous limités dans le fait que le cylindre de l'échantillon doit être à température ambiante. Nous présentons une nouvelle méthode utilisant un pistolet à gaz qui facilite expériences sur des cylindres de 150 K à 800 K avec un chargement reproductible cohérente. Ces expériences très diagnostiqués sont utilisés pour examiner l'effet de la température sur les mécanismes de rupture responsables de l'échec, et leur influence sur les statistiques résultant de la fragmentation. La géométrie expérimental utilise unogive en acier situé à l'intérieur du cylindre de cible, avec la pointe située à mi-chemin. Un seul canon à gaz de lumière de la scène est ensuite utilisée pour lancer un projectile de polycarbonate dans le cylindre à 1.000 m / sec ^-1. Les impacts de projectiles et de flux autour de l'ogive rigide, entraînant le cylindre échantillon à partir de l'intérieur. L'utilisation d'un insert indéformable ogive permet d'installer du matériel de contrôle de la température à l'intérieur de l'arrière du cylindre. L'azote liquide _(LN2) est utilisé pour le refroidissement et une charge de courant élevée pour le chauffage résistif. Plusieurs canaux de upshifted photons vélocimétrie Doppler (PDV) de suivre la vitesse d'expansion le long du cylindre permettant une comparaison directe avec des simulations sur ordinateur, tandis que l'imagerie à haute vitesse est utilisé pour mesurer la déformation à la rupture. Les fragments de bouteilles récupérées sont également soumis à la microscopie optique et électronique pour déterminer le mécanisme de rupture.

Introduction

L'échec dynamique d'un matériau est un aspect important de son comportement mécanique de l'ensemble, et a un intérêt pour de nombreuses industries, dont l'automobile, l'aérospatiale et militaire pour en nommer quelques uns. Alors que l'échec à déformation faibles taux est généralement étudié grâce à des tests de tension classiques, dans lequel un long échantillon mince est chargé en tension à partir des extrémités, à des taux de déformation élevées telle une géométrie / configuration nécessite un échantillon d'être très faible afin de maintenir une pseudo-mécanique équilibre tout au long du test. Lors de la comparution d'un seul crack, le matériau environnant sera assouplie, arrêter efficacement le développement de tous les sites d'échec adjacentes. Cela limite le nombre de fractures qui peuvent être observées simultanément dans toute une expérience, et empêche les informations importantes concernant les statistiques de l'échec à déterminer.

Le test de cylindre extensible est une technique bien établie pour la caractérisation de la manière dont materials échouer et fragment sous charge à haute vitesse. Dans le test, un cylindre en le matériau d'intérêt est uniformément chargé le long de sa circonférence intérieure, le lancement d'une onde de contrainte à travers la paroi du cylindre et causant de se développer. Bientôt cette vague radiale dissipe et un uniforme traction contrainte périphérique autour de la circonférence domine. Comme le taux de stress et de tension est la même autour du cylindre le comportement de la fracture et de la fragmentation est régi uniquement par les propriétés du matériau. Le test atténue le problème mentionné ci-dessus que les grandes circonférences généralement des échantillons de promouvoir l'initiation de plusieurs sites d'échec sous contrainte uniforme ^1.

L'objectif principal dans le développement de cette technique expérimentale était de permettre l'étude du rôle de la température dans le comportement à la rupture et la fragmentation d'un cylindre extensible. Le contrôle de la température de l'échantillon permettra d'investigation de la façon dont la résistance à la traction dynamique, le mécanisme de fracture, et Fragmentation de comportement du matériau est affecté. Par exemple dans les métaux, une augmentation de la température peut provoquer un changement de fragile pour la rupture ductile, pouvant accueillir travail plus plastique jusqu'à l'échec final. Des matériaux tels que le Ti-6Al-4V peuvent également présenter cisaillement adiabatique localisation ^deux. Bien que l'échantillon se déforme, le travail plastique génère de la chaleur. Si le taux de ramollissement à la suite de cette augmentation de température est plus grand que le taux d'écrouissage de la déformation, une instabilité peut se former où une grande quantité de déformation plastique se produit dans une bande très localisée (bande de cisaillement adiabatique). Cette réponse est encouragée dans Ti-6Al-4V en raison de sa faible conductivité thermique, et peut potentiellement limiter son efficacité pour des applications telles que les armures légères.

Cette nouvelle approche de test doit répondre à deux critères principaux. Tout d'abord, la méthode doit produire une vitesse de déformation radiale de l'ordre de 10 ⁴ s ^-1, généralement vu dans balistique etévénements d'impact, afin de permettre la comparaison des études antérieures utilisant plusieurs systèmes de chargement traditionnelles. Deuxièmement, le mécanisme d'entraînement doit être affectée par la température de l'échantillon pour assurer la cohérence entre les expériences. Mécanismes d'extension du cylindre initial utilisé des charges explosives, soit tout simplement remplir le cylindre d'échantillonnage ^3-5, directement ou en utilisant un pilote intermédiaire. Dans ce dernier cas on utilise un tampon ^6, où l'échantillon est placé sur un cylindre en acier qui contient à son tour une charge explosive. La limitation est évident que, lorsque le cylindre échantillon contient le matériau d'entraînement (sous la forme de l'explosif) le chauffage du cylindre sera également chauffer la charge. Bien que cela ne doit pas provoquer directement initiation de la charge explosive de nombreux types de contenir un matériau de liant polymère qui fera fondre le cylindre à partir de l'échantillon. De même, certains explosifs deviennent très sensible lorsqu'il est refroidi. Cela signifie que les disques d'explosion ne sont pas adaptés pour l'étude de la température. Une alternativeméthode utilise la force de Lorentz pour l'expansion - l'échantillon est placé sur une bobine de conducteur ^{7, 8} A de courant élevée est injecté dans cette bobine de conducteur (fil de cuivre de calibre généralement lourde), induisant un courant inverse dans l'échantillon.. Ces courants opposés ont associé des champs magnétiques qui agissent contre l'autre, la pression magnétique conduire l'échantillon vers l'extérieur de la face interne. Encore une fois, chauffer le matériau va nuire à la bobine de commande de cuivre à l'intérieur de l'échantillon. pistolets à gaz ont été utilisés pour l'expansion du cylindre depuis la fin des années 1970 ^9. Dans ces expériences, le matériau utilisé pour l'insert dans le cylindre est un polymère, l'entraînement venant en raison à la fois du projectile et insérer déformation à l'impact. Cet insert est typiquement un caoutchouc ou une matière plastique ^10, la résistance et la ductilité de qui sera gravement affectée par la température. Chauffage fera l'insert trop mou, et le refroidissement va faire se comporter d'une manière cassante et qu'elle échoue prématurément.

Contrairement aux techniques d'extension de cylindre précédentes, la méthode décrite ici est la première à fournir un lecteur de chargement reproductible sur une large gamme de températures (100-1000 K). Notre technique est unique dans le fait que le matériau utilisé pour entraîner l'expansion (dans notre cas, le projectile) est séparé du cylindre jusqu'à ce que le point d'impact. Par conséquent, il est affecté par la température initiale du cylindre d'échantillon et fournit une charge répétitive.

La géométrie expérimentale est constituée d'une ogive en acier monté à l'intérieur du cylindre cible, avec la pointe située à environ à mi-chemin le long de la longueur du cylindre. Un seul canon à gaz de lumière de la scène est ensuite utilisée pour lancer un projectile de polycarbonate avec une face concave dans le cylindre à des vitesses allant jusqu'à 1000 m / sec ^-1. L'axe de la cible est soigneusement cylindre est aligné à l'axe du cylindre à gaz-gun faciliter une charge uniforme et reproductible. L'impact et après écoulement de la polycarbonate projectile autour de l'ogive en acier pseudo-rigide, entraîne le cylindre en extension à partir de la paroi interne. La géométrie de l'insert ogive et la face concave du projectile ont été soigneusement optimisé à l'aide d'hydro-codes des simulations sur ordinateur pour générer l'expansion souhaitée du cylindre. Utilisation de l'acier allié 4340 pour l'ogive permet l'expérimentation avec le cylindre à la température en tant que sa force est beaucoup plus élevé que le projectile de polycarbonate sur la gamme de température d'intérêt, en assurant le mécanisme d'entraînement reste constante. Ogives récupérés à partir d'expériences chauffé et refroidi seulement présentent une déformation minimale à la suite de l'impact.

Le chauffage et le refroidissement du cylindre porte-échantillon est réalisée par l'installation de matériel de contrôle de la température dans une cavité usinée à l'arrière de l'insert ogive. Pour le refroidissement de l'échantillon à des températures cryogéniques (~ 100 K), l'évidement de l'ogive est scellé par une capsule en aluminium et l'azote liquide est fmugissaient à travers la cavité. Comme le cylindre cible dispose d'une grande surface de contact avec l'ogive de l'échantillon est refroidi par conduction. Pour chauffer le cylindre de cible à des températures approchant 1000 K, un élément chauffant résistif de céramique et de nichrome est placé dans l'évidement ogive. Une alimentation à courant élevé fournit jusqu'à 1 kW, chauffer l'ogive et le cylindre. Le cylindre et l'ogive sont thermiquement isolés à partir de la cible de montage dans le gaz-gun en une seule étape par l'utilisation d'entretoises en céramique MACOR. Le réservoir est également maintenu sous vide modéré (<0,5 Torr) pendant l'expérience qui facilite la manipulation thermique.

Afin de diagnostiquer le processus de fragmentation du cylindre, le dispositif expérimental comprend de multiples canaux de fréquence de conversion de PDV, pour mesurer la vitesse de dilatation en des points le long du cylindre. PDV est une technique relativement nouvelle de l'interférométrie à base ^11, fibre optique qui permet la mesure des vitesses de surface lors d'événements hautement dynamiques. Lors d'une mesure PDV, décalage Doppler de la lumière réfléchie à partir d'une surface de déplacement d'intérêt en utilisant une sonde à fibre optique est combiné avec de la lumière non-décalé, ce qui crée une fréquence de battement qui est directement proportionnelle à la vitesse de la surface mobile. Essentiellement, un système PDV est un interféromètre de Michelson rapide grâce aux progrès dans le proche infrarouge (1550 nm) la technologie des communications pour enregistrer des fréquences de battement dans la plage des GHz. Le système de montage pour les 100 mm de focale PDV sondes utilisées dans la présente étude assure qu'ils sont isolés à partir de la température du cylindre et permet un alignement facile. Un avantage supplémentaire de l'utilisation de sondes de longueur focale de 100 mm est qu'ils fournissent un accès optique suffisante pour permettre la photographie à haute vitesse pour mesurer le profil de l'expansion de l'ensemble cylindre. La disposition et l'emplacement des quatre sondes, AD, le long du cylindre est montré à la figure 1 Deux caméras haute vitesse sont employés ici. une caméra vidéo haute vitesse Phantom V16.10 fonctionnant à 250 000 fps et une caméra 12/24 cadrage IVV UHSI, capturant 24 images. L'appareil IVV est rétroéclairée de telle sorte que le cylindre est allumé en silhouette permettant le bord expansion radiale du cylindre à être suivis avec précision. La caméra Phantom est avant éclairées imagerie échec du processus d'initiation et de la fragmentation. La photographie à haute vitesse peut alors être corrélée avec la vélocimétrie pour donner la souche et la vitesse de déformation le long de l'échantillon complet. L'imagerie à haute vitesse permet également une mesure précise de la déformation à la rupture et les motifs de la rupture le long de la surface.

La technique expérimentale qui figure dans la partie protocole suivant fournit un moyen de contrôler la température de l'échantillon dans une expérience de cylindre d'expansion, à travers laquelle les mécanismes de rupture différentes peuvent être activées ou supprimées. Cette technique va conduire à une compréhension plus complète du rôle de la température dans les scénarios de charge dynamique.

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Protocole

1. Fabrication cible et de l'Assemblée

1. cible de la machine cylindre aux dimensions désirées à partir du stock solide.
2. Préparer la surface du cylindre en retirant les marques d'usinage. Une surface diffuse uniforme est préférable pour PDV réflexion. De bons résultats ont été obtenus avec un ponçage à l'eau avec la lumière> 1200 grain.
3. Caractériser les constituants cibles, à savoir, mesurer la suivante:
   Longueur du cylindre, le diamètre et l'épaisseur de paroi (à plusieurs endroits)
   Projectile longueur, diamètre
   Ogive longueur, diamètre
   Masse de tout ce qui précède
4. Assembler la bague de montage de cylindre et PDV bras.
5. Montez les sondes PDV dans les montures cinématiques et sur le bras PDV.
6. Insérer l'ogive dans le cylindre de cible de sorte que l'arrière de l'ogive est aligné avec l'arrière du cylindre (ce qui devrait être fait sur un atelier plat). Les trois vis M3 sont conçus pour tenir l'ogive en place tout en permettant le cylindre à «peau away 'lors de l'expansion.
7. Placer le cylindre de cible dans le support de montage de sorte que l'entrée du cylindre affleure la face avant de la bague de montage. Fixer la bouteille en place avec 6 M4 vis sans tête.
8. Installation de chauffage appareil / de refroidissement et de thermocouples de liaison le long de la longueur de la paroi extérieure du cylindre.
9. Nettoyez le / APC (connecteur de virole, de contact physique angle) FC connecteurs à l'extrémité de la sonde fibres PDV avec un chiffon de nettoyage de la fibre et de vérifier avec un champ d'application de la fibre. Il est important de réduire les back-réflexion.
10. Utilisation d'un visible (660 nm) laser de classe 3R aligner à peu près les sondes de sorte qu'ils sont normaux au cylindre (ie, la lumière réfléchie retombe sur la sonde).
11. Assembler un circuit de réflectivité de base en utilisant un circulateur. Connectez le nm laser de classe 1 1550 à l'entrée 1, la sonde PDV à l'entrée 2 et un mesureur de puissance à l'entrée 3. Alignez les sondes PDV à son tour de sorte que la puissance renvoyée est maximisée.

2. Gaz Gun Préparation

1. Utilisation de la prise canon et le micromètre de profondeur aligner l'anneau cible à l'extrémité du canon pour minimiser l'impact inclinaison.
2. Installez le système fragment d'atténuation et de la protection de la porte.
3. Placez le bouchon d'alignement de cible dans le canon.
4. Installez l'ensemble de cible et d'aligner à la bougie.
5. Installez la paire déclenchement de marque sur le bout du canon et se connecter à du matériel de diagnostic et de timing. Mesurer la distance d'un contact avec la gâchette à l'impact du projectile sur l'ogive.
6. Installez les miroirs tournants pour la photographie à haute vitesse.
7. Alignez les miroirs pour donner une vue orthogonale du cylindre à travers les orifices de réservoir de cibles et verrouiller en place.
8. Aligner le haut les radars et les lampes flash extérieur du réservoir cible. Regarder dans le canon, placer la caméra à haute vitesse et une lampe flash à 03 heures par rapport au cylindre. Placez la caméra IVV à 9 heures etune autre lampe flash à 12 heures. Dans cette configuration, la caméra haute vitesse sera à l'avant-éclairé pour le suivi de la fissure et de l'IVV fournira des images silhouettes pour la détection de bord.
9. Connectez chauffage / équipement de refroidissement pour cibler et traversées d'alimentation à vide.
10. ATTENTION: Avec les lunettes appropriées et d'autres précautions allumer les lasers de classe IV, les oscilloscopes et les systèmes PDV.
11. Vérifiez les niveaux de puissance envoyés aux sondes PDV. Avec le système PDV, utilisez généralement autour de 5 mW à chaque sonde avec 1 mW par canal pour la référence.
12. Vérifiez l'alignement des sondes PDV avec un wattmètre. Une fois satisfait de l'utilisation de la carte IR d'alignement pour mesurer où les sondes PDV sont à la recherche sur la surface du cylindre.
13. Allumez le laser de référence et de vérifier la qualité des signaux de battement donnés par chaque sonde. Ajuster la longueur d'onde du laser (s) pour définir le zéro fréquence de battement de la vitesse souhaitée (définir cette autour de 5 GHz).
14. Une fois satisfait de la cible alignment, l'emplacement du déclencheur, l'appareil photo et l'alignement de miroir, l'alignement de la sonde PDV et l'emplacement et le cadre de l'atténuation fermer le réservoir cible.
15. Retirez le bouchon de l'alignement; installer le projectile.
16. caméras de configuration et de l'éclairage (frame rate, exposition, horaires) et d'effectuer l'imagerie de test. Des taux de trame typiques sont environ 250.000 images / s pour les deux caméras, avec une exposition de l'ordre de 0,5 microsecondes. La première image est normalement prévue pour coïncider avec le moment de l'impact.

Préparation 3. de tir

1. Installez les diaphragmes de culasse qui sont applicables à la pression de cuisson nécessaire.
2. Fermez la culasse et de commencer l'évacuation des réservoirs cibles. But pour un niveau de vide dans la région de 50 mTorr.
3. Procédez à la configuration finale de tous les diagnostics (retards de l'oscilloscope, les déclencheurs, les réglages de l'appareil photo, etc.). Set oscilloscopes pour PDV à 50 microsecondes par division, 25 ps par point et un pré-déclenchement de 20% pour donner une fenêtre de 500 microsecondes. Déclencher l'oscilloscopes et des caméras de telle sorte que le temps zéro coïncide avec le moment de l'impact.
4. Test de déclenchement final; Vérifiez les horaires sont exacts.
5. Tourner sur les lasers; caméras de bras.
6. Fermer la chambre; assurer laser et haute pression de verrouillage sont dans la position correcte.
7. Commencez chauffage / refroidissement, au besoin en utilisant le logiciel LabVIEW.
8. Chargez le pistolet à la pression de cuisson requis.
9. Quand à la pression, faire une dernière vérification que tous les systèmes de diagnostic sont armés.
10. Isoler l'appareil de chauffage ou de refroidissement.
11. Countdown "3, 2, 1 INCENDIE."
12. Purger les réservoirs de cibles et de capture.
13. Sauvegardez toutes les données de l'oscilloscope et de la caméra.

Prise de vue 4. Publier

1. Arrêtez lasers et d'attendre le pistolet à égaliser pleinement à l'atmosphère.
2. Ouvrez le réservoir cible, collecter tous les fragments de métal et de trier le Ti-6Al-4V.

5. Analyse des données

1. Effectuer une analyse TGCT sur le PDV osdonnées de cilloscope pour réduire l'histoire de vitesse selon l'analyse de Ao et Dolan ^12.
2. Processus données d'imagerie à grande vitesse avec un logiciel tel que mentionné dans le tableau de l'équipement. La caméra images haute vitesse donnera le temps et déformation à la rupture et permettre l'analyse de formation de fissures et de la croissance. Les images silhouette de l'IVV offrent un avantage clair pour examiner le profil de déformation complète du cylindre.
3. Mesurer et peser fragments récupérés. Sélectionnez fragments avec des fonctionnalités intéressantes telles que les fractures arrêtés et les préparer pour la microscopie.
   1. Section, montage, et polir les fragments; analyser ensuite dans le microscope électronique. Diffraction d'électrons rétrodiffusés donne des informations sur la texture et la microstructure à côté de formation d'image d'électrons secondaires pour sonder les surfaces de rupture et identifier le mode de rupture.

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Résultats

La qualité des données sera d'abord dépendra du calendrier expérimental. Si les retards de la gâchette à l'impact sont corrects puis les lampes flash seront produisant assez de lumière lorsque le cylindre cible commence à se déformer, permettant aux caméras à haute vitesse pour produire des images claires. Dans ce cas, les images de la caméra de cadrage auront un avantage silhouette claire qui peut être utilisé pour suivre la déformation de l'ensemble cylindre. Des logiciels tels que ImageJ pe...

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Discussion

Cette méthode permet l'étude des matériaux à des taux élevés de charge de traction sur une large plage de températures, de cryogénique à ~ 1000 K, unique à cette conception. Cependant, ce qui ajoute à certains défis à la configuration expérimentale et de l'exécution. Tout d'abord, afin d'optimiser la régulation de la température de l'insert ogive doit être usiné à partir d'un matériau approprié. 4340 acier est utilisé ici, bien que tout acier de haute dureté à haute temp?...

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matériels

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