Dinamik Kırık ve Parçalanma Sıcaklık Bağımlılığı incelenmesi için bir yöntem

Özet

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.

Özet

bir gövde dinamik kırılması tipik olarak bir numune homojen gerilme ve gerilme oranı altında deforme edildiği basitleştirilmiş koşulları altında incelenmiştir geç aşamalı bir olgudur. Bu eşit olarak silindirin iç yüzey yüklemesi ile üretilebilir. Silindir genişledikçe nedeniyle eksenel simetri için duvar çevresi üniform bir gerilme çember stresi yerleştirilir. Bu tür patlayıcılar, elektromanyetik sürücü olarak bu genişleme oluşturmak için çeşitli teknikler ve mevcut gaz tabancası teknikleri varken hepsi numune silindir oda sıcaklığında olmalıdır aslında sınırlıdır. Biz tutarlı, tekrarlanabilir yükleme ile 150 K K 800 ila silindir üzerinde deney kolaylaştıran bir gaz tabancası kullanarak yeni bir yöntem. Bu son derece teşhis deneyler kırık çalışmamasından sorumlu mekanizmalar ve parçalanma istatistiklerine onların sonuçlanan etkisi üzerine sıcaklığın etkisini incelemek için kullanılır. Deneysel geometri kullanan birÇelik ogive yer hakkında yarım bulunan ucu ile, hedef silindirin içinde bulunan. Bir tek aşamalı hafif gaz tabancası sonra 1.000 m / sn silindire bir polikarbonat mermi başlatmak için kullanılır ^-1. mermi etkileri ve içeriden örnek silindir sürüş, sert ogive etrafında akar. olmayan bir deforme ogive insert kullanımı bize silindirin arka iç sıcaklık kontrolü donanımını yüklemenize olanak tanır. Sıvı azot (LN _2), soğutma ve ısıtma için dirençli bir yüksek akım yükü için kullanılır. Yüksek hızlı görüntüleme hatası gerginlik ölçmek için kullanılır ise upshifted foton Doppler (PDV) Çoklu kanal, bilgisayar simülasyonları ile doğrudan karşılaştırma sağlayan silindir boyunca genişleme hızını izleyebilirsiniz. iyileşti silindir parçaları da başarısızlık mekanizmasını anlamak için optik ve elektron mikroskobu tabidir.

Giriş

Bir malzemenin dinamik başarısızlığı genel mekanik davranışının önemli bir yönü olduğunu ve birkaç isim, otomotiv, havacılık ve askeri olmak üzere çok sayıda sanayi alaka vardır. Düşük gerilme-oranlarında yetmezliği genellikle yüksek gerilme oranları ile, uzun ince bir örnek uçlarından gerilim yüklü olduğu konvansiyonel gerilim testleri yoluyla incelenmiştir birlikte böyle bir geometri / konfigürasyon muhafaza edilmesi amacıyla çok küçük bir numune gerektirir test boyunca sözde mekanik denge. Böylece tek bir çatlak görünümünü, çevresindeki malzemenin etkin bir şekilde, herhangi bir bitişik yetmezliği siteye gelişiminin durdurulması, rahat olacaktır. Bu aynı zamanda herhangi bir deneyde gözlemlenebilir kırıkların sayısını sınırlar ve tespit edilecek başarısızlık istatistiği ile ilgili önemli bilgiler engeller.

genişleyen silindir testi şekilde karakterize etmek için iyi bilinen bir teknik olan materya bölgesindekils başarısız ve yüksek hızlı yük altında fragmanı. Testte, ilgi konusu bir malzemeden yapılmış bir tüp eşit duvarda bir basınç dalgası başlatılması ve silindir genleşmesine neden, iç çevresi boyunca yüklenir. Yakında bu radyal dalga yayar ve çevresi düzgün bir gerilme çember stresi hakimdir. Gerilme ve şekil değiştirme oranı gibi kırılma ve parçalanma davranışı malzemenin özelliklerine göre yalnızca yönetilir silindirin etrafına aynıdır. Test genellikle büyük örnek çevreleri üniforma stres ¹ altında birden fazla arıza sitelerinin başlatılmasını teşvik olarak yukarıda belirtilen sorunu azaltır.

Bu deneysel tekniğinin geliştirilmesi temel amaç genişleyen silindir kırılma ve parçalanma davranış sıcaklığın rolü çalışma sağlamaktı. numune sıcaklığının kontrolü ne kadar dinamik gerilim kuvveti araştırılmasında, kırılma mekanizması ve fragmanının sağlayacaktırmalzemenin entation davranışı etkilenir. Metallerde Örneğin, sıcaklığın artış sonuçta başarısız önce fazla plastik işi uzlaşmacı, sünek kırılma kırılgan bir kaymasına neden olabilir. Böyle Ti-6Al-4V gibi bazı malzemeler de adyabatik kayma yerelleştirme ² sergileyebilir. Örnek deforme ederken, plastik çalışma ısı üretir. Bu sıcaklık artışı sonucunda yumuşatıcı oranı deformasyon sertleştirme çalışma hızından daha büyük olduğu takdirde, plastik deformasyon büyük bir miktarı, bir çok lokal bir bandı (adyabatik kesme bant) 'de meydana geldiği, bir istikrarsızlık oluşturabilir. Bu yanıt bir nedeniyle zayıf ısı iletkenliği Ti-6Al-4V teşvik edilmektedir, ve potansiyel olarak bu tür hafif zırh gibi uygulamalar için etkinliğini kısıtlayabilir.

Bu yeni test yaklaşımı iki temel kriterleri karşılaması gerekir. Öncelikle, yöntem 10 ⁴ saniye ^-1 sırasına bir radyal gerilme oranı üretmek gerekir, genellikle balistik görülen vedarbe olayları, daha geleneksel yükleme düzenleri istihdam önceki çalışmalara karşılaştırma yapılmasına olanak sağlayacak. İkincisi, tahrik mekanizması deneyler arasında tutarlılığı sağlamak için numune sıcaklığı etkilenmemiş olması gerekir. İlk silindir genişletme mekanizmaları ya sadece doğrudan örnek silindiri ^3-5 doldurma veya bir ara sürücüsünü kullanarak, patlayıcı ücretleri kullanılır. İkinci durumda bir tampon numunesi da bir patlayıcı içeren bir çelik silindir üzerine yerleştirilmiştir ⁶ kullanılır. bariz bir sınırlılık, Örnek silindiri (patlayıcının biçiminde) işletim malzeme ihtiva silindiri ısıtma da yükü ısıtmak olmasıdır. Bu doğrudan ücretten başlatılmasını neden olmasa da patlayıcının birçok çeşit örnek silindirden dışarı eriyecek bir polimerik bağlayıcı madde içerir. Soğuduğunda Aynı şekilde, bazı patlayıcılar son derece hassas hale gelir. Bu patlayıcı sürücüler sıcaklığı çalışma için uygun değildir anlamına gelir. Bir alternatifyöntem genişleme Lorentz kuvveti kullanır - örnek sürücü bobin ^{7, 8} üzerine yerleştirilir yüksek akım örnekteki tersi bir akımı indükleyen, bu sürücü bobin (genellikle ağır göstergesi bakır tel) enjekte edilir.. Bu karşıt akımlar birbirlerine karşı hareket manyetik alanlar, manyetik basınç iç yüzeyinden dışarı doğru örnek sürüş ilişkili olması. Yine, malzemenin ısıtılması olumsuz numune içindeki bakır bobin sürücü etkileyecektir. Gaz tabancalar 1970'lerin sonlarından bu yana ⁹ silindir genişlemesi için kullanılmaktadır. Bu deneylerde, silindir içinde ekleme için kullanılan malzeme, bir polimer tahrik hem de merminin bir sonucu olarak verilen ve darbe ile deforme yerleştirin vardır. Bu parça, tipik haliyle bir lastik ya da plastik ^10, ciddi ısı etkilenecek olan gücü ve süneklik. Isıtma elemanı çok yumuşak hale getirecek ve soğutma zamanından önce başarısız bu yüzden kırılgan bir şekilde davranır yapacaktır.

, burada açıklanan yöntem, sıcaklıkları (100-1000 K) geniş bir aralık üzerinde tekrar edilebilir bir yükleme sürücü sağlamak için ilk. Bizim tekniği (bizim durumumuzda mermi) genişleme sürmek için kullanılan malzeme çarpma noktasına kadar silindirden ayrı olmasından tektir. Sonuç olarak, örnek silindirin başlangıç ​​sıcaklığından etkilenmez ve tekrarlanabilir yük sağlar.

Deneysel geometrisi silindirin uzunluğu boyunca yaklaşık yarısı bulunan ucu ile hedef silindir içine monte ogive bir çelikten oluşmuştur. Bir tek aşamada hafif gaz gun daha sonra 1000 metre / saniyeye kadar hızlarda silindire bir konkav yüzü olan bir polikarbonat mermi başlatmak için kullanılır ^-1. Hedefin eksen silindir dikkatle tekrarlanabilir ve homojen yük kolaylaştırmak için gaz namlu eksenine hizalanmış olduğunu. po etkisi ve sonraki akışsözde sert çelik ogive etrafında lycarbonate mermi, iç duvarından genişleme içine silindir sürücüler. ogive insert ve merminin konkav yüzü geometrisi dikkatle silindirin istenilen genişleme oluşturmak için hidro-kod bilgisayar simülasyonları kullanarak optimize edilmiştir. Gücünü tahrik mekanizması tutarlı kalır sağlanması, ilgi konusu sıcaklık aralığı üzerinde polikarbonat merminin çok daha yüksek olduğu için ogive 4340 alaşımlı çelik kullanma sıcaklıkta silindir ile deney sağlar. Isıtılmış ve soğutulmuş deneylerden kazanılan Ogives yalnızca etkinin bir sonucu olarak en az deformasyon sergiler.

Örnek silindirin ısıtma ve soğutma ogive ucun arka işlenmiş bir girinti içine sıcaklık kontrol donanımı yüklenmesi ile gerçekleştirilir. Kriyojenik sıcaklıklarda (~ 100 K) numunenin soğutma için, ogive girinti, bir alüminyum kapak ile kapatıldı ve sıvı azot F'dirboşluğu yoluyla izin verilmelidir. Hedef silindir gibi örnek iletimi yoluyla soğutulur ogive ile büyük bir temas alanı vardır. 1000 K yaklaşan sıcaklıklarda hedef silindir ısıtmak için, bir seramik ve Nikrom direnç ısıtıcısı ogive girintiye yerleştirilir. Bir yüksek akım güç kaynağı ogive ve silindir ısıtma, 1 kW'a kadar sağlar. Silindir ve ogive termal hedeften izole edilmiştir MACOR seramik aralama kullanımı yoluyla tek aşamalı gaz-gun monte. Tank termal manipülasyon yardımları deney sırasında orta vakum (<0.5 Torr) altında tutulur.

Silindirin parçalanma sürecini teşhis etmek amacıyla, deneysel tasarım silindir boyunca noktalarda genişleme hızını ölçmek için, frekans-dönüşüm PDV birden fazla kanalı içerir. PDV derece dinamik olaylar sırasında yüzey hızlarının ölçümü sağlayan nispeten yeni ^11, fiber optik bazlı interferometri tekniğidir. Bir PDV Ölçüm sırasında, Doppler ışığı hareket eden yüzey hızı ile doğrudan orantılı olan bir atım frekansı oluşturmak un kaydırmalı ışık ile birleştirilmiş olan bir fiber optik prob kullanılarak ilgi konusu bir hareket eden yüzey yansıyan kaymıştır. Esasen, bir PDV sistem GHz aralığındaki rekor yendi frekanslarına yakın kızıl ötesi (1.550 mil) iletişim teknolojisindeki gelişmeler kullanılarak hızlı Michelson interferometresi olduğunu. Mevcut çalışmada kullanılan 100 mm odak uzunluklu PDV problar için montaj sistemi bu silindirin sıcaklığı izole edilir ve kolayca uyum sağlar olmasını sağlar. 100 mm'lik odak uzaklığı problar kullanılarak ek bir avantajı, bütün silindirin genişlemesi profilini ölçmek için yüksek hızlı fotoğraf mümkün kılmak için yeterli bir optik erişim sağlamasıdır. . silindir boyunca dört sonda, MS düzenlenmesi ve konumu, Şekil 1 'de gösterilen iki adet yüksek hızlı kameralar burada kullanılmaktadır; yüksek hızlı video kamera Phantom V16.10 24 fotoğraf çekimi, 250.000 fps ve IVV UHSi 12/24 çerçeveleme kameraya çalışan. IVV kamera silindir doğru izlenebilir silindirin radyal genişleyen kenarı sağlayan siluet aydınlatılmış şekilde aydınlatılan edilir. Phantom kamera arızası başlatma ve parçalanma sürecini görüntüleme ışıklı cephesidir. yüksek hızlı fotoğrafçılık sonra tam numune boyunca zorlanma ve gerilme oran vermek velosimetri ile ilişkili olabilir. yüksek hızda görüntüleme da başarısızlık suşu doğru ölçü ve yüzey boyunca kırık desenleri sağlar.

Aşağıdaki protokol bölümünde sunulan deneysel teknik, farklı bir kırılma mekanizmaları aktif ya da bastırılabilir içinden genişleyen silindir deneyde, örnek sıcaklığını kontrol etmek için bir araç sağlar. Bu teknik, dinamik yükleme senaryoları sıcaklığın rolünün daha kapsamlı bir anlayışa yol açacaktır.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokol

1. Hedef İmalat ve Montaj

1. Katı stoktan istenilen boyutlara Makine hedef silindir.
2. Makinede işaretlerini kaldırarak silindir yüzeyini hazırlayın. Bir üniforma yaygın yüzey PDV yansıması için tercih edilir. İyi sonuçlar> 1.200 kum ile hafif ıslak zımpara ile elde edilmiştir.
3. Aşağıdaki ölçmek, yani hedef bileşenleri karakterize:
   Silindir uzunluk, çap ve (birden fazla yerde) duvar kalınlığı
   Eğik uzunluk, çap
   Sivri kavis uzunluk, çap
   Yukarıdaki tüm kütle
4. Silindir montaj halka ve PDV kolunu birleştirin.
5. Kinematik bağlar ve PDV kolu üzerine PDV probları bağlayın.
6. Ogive arka silindirin arka aynı hizada olacak şekilde hedef silindir içinde ogive takın (bu bir atölye düz yapılmalıdır). 'soyulma aw silindiri izin verirken, üç M3 vida yerinde ogive tutmak için tasarlanmıştırgenişleme sırasında 'ay.
7. Silindirin giriş bağlantı halkasının ön yüzü ile aynı hizada olacak şekilde montaj donanımı hedef silindiri yerleştirin. 6 M4 grub vida ile yerine silindiri sabitleyin.
8. Silindir dış duvar uzunluğu boyunca ısıtma / soğutma aparatı ve tahvil termokupl takın.
9. Fiber temizlik bezi ile PDV prob liflerinin ucunda FC / APC (yüksük konnektörü, açılı fiziksel temas) konnektörlerini temizleyin ve bir lif kapsamı ile kontrol edin. Bu geri yansımasını azaltmak için çok önemlidir.
10. Onlar silindire normal şekilde kabaca sondalar hizalamak görünür (660 nm) Sınıf 3R lazer kullanarak (yani, yansıyan ışık probu geri düşer).
11. Bir sirkülatörün kullanarak temel yansıma devreyi kurunuz. Giriş 1 Class 1 1,550 nm lazer bağlayın, giriş 2 PDV prob ve giriş 3'e bir güç metre Hizala PDV sondalar sırayla döndürülen güç maksimize böylece.

2. Gaz Gun Hazırlık

1. Namlu fiş ve derinlik mikrometre kullanılarak etkisi eğim en aza indirmek için namlunun ucuna hedef halka hizalayın.
2. Fragman azaltma sistemi ve kapı koruma takın.
3. Varil hedef hizalama fişini yerleştirin.
4. Hedef düzeneğini takın ve fiş hizalamak.
5. Namlunun ucunda tetik yapmak çifti takın ve zamanlama donanım ve teşhis bağlanın. Ogive üzerindeki mermi etkisi tetikleyen bir şeyle temasa mesafeyi ölçün.
6. Yüksek hızlı fotoğrafçılık için dönüm aynalar yükleyin.
7. Hedef tankı bağlantı noktaları üzerinden silindir bir dik bir görünüm vermek ve yerine kilitlemek için aynaları hizalayın.
8. Hedef tankın dışında hız kameraları ve flaş lambaları yüksek hizalayın. Varil aşağı bakıyor, silindir göre 03:00 yüksek hızlı kamera ve bir flaş lambası yerleştirin. 09:00 at IVV kamera yerleştirin ve00:00 başka flaş lambası. Bu yapılandırmada yüksek hızlı kamera, ön-lit çatlak izleme olacak ve IVV kenar tespiti için karaltı görüntüleri sağlayacaktır.
9. Isıtma / soğutma ekipmanları hedef ve vakum besleme throughs bağlayın.
10. DİKKAT: Uygun gözlük ve diğer önlemlerle Sınıf IV lazerler, osiloskop ve PDV sistemlerinde açın.
11. Kontrol güç seviyeleri PDV sondaları gönderiliyor. PDV sistemi ile, tipik referans için kanal başına 1 mW her sonda yaklaşık 5 mW kullanın.
12. Bir güç ölçer ile PDV probların hizasını kontrol edin. PDV sondaları silindir yüzeyinde seyir nerede hizalama kullanımı IR kartı ile bir kez memnun ölçmek için.
13. Referans Lazer açın ve her prob tarafından verilen yendi sinyallerinin kalitesini kontrol edin. İstediğiniz sıfır hız yendi frekansını ayarlamak için lazer (lar) dalga boyu ayarlayın (bu yaklaşık 5 GHz set).
14. Hedefle ali ile bir kez memnungnment, tetik konumu, kamera ve ayna hizalama, PDV prob uyum ve konumu ve azaltma çerçevesi hedef tankı kapatın.
15. Hizalama fişini çıkarın; mermiyi yükleyin.
16. Kurulum kameraları ve aydınlatma (kare hızı, pozlama, zamanlamaları) ve test görüntüleme gerçekleştirmek. Tipik kare hızları yaklaşık 0,5 mikro saniye olduğu bir pozlama ile yaklaşık 250.000 kare / sn her iki kameralar için vardır. İlk görüntü, normal çarpma anı ile aynı zamana denk olduğunu.

3. Ateşleme Hazırlık

1. Gerekli ateşleme basıncına uygulanabilir makat diyafram takın.
2. Makat kapatın ve hedef tank tahliye başlar. 50 mTor bölgesinde bir vakum seviyesi için Amaç.
3. Nihai tüm teşhis kurulum (osiloskop gecikmeler, tetikleyicileri, kamera ayarlarını vs.) yapın. Bölüm başına 50 mikro-sn de PDV ayarlama osiloskop, 25 puan başına Yönlendirme ve İcra Komitesinin ve% 20 Ön tetikleme 500 mikro-saniyeye pencere vermek. O Triggerscilloscopes ve kameralar gibi sıfır zaman etkisinin zamanla çakışır.
4. Nihai tetik testi; çek zamanlamaları doğru.
5. Lazerler açın; kol kameraları.
6. Yakın bir oda; sağlayan lazer ve yüksek basınç kilitleri doğru konumda bulunmaktadır.
7. LabVIEW yazılımı kullanılarak gerektiği gibi ısıtma / soğutma başlayın.
8. Gerekli ateşleme basıncına silahı şarj edin.
9. Basınçta, son bir kontrol yapmak zaman tüm teşhis sistemleri silahlı söyledi.
10. Isıtma veya soğutma düzeneği izole edin.
11. Geri sayım "3, 2, 1 YANGIN."
12. Hedef ve yakalama tankları havalandırın.
13. Tüm osiloskop ve kamera verilerini kaydedin.

4. Mesaj Shot

1. Lazerler kapatın ve tamamen atmosfer eşitlemek silah bekleyin.
2. Hedef tankı açın tüm metal parçaları toplamak ve Ti-6Al-4V sıralamak.

5. Veri Analizi

1. PDV os KZFD analizi gerçekleştirmekcilloscope verileri Ao ve Dolan ¹² analizi başına hız geçmişini azaltmak için.
2. Ekipman tabloda belirtilen gibi yazılım ile Proses yüksek hızda görüntüleme verileri. Yüksek hızlı kamera görüntüleri yetmezliği zaman ve zorlanma sağlamak ve çatlak oluşumu ve büyüme analizini sağlayacaktır. IVV gelen silhouetted görüntüleri silindirin tam deformasyon profilini incelemek için açık bir kenar sağlar.
3. Tedbir ve kurtarılan parçaları tartın. Böyle tutuklanan kırıklar gibi ilginç özelliklere sahip parçaları seçip mikroskopi için onları hazırlamak.
   1. Bölüm, montaj ve parçaları parlatmak; Daha sonra elektron mikroskopta analiz. Elektron geri yansıma kırılma kırılma yüzeyleri soruşturma ve arıza moduna tanımlamak için ikincil elektron görüntüleme yanında doku ve mikro hakkında bilgi sağlar.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Sonuçlar

verilerin kalitesi öncelikle deneysel zamanlama bağlıdır. Tetikleyici etkisi gecikmeler doğruysa o zaman flaş lambaları net görüntüler üretmek için yüksek hız kameraları sağlayan hedef silindir deforme başladığında yeterli ışık üreten olacaktır. Bu durumda çerçeveleme kameradan görüntüleri tüm silindirin deformasyon izlemek için kullanılabilecek bir açık siluet kenar olacak. Örneğin ImageJ gibi yazılım Şekil 2'deki gibi bir görüntü üreten her çerçeve iç...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Tartışmalar

Bu yöntem, bu tasarım özgü, ~ 1000 K'ye kriyojenik gelen, geniş bir sıcaklık aralığı üzerinde gerilme yüküne yüksek oranlarda malzeme inceleme sağlar. Ancak, bu deney düzeneği ve yürütme bazı zorlukları ekler. İlk olarak, ogive uç uygun bir malzemeden talaşlı gereken sıcaklık kontrolünü optimize etmek. Herhangi bir yüksek sıcaklık, yüksek sertlik Çelik yeterli olacaktır, ancak 4340 çeliği, burada kullanılmıştır. Tüm genişleme Sürücü artık polimer merminin kaynaklı olar...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Malzemeler

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