Метод для изучения температурной зависимости динамического разрушения и фрагментации

Динамический отказ материала является важным аспектом его общего механического поведения, и имеет отношение к многочисленным отраслей промышленности, включая автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, и военными, чтобы назвать несколько. В то время как отказ при низких деформации-ставок, как правило, изучали с помощью обычных испытаний на растяжение, в котором длинный тонкий образец загружалась в напряженности с концов, при высоких скоростях деформации такая геометрия / конфигурация требует образец, чтобы быть очень маленьким, чтобы поддерживать псевдо-механическое равновесие в течение всего теста. При появлении одной трещины, окружающим материалом будут ослаблены, фактически остановку развития любых смежных участков недостаточности. Это ограничивает количество переломов, которые могут быть одновременно наблюдаемых в одном эксперименте, и предотвращает важную информацию о статистике отказов, которые будут определены.

Расширение тестирования цилиндр хорошо разработанный метод, характеризующий манеру, в которой MateriaLs сбой и фрагмент при высокой скорости загрузки. В тесте, цилиндр из материала, представляющего интерес, равномерно загружен по его внутренней окружности, запуск волну напряжения через стенку и вызывает расширение цилиндра. Вскоре этот радиальная волновая рассеивается и равномерное растяжение обруч стресс по окружности доминирует. Поскольку скорость напряжением и деформацией же вокруг цилиндра характер разрушения и фрагментации регулируется исключительно свойств материала. Тест облегчает вышеупомянутую проблему, как правило, крупные образцы окружности способствовать инициации нескольких сайтов отказа при равномерном стресса ^1.

Основная цель при разработке этой экспериментальной техники было для того, чтобы изучение роли температуры в поведении перелома и фрагментации расширяющейся цилиндра. Контроль температуры образца позволит исследование того, как динамической прочности на растяжение, механизма разрушения, и Фрагментация поведение материала зависит. Например, в металлах, повышение температуры может вызвать сдвиг от хрупкой до вязкого разрушения, размещения более пластиковый работу до конечном итоге удается. Некоторые материалы, такие как Ti-6Al-4V может также демонстрируют локализацию адиабатического сдвига ^2. В то время как образец деформируется, пластик работа вырабатывает тепло. Если скорость размягчения в результате этого повышения температуры больше, чем скорость упрочнения от деформации, нестабильность может сформировать где большое количество пластической деформации происходит в очень локализованы полосы (полосы сдвига адиабатического). Этот ответ способствовал в Ti-6Al-4V-за его плохой теплопроводности, и потенциально может снизить эффективность ее для таких приложений, как легкий брони.

Этот новый подход тестирование должно удовлетворять двум основным критериям. Во-первых, метод должен производить радиальную скорость деформации порядка 10 ⁴ с ^-1, как правило, рассматривается в баллистических исобытия воздействия, чтобы сравнение с предыдущими исследованиями, использующих более традиционные схемы погрузки. Во-вторых, механизм привода должен быть не зависит от температуры образца, чтобы обеспечить согласованность между экспериментами. Начальные механизмы расширения цилиндра используется взрывчатку, либо заполнив образец цилиндр ^3-5 непосредственно или с помощью промежуточного драйвера. В последнем случае используют буфер ^6, где образец помещают на стальной цилиндр, который, в свою очередь, содержит взрывной заряд. Очевидным ограничением является то, что, как образец цилиндра содержит привод материала (в виде взрывчатого вещества) нагревание цилиндра также будет нагревать заряд. Хотя это не может непосредственно привести к инициации заряда много типов взрывчатого вещества содержит полимерный связующий материал, который будет плавиться из образца цилиндра. Точно так же, некоторые взрывчатые вещества становятся очень чувствительны при охлаждении. Это означает, что взрывные диски не подходят для температуры исследования. АльтернативаМетод использует силу Лоренца для расширения – образец помещают над катушкой водителя ^{7, 8} высокий ток вводится в этой катушки драйвера (обычно толстостенной медной проволоки), вызывая противоположную тока в образце.. Эти противоположные токи связаны магнитные поля, которые действуют друг против друга, магнитное давление движущей образец наружу от внутренней поверхности. Опять же, нагрев материала будет отрицательно влиять на меди привода катушки внутри образца. Газовые пистолеты были использованы для расширения цилиндра с конца 1970-х годов ^9. В этих экспериментах материал, используемый для вставки в цилиндр представляет собой полимер, привод приходит в результате обоих снаряда и включить деформируя при ударе. Эта вставка, как правило, из резины или пластмассы ^10, прочность и пластичность, которые будут строго зависит от температуры. Отопление сделает вставки слишком мягким, и охлаждение заставить его вести себя в хрупкой образом, так она не преждевременно.

<p cдевушка = "jove_content"> В отличие от предыдущих методов расширения цилиндра, способ, описанный здесь, является первым, чтобы обеспечить повторяемое загрузки диска в широком диапазоне температур (100-1000 К). Наша методика является уникальным в том, что материал, используемый для приведения в действие расширение (в нашем случае снаряд) отделен от цилиндра до точки удара. Следовательно, это не зависит от начальной температуры образца цилиндра и обеспечивает повторяемый нагрузку.

Геометрия опыта состоит из стали Огива установленной внутри целевой цилиндра, с наконечником, расположенный примерно на полпути по длине цилиндра. Одноступенчатый газовая пушка затем используется для запуска снаряда из поликарбоната с вогнутой поверхностью в цилиндре при скоростях до 1000 м / сек ^-1. Ось цилиндра мишени тщательно выровнены по оси газового ствола, чтобы облегчить воспроизводимой и равномерной нагрузки. Поток воздействия и последующего РОlycarbonate снаряда вокруг псевдо-жесткой стали оживальной, приводит в действие цилиндр в расширении от внутренней стенки. Геометрия оживальной вставкой и вогнутой поверхностью снаряда были тщательно оптимизированы с помощью гидро-кода компьютерного моделирования для создания желаемого расширение цилиндра. Использование 4340 легированной стали для оживальной дает эксперименты с цилиндром при температуре в его прочность значительно выше, чем поликарбоната снаряда в диапазоне температур интереса, обеспечивая механизм привода остается неизменной. Ogives выделенные из нагревании и охлаждении экспериментов только демонстрируют минимальную деформацию в результате воздействия.

Нагрев и охлаждение образца цилиндра осуществляется путем установки контроля температуры аппаратного в обработанной углубление в задней части вставки оживальной. Для охлаждения образца до криогенных температур (~ 100 К), выемка в оживальной герметизируют с алюминиевой крышкой и жидкий азот Fмычали через полость. В целевой цилиндра имеет большую площадь контакта с оживальной образец охлаждают посредством проводимости. Для нагрева целевой цилиндр в температурах, близких к 1000 К, керамики и нихрома резистивный нагреватель размещен в углублении оживальной. Высокий ток питания обеспечивает до 1 кВт, нагрев стрельчатыми и цилиндр. Цилиндр и Огива термически изолированы от цели установки в одноступенчатой ​​газовой горелки через использование MACOR керамических прокладок. Бак также провел при умеренном вакууме (<0,5 Торр) в ходе эксперимента, который помогает тепловой манипуляции.

Для того, чтобы диагностировать процесс фрагментации цилиндра, опытно-конструкторских включает в себя несколько каналов преобразования частоты PDV, чтобы измерить скорость расширения в точках вдоль цилиндра. PDV является относительно новым ^11, оптическое волокно на основе интерферометрии техника, которая позволяет измерение поверхностных скоростей во высоко динамичных событий, Во время измерения PDV, доплеровского сдвига света, отраженного от движущейся поверхности интереса с использованием волоконно-оптического зонда сочетается с ООН сдвинуты света, создавая частоту биений, которая прямо пропорциональна скорости движущейся поверхности. По сути, система PDV является быстро интерферометр Майкельсона с помощью достижений в ближней инфракрасной (1550 нм) коммуникационных технологий для записи частоты биений в диапазоне ГГц. Система крепления для 100 мм с фокусным расстоянием ПДВ зондов, используемых в данном исследовании гарантирует, что они изолированы от температуры цилиндра и обеспечивает легкий выравнивание. Дополнительным преимуществом использования 100 мм фокусным расстоянием зондов является то, что они обеспечивают достаточную оптическую доступ для обеспечения высокой скорости фотографии для измерения профиля расширения всей цилиндра. Расположение и расположение четыре зондов, AD, вдоль цилиндра показана на рисунке 1 Две камеры высокоскоростные работают здесь. высокая скорость видео камеры Phantom V16.10 работает на 250000 кадров в секунду и ИВВ UHSi 12/24 обрамление камеры, захватив 24 изображений. Камера ИВВ подсвечивается таким образом, что цилиндр горит силуэт, позволяющего радиальное расширение край цилиндра, чтобы быть точно отслеживаться. Призрак камера переднего горит визуализации процесса инициации и фрагментации провал. Высокая скорость фотография может быть коррелирует с велосиметрии дать нагрузку и скорость деформации по всей выборке. Высокой скорости визуализации и позволяет для точного измерения напряжения и отказа шаблонов разрушения вдоль поверхности.

Экспериментальная методика представлена ​​в следующем разделе протокола предоставляет средства контроля температуры образца в расширяющейся эксперимента цилиндра, через которые различные механизмы разрушения может быть активирован или подавленной. Этот метод приведет к более широкому пониманию роли температуры в динамических сценариев нагрузки.