Summary

Cepa intermediária taxa Material caracterização com correlação de imagem Digital

Published: March 01, 2019
doi:

Summary

Aqui apresentamos uma metodologia para a caracterização dinâmica de tração espécimes em taxas de tensão intermediária usando um referencial de carga servo-hidráulicos de alta velocidade. Procedimentos para Extensômetro instrumentação e análise, bem como para medições de tensão de correlação de imagem digital em espécimes, também são definidos.

Abstract

A resposta mecânica de um material sob carga dinâmica é normalmente diferente de seu comportamento em condições estáticas; Portanto, o equipamento quasistatic comuns e procedimentos utilizados para a caracterização do material não são aplicáveis para materiais sob cargas dinâmicas. A resposta dinâmica de um material depende de sua taxa de deformação e é amplamente classificada em alta (ou seja, maior que 200/s), intermediário (i.e., 10−200/s) e baixa tensão taxa regimes (ou seja, inferior a 10/s). Cada um destes regimes chama para instalações específicas e protocolos de testes garantir a confiabilidade dos dados adquiridos. Devido ao limitado acesso às instalações de servo-hidráulicos de alta velocidade e protocolos de testes validados, há uma diferença perceptível nos resultados na taxa de tensão intermediária. O manuscrito atual apresenta um Protocolo validado para a caracterização de materiais diferentes a estas taxas de tensão intermediária. Instrumentação do calibre de tensão e protocolos de correlação da imagem digital também estão incluídos como módulos gratuitos para extrair o máximo nível de dados detalhados de cada teste único. Exemplos de dados brutos, obtidos de uma variedade de materiais e instalações de teste (por exemplo,, à tração e cisalhamento) é apresentado e é descrito o procedimento de análise utilizado para processar os dados de saída. Finalmente, os desafios da caracterização dinâmica usando o protocolo atual, juntamente com métodos de superação de problemas potenciais e as limitações da instalação são discutidos.

Introduction

A maioria dos materiais demonstram algum grau de dependência de taxa de tensão em seu comportamento mecânico1 e, portanto, teste mecânico realizado somente em taxas de estirpe quasistatic não é adequado para determinar as propriedades de material para dinâmica aplicações. A dependência de taxa de deformação de materiais normalmente é investigada usando cinco tipos de sistemas de ensaios mecânicos: quadros de carga de unidade de parafuso convencional, sistemas servo-hidráulicos, sistemas servo-hidráulicos de alta taxa, testadores de impacto e sistemas de barra Hopkinson 1. barras de Split Hopkinson tem sido uma instalação comum para a caracterização dinâmica de materiais durante os últimos 50 anos2. Também tem havido esforços para modificar barras de Hopkinson para testar a taxas de esforço intermediário e inferior. No entanto, estas facilidades são tipicamente mais adequadas para as caracterizações de taxa de alta tensão do material (ou seja, geralmente maior que 200/s). Existe uma lacuna na literatura sobre a caracterização de taxa de estirpe de propriedades do material em taxas de pressão intermediária no intervalo de 10−200/s (ou seja, entre os resultados de taxa quasistatic e alta tensão obtidos de split Hopkinson barras3), que é devido a o limitado acesso às instalações e a falta de procedimentos confiáveis de pressão intermediária taxa material testes.

Um quadro de carga servo-hidráulicos de alta velocidade aplica-se a carga para a amostra a uma velocidade constante e predefinida. Estas carregar quadros benefício de um adaptador de frouxo, que, em ensaios de tracção, permite a cruzeta atingir a velocidade desejada antes do início do carregamento. O adaptador de folga permite que a cabeça de viajar a uma certa distância (por exemplo, 0,1 m) para atingir a velocidade do alvo e então inicia a aplicação da carga para a amostra. Quadros de carga servo-hidráulicos de alta velocidade, normalmente, realizar testes sob a modalidade de controle de deslocamento e mantem uma velocidade constante do atuador para produzir constante tensão engenharia taxas3.

Técnicas para medição do alongamento do espécime geralmente são classificadas como contacto ou sem contacto técnicas4. Técnicas de contacto incluem o uso de instrumentos como clip-on de ângulo, enquanto o ângulo do laser é empregados para medições sem contato. Desde que o ângulo de contato é propensos a influências de inércia, não são apropriados para ensaios dinâmicos; ângulo de contacto não sofrem esse problema.

Correlação de imagem digital (DIC) é uma técnica de medição de tensão óptica, sem contato, campo integral, que é uma abordagem alternativa à estirpe de aferição para medir a tensão de carga e superar alguns dos desafios (por exemplo, o fenômeno de toque) associado com caracterização dinâmica de material5. Resistência extensómetros pode sofrer de limitações como uma área limitada de medição, uma gama limitada de alongamento e métodos de montagem limitada, Considerando que a DIC é sempre capaz de fornecer uma medição de tensão de campo integral da superfície da amostra durante o experimento.

O procedimento apresentado descreve o uso de um quadro de carga servo-hidráulicos de alta velocidade juntamente com DIC e pode ser usado como um documento complementar para o recentemente desenvolvido diretrizes padrão6 , para esclarecer os detalhes do procedimento experimental. A seção sobre o quadro de servo-hidráulicos de carga pode ser seguida por uma variedade de configurações de teste (por exemplo, tração, compressão e cisalhamento) e mesmo com carga quasistatic comum quadros também e, portanto, abrange um vasto leque de comodidades. Além disso, a seção DIC pode ser aplicada separadamente a qualquer tipo de testes mecânicos ou térmicos, com pequenas modificações.

Protocol

1. preparação das amostras Prepare o osso de cão em forma de tração espécimes de acordo com o padrão de ISO6 antecipadamente.Nota: Espécimes semelhantes são também usadas4. Instale extensómetros na seção guia (obrigatória para medição de carga) e na seção bitola (opcional para medição de tensão) da amostra à tração. Selecione o modelo adequado do calibre de tensão baseado no tamanho, extensão máxima, teste a tempera…

Representative Results

A duração de um teste dinâmico é tipicamente comparável para o tempo necessário para as ondas de estresse para uma ida e volta de viagem ao longo do comprimento do trem de carga (ou seja, apertos, espécime e carregamento) sistema1. Um ensaio dinâmico é válido se o número e a amplitude das ondas de estresse durante um ensaio dinâmico é controlada para que um equilíbrio dinâmico é alcançado, e o espécime experimenta uma deformação homogênea a uma…

Discussion

Os dados brutos obtidos a partir da experiência são influenciados pela localização geometria e extensómetros espécime na amostra. Os dados de carga em ensaios dinâmicos de taxa de baixa tensão adquiridos por uma máquina de lavar carga piezo-elétrico incorporaram o quadro de carga a taxas mais elevadas de estirpe (Bruce et al. 3 sugerido > 10/s, enquanto que para Wang et al. 9 relatou este limite ser 100/s) normalmente sofrem oscilações de grand…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores reconhecem a grande assistência de Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse e Alex Naftel. Apoio financeiro por o Canadá de Conselho Nacional de pesquisa (NRC) através do programa de tecnologia de materiais de segurança (SMT) também é apreciado.

Materials

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

References

  1. Xiao, X. Dynamic tensile testing of plastic materials. Polymer Testing. 27 (2), 164-178 (2008).
  2. Nemat-Nasser, S., Isaacs, J. B., Starrett, J. E. Hopkinson techniques for dynamic recovery experiments. Proceedings of Royal Society of London A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 435 (1894), 371-391 (1991).
  3. Bruce, D., Matlock, D., Speer, J., De, A. Assessment of the strain-rate dependent tensile properties of automotive sheet steels. SAE World Congress. , (2004).
  4. Rahmat, M. Dynamic mechanical characterization of aluminum: analysis of strain-rate-dependent behavior. Mechanics Time-Dependent Materials. , (2018).
  5. Gray, G., Blumenthal, W. R. . Split-Hopkinson pressure bar testing of soft materials. 8, 1093-1114 (2000).
  6. . . ISO 26203-2:2011; Metallic materials-Tensile testing at high strain rates-Part 2: Servo-hydraulic and other test systems. , 15 (2011).
  7. Rahmat, M., Naftel, A., Ashrafi, B., Jakubinek, M. B., Martinez-Rubi, Y., Simard, B. Dynamic Mechanical Characterization of Boron Nitride Nanotube – Epoxy Nanocomposites. Polymer Composites. , (2018).
  8. . SAE, High strain rate testing of polymers. SAE International. , 27 (2008).
  9. Wang, Y., Xu, H., Erdman, D. L., Starbuck, M. J., Simunovic, S. Characterization of high-strain rate mechanical behavior of AZ31 magnesium alloy using 3D digital image correlation. Advanced Engineering Materials. 13 (10), 943-948 (2011).
  10. Mansilla, R. A., García, D., Negro, A. Dynamic tensile testing for determining the stress-strain curve at different strain rate. 6th International Conference on Mechanical and Physical Behaviour of Materials Under Dynamic Loading. 10 (9), 695-700 (2000).
  11. Zhu, D., Mobasher, B., Rajan, S. D., Peralta, P. Characterization of Dynamic Tensile Testing Using Aluminum Alloy 6061-T6 at Intermediate Strain Rates. Journal of Engineering Mechanics. 137 (10), 669-679 (2011).
  12. Schossig, M., Bieroegel, C., Grellmann, W., Bardenheier, R., Mecklenburg, T. Effect of strain rate on mechanical properties of reinforced polyolefins. 16th European Conference of Fracture. , 507-508 (2006).
  13. Xia, Y., Zhu, J., Wang, K., Zhou, Q. Design and verification of a strain gauge-based load sensor for medium-speed dynamic tests with a hydraulic test machine. International Journal of Impact Engineering. 88, 139-152 (2016).
  14. Yang, X., Hector, L. G., Wang, J. A Combined Theoretical/Experimental Approach for Reducing Ringing Artifacts in Low Dynamic Testing with Servo-hydraulic Load Frames. Experimental Mechanics. 54 (5), 775-789 (2014).
  15. Xia, Y., Zhu, J., Zhou, Q. Verification of a multiple-machine program for material testing from quasi-static to high strain-rate. International Journal of Impact Engineering. 86, 284-294 (2015).
  16. Yan, B., Kuriyama, Y., Uenishi, A., Cornette, D., Borsutzki, M., Wong, C. Recommended Practice for Dynamic Testing for Sheet Steels – Development and Round Robin Tests. SAE International. , (2006).
  17. Borsutzki, M., Cornette, D., Kuriyama, Y., Uenishi, A., Yan, B., Opbroek, E. Recommendations for Dynamic Tensile Testing of Sheet Steels. International Iron and Steel Institute. , (2005).
  18. Rusinek, A., Cheriguene, R., Bäumer, A., Klepaczko, J. R., Larour, P. Dynamic behaviour of high-strength sheet steel in dynamic tension: Experimental and numerical analyses. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 43 (1), 37-53 (2008).
  19. Diot, S., Guines, D., Gavrus, A., Ragneau, E. Two-step procedure for identification of metal behavior from dynamic compression tests. International Journal of Impact Engineering. 34 (7), 1163-1184 (2007).
  20. LeBlanc, M. M., Lassila, D. H. A hybrid Technique for compression testing at intermediate strain rates. Experimental Techniques. 20 (5), 21-24 (1996).
  21. Xiao, X. Analysis of dynamic tensile testing. 11th International Congress and Exhibition on Experimental and Applied Mechanics. , (2008).
  22. Othman, R., Guégan, P., Challita, G., Pasco, F., LeBreton, D. A modified servo-hydraulic machine for testing at intermediate strain rates. International Journal of Impact Engineering. 36 (3), 460-467 (2009).
  23. Kwon, J. B., Huh, H., Ahn, C. N. An improved technique for reducing the load ringing phenomenon in tensile tests at high strain rates. Annual Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics. Costa Mesa, United States. , (2016).
  24. Pan, W., Schmidt, R. Strain rate effect in material testing of bulk adhesive. 9th International Conference on Structures Under Shock and Impact. 87, 107-116 (2006).
  25. Zhang, D. N., Shangguan, Q. Q., Xie, C. J., Liu, F. A modified Johnson-Cook model of dynamic tensile behaviors for 7075-T6 aluminum alloy. Journal of Alloys and Compounds. 619, 186-194 (2015).
  26. Fitoussi, J., Meraghni, F., Jendli, Z., Hug, G., Baptiste, D. Experimental methodology for high strain-rates tensile behaviour analysis of polymer matrix composites. Composites Science and Technology. 65 (14), 2174-2188 (2005).

Play Video

Cite This Article
Rahmat, M., Backman, D., Desnoyers, R. Intermediate Strain Rate Material Characterization with Digital Image Correlation. J. Vis. Exp. (145), e59168, doi:10.3791/59168 (2019).

View Video