Materiële karakterisering van het tarief van de tussenliggende stam met digitaal beeld correlatie
Summary
Hier presenteren we een methodologie voor de dynamische karakterisering van treksterkte specimens op tussenliggende stam tarieven met een kader voor een snelle servo-hydraulische belasting. Procedures voor spanningsmeter instrumentatie en analyse, alsmede voor digitaal beeld correlatie stam metingen op de specimens, worden ook gedefinieerd.
Abstract
De mechanische reactie van een materiaal onder dynamische belasting is meestal anders dan haar gedrag onder statische omstandigheden; Dus, de gemeenschappelijke quasi-statische Apparatuuren procedures gebruikt voor de karakterisering van de materiële gelden niet voor materialen onder dynamische belasting. De dynamische respons van een materiaal hangt af van de vervorming tarief en is in grote lijnen ingedeeld in hoge (dat wil zeggen, groter is dan 200/s), intermediate (dat wil zeggen, 10−200/s) en de lage spanning stem regimes (dat wil zeggen, onder 10/s). Elk van deze regimes vraagt om specifieke voorzieningen en testprotocollen om de betrouwbaarheid van de opgehaalde gegevens. Als gevolg van de beperkte toegang tot snelle servo-hydraulische faciliteiten en gevalideerde testprotocollen is er een merkbaar verschil in de resultaten tegen de koers van het tussenliggende stam. Het huidige manuscript presenteert een gevalideerde protocol voor de karakterisering van verschillende materialen op deze tussentijdse stam tarieven. Rekstrookje instrumentatie en digitaal beeld correlatie protocollen zijn ook opgenomen als gratis modules om de grootste hoeveelheid gedetailleerde gegevens uit elke single-test. Voorbeelden van raw-gegevens, verkregen uit een verscheidenheid van materialen en testopstellingen (b.v., treksterkte en schuintrekken) wordt gepresenteerd en de analyseprocedure gebruikt voor het verwerken van de uitvoergegevens wordt beschreven. Tot slot, de uitdagingen van de dynamische karakterisering met behulp van het huidige protocol, samen met de beperkingen van de faciliteit en methoden voor het oplossen van potentiële problemen worden besproken.
Introduction
De meeste materialen laten zien een zekere mate van spanning tarief afhankelijkheid in hun mechanische gedrag1 en mechanische testen uitgevoerd alleen bij quasi-statische belasting tarieven dus niet geschikt om de eigenschappen van het materiaal voor dynamic toepassingen. De stam tarief afhankelijkheid van materialen wordt meestal onderzocht met behulp van vijf soorten mechanische testen systemen: conventionele schroef station belasting frames, servo-hydraulische systemen, hoge-snelheid servo-hydraulische systemen, impact testers en Hopkinson bar systemen 1. Split Hopkinson bars zijn geweest een gemeenschappelijk faciliteit voor de dynamische karakterisering van materialen voor de afgelopen 50 jaar2. Ook zijn er inspanningen Hopkinson bars om te testen op intermediaire en lagere spanning tarieven te wijzigen. Deze faciliteiten zijn echter meestal meer geschikt voor de hoge stam tarief karakteristieken van het materiaal (bijvoorbeeld meestal groter is dan 200/s). Er is een hiaat in de literatuur over de stam tarief karakterisering van materiaaleigenschappen op tussenliggende stam tarieven in het bereik van 10−200/s (dat wil zeggen, tussen de quasi-statische en hoge stam tarief resultaten verkregen uit split Hopkinson bars3), die te wijten is aan de beperkte toegang tot faciliteiten en een gebrek aan betrouwbare procedures van tussenliggende stam percentage materiële testen.
Een snelle servo-hydraulische belasting frame geldt belasting voor het model met een constante en vooraf gedefinieerde snelheid. Deze laden frames voordeel vanuit een toegestane adapter, waarmee, in trekproeven, de crosshead tot de gewenste snelheid voordat het laden wordt gestart. De toegestane adapter maakt het hoofd om te reizen van een bepaalde afstand (bijvoorbeeld 0,1 m) te bereiken van de doelstelling snelheid en dan begint de belasting op het model toe te passen. Snelle servo-hydraulische belasting frames meestal tests onder verplaatsing control-modus uitvoeren en handhaven van een constante actuator snelheid om te produceren constant engineering stam tarieven3.
Technieken voor het meten van specimen rek worden algemeen ingedeeld als contact of noncontact technieken4. Contact technieken omvatten het gebruik van instrumenten zoals clip-on extensometers, terwijl de laser extensometers noncontact metingen worden gebruikt. Aangezien contact extensometers gevoelig voor invloeden van de traagheid zijn, zijn ze niet geschikt voor dynamische proeven; noncontact extensometers heeft geen last van dit probleem.
Digitaal beeld correlatie (DIC) is een optische contactloze, full-veld stam Meettechniek, die een alternatieve benadering spanning meten om te meten van de stam/belasting en overwinnen enkele van de uitdagingen (bijvoorbeeld de beltoon verschijnsel is) geassocieerd met dynamische materiële karakterisering5. Weerstand spanningsmeters kunnen lijden aan beperkingen zoals een beperkt gebied van meting, een beperkt aantal rek en beperkte montage methoden, overwegende dat DIC is altijd in staat om een volledige-veld stam meting van het oppervlak van het model tijdens de experiment.
De voorgestelde procedure beschrijft het gebruik van een snelle servo-hydraulische belasting frame samen met DIC en kan worden gebruikt als een aanvullend document op de onlangs ontwikkelde gestandaardiseerde richtsnoeren6 ter verduidelijking van de details van de experimentele procedure. De sectie op het frame van de servo-hydraulische belasting kan worden gevolgd voor een verscheidenheid van testopstellingen (b.v., treksterkte, druksterkte, en schuintrekken) en zelfs met gemeenschappelijke quasi-statische belasting frames zo goed, en dus, dekt een breed scala aan faciliteiten. Bovendien kan de DIC sectie afzonderlijk worden toegepast op elk type van mechanische of thermische proeven, met kleine wijzigingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De ruwe gegevens die zijn verkregen uit het experiment wordt beïnvloed door de specimen geometrie en spanningsmeters locatie op het model. De gegevens van de belasting in laag belasting tarief dynamische proeven overgenomen door een piëzo-elektrische lading wasmachine opgenomen in het frame van de lading tot een hoger niveau van de stam (Bruce et al.. 3 voorgestelde > 10/s, terwijl voor Wang et al.. 9 gemeld deze limiet tot 100/s) meestal last van grote …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de grote steun van Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse en Alex Naftel. Financiële ondersteuning door de National Research Raad Canada (NRC) via het programma veiligheid materialen technologie (SMT) wordt ook gewaardeerd.
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
- Xiao, X. Dynamic tensile testing of plastic materials. Polymer Testing. 27 (2), 164-178 (2008).
- 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).
- Bruce, D., Matlock, D., Speer, J., De, A. Assessment of the strain-rate dependent tensile properties of automotive sheet steels. SAE World Congress. , (2004).
- Rahmat, M. Dynamic mechanical characterization of aluminum: analysis of strain-rate-dependent behavior. Mechanics Time-Dependent Materials. , (2018).
- Gray, G., Blumenthal, W. R. . Split-Hopkinson pressure bar testing of soft materials. 8, 1093-1114 (2000).
- . . ISO 26203-2:2011; Metallic materials-Tensile testing at high strain rates-Part 2: Servo-hydraulic and other test systems. , 15 (2011).
- 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).
- . SAE, High strain rate testing of polymers. SAE International. , 27 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- LeBlanc, M. M., Lassila, D. H. A hybrid Technique for compression testing at intermediate strain rates. Experimental Techniques. 20 (5), 21-24 (1996).
- Xiao, X. Analysis of dynamic tensile testing. 11th International Congress and Exhibition on Experimental and Applied Mechanics. , (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
