Un metodo per studiare la dipendenza dalla temperatura della dinamica Frattura e frammentazione

Il fallimento dinamica di un materiale è un aspetto importante del suo comportamento meccanica complessiva, e ha rilevanza per numerose industrie compreso automobilistico, aerospaziale, e militari per citarne alcuni. Mentre insuccesso strain bassi tassi è tipicamente studiata attraverso prove di trazione convenzionale, in cui è caricato un campione lungo e sottile in tensione dalle estremità, alle alte velocità di deformazione ad una geometria / configurazione richiede un campione molto piccolo per mantenere un equilibrio pseudo-meccanico durante tutta la prova. Alla comparsa di una singola fessura, il materiale circostante sarà rilassato, arrestando efficacemente lo sviluppo di altri siti guasto adiacenti. Questo limita il numero di fratture che possono essere simultaneamente osservate in un solo esperimento, e impedisce le informazioni importanti per quanto riguarda le statistiche di fallimento da determinare.

Il test cilindro espansibile è una tecnica ben consolidata per caratterizzare il modo in cui materials fallire e frammento sotto carico ad alta velocità. Nel test, un cilindro in materiale di interesse viene caricato uniformemente lungo la sua circonferenza interna, lanciando un'onda stress attraverso la parete e causando il cilindro di espandersi. Presto questa onda radiali dissipa e una divisa trazione cerchio intorno alla circonferenza domina. Poiché il tasso di stress e la tensione è la stessa intorno al cilindro il comportamento a frattura e la frammentazione è disciplinata esclusivamente dalla proprietà del materiale. Il test allevia il problema di cui sopra, come le tipicamente grandi circonferenze campioni promuovere apertura di più siti di rottura sotto stress uniforme ^1.

L'obiettivo principale nello sviluppo di questa tecnica sperimentale era quello di consentire lo studio del ruolo della temperatura nel comportamento a frattura e la frammentazione di un cilindro espansibile. Il controllo della temperatura del campione consentirà indagini di come la resistenza alla trazione dinamica, meccanismo di frattura, e Fragmcomportamento sentazione del materiale è influenzata. Ad esempio in metalli, un aumento della temperatura può causare uno spostamento da fragile per frattura duttile, accomodante lavoro più plastica prima di fallire definitivamente. Alcuni materiali come il Ti-6Al-4V possono presentare anche al taglio adiabatica localizzazione ^2. Mentre il campione si deforma, l'opera plastica genera calore. Se il tasso di rammollimento a seguito di questo aumento di temperatura è superiore al tasso di incrudimento dalla deformazione, una instabilità può formare in cui una grande quantità di deformazione plastica si verifica in una banda molto localizzata (banda shear adiabatica). Questa risposta è promosso in Ti-6Al-4V causa della sua scarsa conducibilità termica, e può potenzialmente limitare la sua efficacia per applicazioni come armatura leggera.

Questo nuovo approccio di prova deve soddisfare due criteri principali. In primo luogo, il metodo deve produrre una velocità di deformazione radiale dell'ordine di 10 ⁴ sec ^-1, vengono tipicamente osservati in balistica eeventi di impatto, per permettere un confronto con precedenti studi che impiegano più regimi di carico tradizionali. In secondo luogo, il meccanismo di azionamento deve essere influenzato dalla temperatura del campione per garantire la coerenza tra esperimenti. Meccanismi di espansione cilindro iniziale utilizzato cariche esplosive, o semplicemente compilando il cilindro del campione ^3-5, direttamente o tramite un driver intermedio. In quest'ultimo caso, un tampone viene impiegato ^6, dove il campione viene posizionato sopra un cilindro di acciaio che a sua volta contiene una carica esplosiva. La limitazione evidente è che il cilindro campione contiene il materiale rigido (in forma di esplosivo) riscaldare il cilindro anche riscaldare la carica. Mentre questo non può causare direttamente iniziazione della carica molti tipi di esplosivo contengono un materiale legante polimerico che si scioglierà fuori dal cilindro di campionamento. Allo stesso modo, alcuni esplosivi diventano altamente sensibili quando raffreddato. Ciò significa che le unità esplosivi non sono adatti per lo studio della temperatura. Un'alternativametodo utilizza la forza di Lorentz per espansione – il campione è posto su una bobina conducente ^{7, 8} A corrente elevata viene iniettato in questa bobina driver (diametro filo di rame tipicamente pesante), inducendo una corrente opposta nel campione.. Queste correnti opposte sono associate campi magnetici che agiscono contro l'altra, la pressione magnetica guidare il campione verso l'esterno dalla superficie interna. Anche in questo caso, il riscaldamento del materiale influenza negativamente la bobina di azionamento rame all'interno del campione. Pistole a gas sono stati utilizzati per l'espansione cilindro sin dalla fine del 1970 ^9. In questi esperimenti il ​​materiale utilizzato per l'inserto nel cilindro è un polimero, l'azionamento viene come conseguenza sia del proiettile e inserire deformazione al momento dell'impatto. Questo inserto è tipicamente una gomma o plastica ^10, la resistenza e duttilità dei quali sarà severamente influenzate dalla temperatura. Riscaldamento renderà l'inserto troppo morbido, e il raffreddamento renderà comportarsi in maniera così fragili non riesce prematuramente.

La geometria sperimentale costituito da un acciaio ogiva montata all'interno del cilindro di destinazione, con la punta si trova circa a metà della lunghezza del cilindro. Un unico cannone a gas leggero fase viene quindi utilizzato per lanciare un proiettile policarbonato con una faccia concava nel cilindro a velocità fino a 1.000 m / sec ^-1. L'asse del cilindro è bersaglio è accuratamente allineato all'asse della canna gas-gun per facilitare un carico ripetibile e uniforme. Il flusso di impatto e la successiva del Poproiettile lycarbonate intorno dell'acciaio ogiva pseudo-rigida, aziona il cilindro in espansione dalla parete interna. La geometria dell'inserto ogiva e la faccia concava del proiettile sono stati attentamente ottimizzati utilizzando simulazioni al computer idro-codice per generare l'espansione desiderata del cilindro. Utilizzando acciaio legato 4340 per dell'ogiva permette sperimentazione con il cilindro a temperatura come la sua forza è molto superiore proiettile policarbonato nel campo di temperatura di interesse, assicurando il meccanismo di azionamento resta costante. Ogives recuperati da esperimenti riscaldati e raffreddati mostrano solo minima deformazione a seguito dell'impatto.

Il riscaldamento e il raffreddamento del cilindro del campione è compiuto mediante l'installazione di hardware di controllo della temperatura in un incavo lavorata nella parte posteriore dell'inserto ogiva. Per il raffreddamento del campione a temperature criogeniche (~ 100 K), l'incavo nel ogiva è sigillata con un tappo di alluminio e azoto liquido è flowed attraverso la cavità. Come il cilindro porta ha una grande area di contatto con l'ogiva il campione viene raffreddato per conduzione. Per riscaldare il cilindro porta a temperature prossime 1.000 K, un riscaldatore ceramico e nicromo resistivo viene posizionato nella cavità ogiva. Un alimentatore ad alta corrente fornisce fino a 1 kW, riscaldando dell'ogiva e cilindro. Il cilindro e ogiva sono termicamente isolate dal bersaglio montare nel singolo gas-gun scena attraverso l'uso di MACOR distanziatori ceramici. Il serbatoio è contenuto anche sotto vuoto moderato (<0,5 Torr) durante l'esperimento che aiuta manipolazione termica.

Per diagnosticare il procedimento di frammentazione del cilindro, il disegno sperimentale comprende molteplici canali di frequenza-conversione PDV, per misurare la velocità di espansione ai punti lungo il cilindro. PDV è una tecnica relativamente nuova interferometria a base ^11, la fibra ottica che consente la misurazione della velocità di superficie durante gli eventi altamente dinamici. Durante una misurazione PDV, Doppler spostato la luce riflessa da una superficie mobile di interesse utilizzando una sonda a fibre ottiche è combinato con la luce un-spostato, creando una frequenza di battimento che è direttamente proporzionale alla velocità della superficie in movimento. In sostanza, un sistema di PDV è un interferometro di Michelson veloce grazie ai progressi nel vicino infrarosso (1.550 nm), la tecnologia di comunicazione a frequenze di battere il record nella gamma GHz. Il sistema di montaggio per la lunghezza focale sonde PDV 100 millimetri utilizzati in questo studio garantisce che essi sono isolati dalla temperatura del cilindro e fornisce un facile allineamento. Un ulteriore vantaggio di utilizzare sonde lunghezza focale 100 mm che forniscono accesso ottico sufficiente per consentire fotografia ad alta velocità per misurare il profilo di espansione dell'intero cilindro. La disposizione e la posizione del quattro sonde, AD, lungo il cilindro è mostrato nella Figura 1 Due telecamere ad alta velocità sono impiegati qui.; una videocamera ad alta velocità Phantom V16.10 operando a 250.000 fps e un IVV UHSi fotocamera 12/24 inquadratura, catturando 24 immagini. La telecamera IVV è retroilluminata tale che il cilindro è illuminato in silhouette permettendo al bordo radialmente espansione del cilindro da tracciare con precisione. La telecamera Phantom è anteriore illuminato imaging del processo fallimento di iniziazione e frammentazione. La fotografia ad alta velocità può quindi essere correlata con la velocimetria di dare tensione e velocità di deformazione lungo l'intero campione. L'imaging ad elevata velocità permette anche una misura precisa del ceppo fallimento e gli schemi di frattura lungo la superficie.

La tecnica sperimentale presentato nella sezione seguente protocollo fornisce un mezzo per il controllo della temperatura del campione in un esperimento cilindro in espansione, attraverso il quale diversi meccanismi di frattura possono essere attivate o soppressi. Questa tecnica porterà a una comprensione più completa del ruolo della temperatura negli scenari di carico dinamico.