Mellomliggende belastning Rate materiale karakterisering med Digital Image korrelasjon
Summary
Her presenterer vi en metode for dynamisk karakterisering av strekk til mellomliggende belastning priser bruker en høyhastighets servo-hydraulisk belastning. Prosedyrer for belastninger måle instrumentering og analyse og digitalt bilde korrelasjon press målinger på prøver, er også angitt.
Abstract
Mekanisk svaret av et materiale under dynamisk belastning er vanligvis forskjellig virkemåten under statisk forhold; Derfor gjelder felles quasistatic utstyr og prosedyrer brukes til materielle karakterisering ikke for materialer under dynamisk belastning. Den dynamiske responsen av et materiale avhenger av dens deformasjon rate og grovt kategoriseres i høy (dvs. større enn 200/s), middels (dvs. 10−200/s) og lav belastning rate regimer (dvs. under 10/s). Hver av disse regimer krever spesielle fasiliteter og testing protokoller å sikre at den ervervet data. På grunn av begrenset tilgang til høyhastighets servo-hydraulisk fasiliteter og validert testing protokoller er det en merkbar gap i resultatene hastigheten mellomliggende belastning. Gjeldende manuskriptet presenterer en validert protokoll for karakterisering av ulike materialer på disse mellomliggende belastning priser. Strain gauge instrumentering og digitalt bilde korrelasjon protokoller er også inkludert som gratis moduler å trekke den ytterste nivået av detaljerte data fra hver enkelt test. Eksempler på rådata, Hentet fra en rekke materialer og test oppsett (f.eks, strekk og skråstille) presenteres og analyse prosedyren brukes til å behandle utdata er beskrevet. Til slutt, utfordringene i dynamiske karakterisering ved hjelp av gjeldende, begrensninger av anlegget og metoder for overvinne potensielle problemer drøftes.
Introduction
De fleste materialer demonstrere noen grad av belastningen hastigheten avhengighet i deres kvantemekaniske1 , og derfor mekanisk testing utført bare ved quasistatic belastning priser er ikke egnet til å avgjøre de materielle egenskapene for dynamisk programmer. Belastning rate avhengighet av materialer er vanligvis undersøkt med fem typer mekaniske testing systemer: konvensjonelle skruen stasjonen Last rammer, servo-hydrauliske systemer, høy servo-hydrauliske systemer, innvirkning testere og Hopkinson bar systemer 1. delt Hopkinson barer har vært en vanlig funksjon for dynamisk karakterisering av materialer siste 50 år2. Det har også vært forsøk på å endre Hopkinson barer å teste på middels og lavere belastning priser. Men disse er vanligvis mer egnet for høy belastning hastigheten karakteristikkene av materialet (dvs., vanligvis større enn 200/s). Det er et gap i litteraturen om belastningen hastigheten karakterisering av materielle egenskapene til mellomliggende belastning priser i området 10−200/s (dvs., mellom quasistatic og høy belastning rate resultater fra delt Hopkinson barer3), som er grunn begrenset tilgang til fasiliteter og en mangel på pålitelig prosedyrer mellomliggende belastning rate materiale testing.
En høyhastighets servo-hydraulisk Last ramme gjelder prøven på en konstant og forhåndsdefinerte hastighet belastning. Dette laste rammer fordel fra en slakk adapter, som i strekk tester, lar crosshead å nå ønsket hastigheten før lasting starter. Slakk adapteren lar hodet til reise en viss avstand (f.eks 0.1 m) for å nå målet hastigheten og starter deretter bruke belastningen på prøven. Høyhastighets servo-hydraulisk Last rammer vanligvis utføre testene under forskyvning kontrollmodus og opprettholde en konstant aktuator hastighet for å produsere konstant utvikling belastning priser3.
Teknikker for måling av prøven forlengelse er vanligvis klassifisert som enten kontakt eller noncontact teknikker4. Kontakt teknikker inkluderer bruk av instrumenter som klips hjelp, mens laser hjelp er ansatt for noncontact målinger. Siden kontakt hjelp er utsatt for treghet påvirkninger, er de ikke egnet for dynamiske prøver; noncontact hjelp lider ikke av dette problemet.
Digitalt bilde korrelasjonen (DIC) er en optisk, kontaktløs, full-feltet belastning måling teknikk, som er en alternativ tilnærming til belastning måle måle belastning/belastning og overvinne noen av utfordringene (f.eks ringing fenomenet) forbundet med dynamisk materiale karakterisering5. Motstand Måløy kan lide av begrensninger som et begrenset område av måling, et begrenset utvalg av forlengelse, og begrenset montering metoder, mens DIC er alltid i stand til å gi en full-feltet belastning måling prøveoverflaten under den eksperiment.
Presentert prosedyren beskriver bruken av et høyhastighets servo-hydraulisk Last ramme med DIC og kan brukes som en komplementær dokumentet til nylig utviklet standard retningslinjer6 å klargjøre detaljene i den eksperimentelle prosedyren. Delen på servo-hydraulisk Last rammen kan følges for en rekke test oppsett (f.eks, strekk, kompresjons, og skjær) og selv med vanlige quasistatic Last rammer også, og derfor dekker et bredt utvalg av fasiliteter. Videre kan delen DIC brukes separat til noe mekanisk og termisk tester, med mindre endringer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rådata fra eksperimentet er påvirket av prøven geometri og Måløy plasseringen på prøven. Last dataene i lav belastning rate dynamic tester av en piezo-elektriske belaste skive innlemmet i Last rammen på høyere belastning priser (Bruce et al. 3 foreslåtte > 10/s, mens for Wang et al. 9 rapportert denne grensen til 100/s) vanligvis lider store amplituden svingninger på grunn av dynamisk bølger forbundet med lasting. Som vist i <strong class="xfig…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne bekrefter stor hjelp fra Dmitrii Klishch, Michel Delannoy, Tyler Musclow, Fraser Kirby, Joshua Ilse og Alex Naftel. Økonomisk støtte av den National Research Council Canada (NRC) gjennom programmet sikkerhet materialer teknologi (SMT) er også verdsatt.
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 |
Referencias
- 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).
