Dynamic fragmentation of laser shock-melted metals: some experimental advances

• Autorzy: Resseguier T. de , Loison D. , Lescoute E. , Signor L. , Dragon A.

Warianty tytułu

PL

Dynamiczna defragmentacja metalu topionego impulsem laserowym: wybrane rezultaty badań doświadczalnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

While spall damage in solid materials has been one of the most widely studied shock-driven phenomena, very little data can be found yet about spallation in liquid metals. In recent papers, some of present authors have reported on exploratory investigations of liquid spall – sometimes called "microspall" – in tin samples melted upon laser shocks of high intensities. Modelling approaches have also been discussed and compared with experimental observations. In particular, theoretical fragment size distributions have been compared with experimental distributions inferred from image analyses on fragment-impacted recovery polymer shields. While the curves representing the number per unit area vs. size of fragments present a similar aspect, the numbers predicted by an energy-based model are significantly greater than those observed experimentally. This is due predominantly to the characterisation technique, limited to surface examination, while a number of fragments penetrate the polymer shield and lay below its surface. This is why a new fragment recovery technique is being tested in this paper. This technique, based on a highly transparent low density gel, allows soft recovery and easier observation (compared e.g. with foams or aerogels) of the fragments size, shape and penetration depth, with improved spatial resolution. Coupled with shadowgraphy, scanning electron micrography and optical micrography, this recovery technique progress allows for an advanced insight into the henomenology of microspall related fragmentation. To show it, laser shocks upon a tin target and an aluminium target are investigated, leading to different scenarios regarding melting conditions and fragmentation processes.

PL

O ile problem łuszczenia i wykruszania się materiałów pod wpływem obciążeń udarowych został bardzo szeroko przeanalizowany, bardzo niewiele informacji spotyka się odnośnie odpryskiwania metali w stanie płynnym. Niektórzy z autorów obecnej pracy przeprowadzili badania nad odpryskiem płynnym, czasem zwanego mikroodpryskiem, polegającym na dezintegracji materiału stopionego impulsami laserowymi o dużej mocy. Zaproponowali oni także sposób modelowania tego zjawiska, weryfikując go z wynikami eksperymentalnymi. W szczególności, rozkłady teoretyczne rozmiaru odprysku porównano z wynikami doświadczeń, gdzie metodami analizy obrazu zmierzono rozmiar odpryśniętych cząstek uwięzionych w specjalnych ekranach polimerowych umieszczonych za próbką. Zauważono, że analityczne krzywe rozkładu reprezentujące liczbę odłamków na jednostkę powierzchni w funkcji wielkości tych odłamków pozostają w zgodzie z eksperymentem, jednak już sama ilość zdefragmentowanego materiału wynikającego z modelu energetycznego znacznie przewyższa rezultat doświadczalny. Ta nadwyżka wynika głównie ze stosowanej metody zliczania ilości odprysku, ograniczającej się jedynie do badań powierzchniowych, tymczasem część odprysku penetruje ekran polimerowy znacznie głębiej. Z tego powodu w niniejszej pracy zaproponowano i przetestowano nową metodę jakościowego i ilościowego określania odprysku oraz przedyskutowano jej skuteczność. Nowa metoda bazuje na zastosowaniu zamiast ekranów polimerowych przezroczystego żelu o małej gęstości, umożliwiającego łatwą obserwację (w porównaniu do pianek i aerożeli) wielkości odpryskiwanych cząstek, ich kształtu oraz głębokości penetracji przy zwiększonej rozdzielczości przestrzennej obrazu. Technika ta, wspomagana cieniografią oraz mikrografią optyczną i elektronową (mikroskop skaningowy), stanowi zaawansowane narzędzie do badań nad zjawiskiem mikroodprysku. Do prezentacji skuteczności tej metody przeprowadzono doświadczenia nad próbkami z cyny i aluminium przy różnych warunkach topienia i defragmentacji pod wpływem impulsu laserowego.

Słowa kluczowe

EN

laser shock; fragmentation; liquid spall; shadowgraphy; fragment recovery; tin; aluminium

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 48 nr 4
• Strony: 957--972
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Resseguier T. de

autor

Loison D.

autor

Lescoute E.

autor

Signor L.

autor

Dragon A.

• Institut Pprime, CNRS-ENSMA-Universite de Poitiers, Departement Physique et Mecanique des Materiaux - ENSMA, Futuroscope - Chasseneuil Cedex, France,

Bibliografia

• 1. Andriot P., Chapron P., Lambert V., Olive F., 1984, Influence of melting on shocked free surface behaviour using Doppler laser interferometry and X-ray densitometry, Proc. Shock Waves in Condensed Matter, Asay J.R., Graham R.A., Straub G.K. (Eds.), North-Holland Amsterdam, 277-280
• 2. Antoun T., Seaman L., Curran D.L., Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V., 2002, Spall Fracture, Springer, New York
• 3. Asay J.R., Mix L.P., Perry F.C., 1976, Ejection of material from shocked surfaces, Applied Physics Letters, 29, 5, 284-287
• 4. Barker L.M., Hollenbach R.E., 1972, Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface, Journal of Applied Physics, 43, 4669-4675
• 5. Bushmann A.V., Lomonosov I.V., Fortov V.E., 1992, Equation of state for metals at high energy density, Technical report of Institute of Chemical Physics, Chernogolovka
• 6. De Resseguier T., Signor L., Dragon A., Boustie M., Roy G., Llorca F., 2007a, Experimental investigation of liquid spall in laser shock-loaded tin, Journal of Applied Physics, 101, 1, 013506
• 7. De Resseguier T., Signor L., Dragon A., Severin P., Boustie M., 2007b, Spallation in laser shock-loaded tin below and just above melting on release, Journal of Applied Physics, 102, 7, 073535
• 8. De Resseguier T., Signor L., Dragon A., Boustie M., Berthe L., 2008, On the dynamic fragmentation of laser shock-melted tin, Applied Physics Letters, 92, 13, 131910
• 9. De Resseguier T., Signor L., Dragon A., Roy G., 2010, Dynamic fragmentation of laser shock-melted tin: experiment and modelling, International Journal of Fracture, 163, 1/2, 109-119
• 10. Elias P., Chapron P., Laurent B., 1988, Detection of melting in release for a shock-loaded tin sample using the reflectivity measurement method, Optics Communications, 66, 2/3, 100-106
• 11. Eliezer S., Gilath I., Bar-Noy T., 1990, Laser-induced spall in metals: experiment and simulation, Journal of Applied Physics, 67, 715-724
• 12. Grady D.E., 1988, The spall strength of condensed matter, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 36, 3, 353-384
• 13. Grady D.E., 1996, Spall and fragmentation in high-temperature metals, highpressure shock compression of solids, In: High-Pressure Shock Compression of Solids. II Dynamic Fracture and Fragmentation, Davison L., Grady D.E., Shahinpoor M. (Eds.), Springer, New York Ch.9, 219-236
• 14. Henis Z., Eliezer S., 1993, Melting phenomenon in laser-induced shock waves, Physical Review E, 48, 3, 2094-2097
• 15. Klepaczko J.R., Chevrier P., 2003, A meso-model of spalling with thermal coupling for hard metallic materials, Engineering Fracture Mechanics, 70, 2543-2558
• 16. Lescoute E., de Resseguier T., Chevalier J.M., Boustie M., CuqLelandais J.P., Berthe L., 2009, Soft recovery technique to investigate dynamic fragmentation of laser shock-loaded metals, Applied Physics Letters, 95, 211905
• 17. Mercier P., Benier J.,Frugier P.A., Sollier A., Rabec Le Gloahec M., Lescoute E., Cuq-Lelandais J.P., Boustie M., de Resseguier T., Claverie A., Gay E., Berthe L., Nivard M., 2009, PDV Measurements of NS and FS Laser driven shock experiments on solid targets, Proc. Shock Compression of Condensed Matter, American Institute of Physics, 1195, 581-584
• 18. Nowacki W.K., 1978, Stress Waves in Non-Elastic Solids, Pergamon, Oxford
• 19. Signor L., de Resseguier T., Rot G., Dragon A., Llorca F., 2007, Fragment-size prediction during dynamic fragmentation of shock-melted tin: recovery experiments and modelling issues, Proc. Shock Compression of Condensed Matter, American Institute of Physics, 955, 593-596
• 20. Signor L., Dragon A., Roy G., de Resseguier T., Llorca F., 2008, Dynamic fragmentation of melted metals upon intense shock wave loading. Some modelling issues applied to a tin target, Archives of Mechanics, 60, 4, 323-343
• 21. Signor L., de Resseguier T., Dragon A., Roy G., Fanget A., Faessel M., 2010, Investigation of fragments size resulting from dynamic fragmentation in melted state of laser shock-loaded tin, International Journal of Impact Engineering, 37, 8, 887-900
• 22. Tollier L., Fabbro R., 1998, Study of the laser-driven spallation process by VISAR interferometry technique. II. Experiment and simulation of the spallation process, Journal of Applied Physics, 83, 3, 1231-1237