ניצוח גבוהות בטמפרטורה רגילה, בשילוב לחץ-הטיה צלחת ההשפעה ניסויים באמצעות מערכת החימום Sabot עכוז-end
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול מפורט של גישה חדשה עבור ניצוח השפעה הפוכה צלחת רגילה טמפ גבוהות, ההשפעה בשילוב לוחית לחץ-הטיה. הגישה כרוכה בשימוש של תנור סליל resistive עכוז-end לחמם מדגם שהתקיים החזיתי של sabot עמידים בחום עד לטמפרטורה הרצויה.
Abstract
מוצגת גישה מוזרה עבור ניסויים לחץ נורמלי ו/או משולב-הטיה צלחת ההשפעה בטמפרטורות הבדיקה עד 1000 ° C. השיטה מאפשרת ניסויים צלחת-השפעת טמפרטורה גבוהות לכיוון חיטוט התנהגות דינמית של חומרים תחת thermomechanical קיצוניים, בעודם מקלים מספר מיוחד ניסיוני לאתגרים העומדים בפני תוך כדי ביצוע ניסויים דומים באמצעות גישה ההשפעה צלחת קונבנציונלי. עיבודים מותאמות אישית שנעשו עכוז-סוף יחיד בשלב יורה כדורי סרק-אוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב; עיבודים אלה כוללים חלק במכונה-דיוק הרחבה עשוי פלדה SAE 4340, אשר נועד אסטרטגית להזדווג החבית-הרובה הקיימת תוך מתן רגישות גבוהה להתאים נשא ו- keyway. היצירה סיומת מכיל אנכי גלילי מחמם-באר, אשר הבתים אסיפה מחמם. התנגדות סליל חימום-ראש, מסוגלת להגיע לטמפרטורות של עד 1200 ° C, מצורף גזע אנכי עם מפוח/המסתובבת דרגות חופש; פעולה זו מאפשרת דגימות מתכת דק שהתקיים החזיתי של sabot עמידים בחום להיות מחומם בצורה אחידה על פני הקוטר לטמפרטורות המבחן הרצוי. על ידי חימום את הצלחת המעופפת (במקרה זה, לדוגמה) בסוף עכוז–קנה במקום בקצה היעד, באפשרותך תמנע מספר אתגרים ניסיוני קריטי. אלה כוללים: 1) שינויים קשות היישור של המטרה צלחת במהלך חימום בעקבות ההתרחבות תרמי המרכיבים מספר של ההרכבה מחזיק היעד; 2) אתגרים שעולים האלמנטים האבחון, (כלומר., פולימר מיכסים הולוגרפי, וזונדים אופטי) להיות קרוב מדי לאסיפה היעד מחוממת; 3) אתגרים הנובעים עבור היעד לוחות עם חלון אופטי, איפה טולרנסים מכריע בין המדגם, שנתחבר שכבה, וחלון הופכים יותר ויותר קשה לשמור בטמפרטורות גבוהות; 4) במקרה של בשילוב דחיסה-הטיה צלחת ההשפעה ניסויים, הצורך עמיד בטמפרטורות גבוהות מיכסים עקיפה לשקילת רוחבי של חלקיקים מהירות על פני השטח חינם של היעד; ו- 5) מגבלות המוטלות על מהירות פגיעה צורך פרשנות ברורה וחד משמעית של נמדד המהירות השטח חינם נגד הזמן פרופיל עקב תרמית ריכוך, ואולי מניב הלוחיות היעד התוחמת. על ידי ניצול של עיבודים שהוזכרו לעיל, אנו מציגים תוצאות מתוך סדרה של הגיאומטריה הפוכה צלחת רגילה ההשפעה ניסויים על טוהר מסחרי אלומיניום במגוון טמפרטורות הדגימה. אלה ניסויים הצג הפחתת מהירויות חלקיקים בתוך המדינה מיותרות, אשר מעידים על חומר ריכוך (ירידה בלחץ התשואה שלאחר זרימה) עם הגדלת דוגמת הטמפרטורות.
Introduction
יישומים הנדסיים, חומרים נחשפים למגוון רחב של מחלות, אשר יכול להיות סטטי או דינמי בטבע, יחד עם רמות גבוהות של דפורמציה, טמפרטורות הנעות בין חדר ליד נקודת ההיתוך. תחת אלה הקצוות thermomechanical ההתנהגות גשמי יכול להשתנות באופן קיצוני; לפיכך, במשך קרוב למאה שנה, מספר ניסויים פותחו מכוונים כלפי חיטוט התגובה דינמי ו/או מאפיינים אחרים של התנהגות גשמי ואילו תחת מבוקר טעינת משטרים1,2,3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. מתכות טעון ב נמוך למתח ביניים תעריפי (/s0 -6-10 10), בורג סרוו-הידראולי או דיוק מכונות בדיקה יוניברסל שימשו כדי ללמוד את התגובה גשמי נתון טעינה מצבים שונים, רמות של דפורמציה. אך כמו המתח יישומית מחיריהם מעבר בשערים למתח ביניים (כלומר., > 102/s), טכניקות אחרות ניסיוני הכרחי על מנת לחקור את התגובה מכני. לדוגמה, ב להעמיס שערי 103/s עד 5 × 104/s בגודל מלא או מיניאטורי מפוצל-Hopkinson לחץ ברים אפשר מדידות כאלה צריכה להיעשות8,15.
באופן מסורתי, גז אור-רובים ו/או צלחת מטען מונע השפעה ניסויים כבר נעזרו ללמוד את inelasticity הדינמי, תופעה ייחודית נוספת כגון spallation, או שלב שינוי המתרחשים במחירים למתח גבוה מאוד (105-10 7/s)16,17,18,19,20,21,22, או שילוב של לחצים גבוהים וטעינה דינמי. . נוהג, צלחת ההשפעה ניסויים לערב ההשקה של צלחת עלון שישאו sabot בתחילה בסוף עכוז-יורה כדורי סרק, אשר נוסע לאורך כל החבית האקדח ואז עשוי להתנגש עם צלחת בזהירות מיושר מטרה נייח- ההשפעה קאמרית. בשל ההשפעה, לחץ נורמלי ו/או משולב, הטיה מדגיש נוצרים בנקודת הממשק עלון/יעד, אשר לנסוע דרך הממדים המרחבי של הצלחות כמו גלים אורכיים ו/או משולב אורכי, כלי מתח. הגעתו של הגלים האלה על פני השטח האחורי של המטרה צלחת משפיעים על מהירות חלקיק משטח חופשי מיידי של המטרה צלחת, אשר נעשה בדרך כלל באמצעות טכניקות interferometric. על מנת לאפשר את הפרשנות של מהירות החלקיקים נמדד לעומת זמן ההיסטוריה, זה הכרחי כי המטוס-גלי עם מקביל הקדמי אל פני השטח ההשפעה שיווצר על ההשפעה14,23. כדי להבטיח את ההשפעה לשעבר, חייבת להתבצע עם זווית הטיה השפעת גודל פחות מ- 2 מילי-רדיאן12,24, במשטחים ההשפעה של שטיחות יותר מיקרומטר מספר5,25.
צלחת ההשפעה ניסויים הסתגלו לכלול ספירלות המאפשרים חקירות של התנהגות חומרים כדי להרחיב thermomechanical קיצוניים26,27,28,29. עיבודים אלה כוללים בדרך כלל התוספת של סליל של אינדוקציה, או של רכיב מחמם resistive עד הסוף-המטרה של הגז-האקדח; למרות עיבודים אלה הוכחו להיות ריאלי ניסיוניים, הגישה מטבעו מוביל לאתגרים ניסויית מיוחד אשר דורשים שיקולים זהירים. כמה סיבוכים ניסיוני אלה כוללים הרחבה תרמי דיפרנציאלית של המרכיבים השונים יעד בעל הרכבה ו/או יישור מקבע תוך חימום את הצלחת היעד (דוגמה), אשר דורשת התאמות יישור-בזמן אמת, בדרך כלל מיוצר עם יישור וטלמכניים כלים עם משוב רציף על מנת לשמור על סובלנות מכריע ההקבלה בין הלוח לדוגמה ואת היעד. במקרה של לחץ-הטיה צלחת ההשפעה ניסיוני ערכת, חימום הדגימה דורש מיכסים פולימר קונבנציונלי להיות מוחלף על ידי סורגי מתכת עמיד בטמפרטורות גבוהות כדי לעקוב אחר רוחבי של חלקיקים מהירות על פני השטח חינם של המטרה צלחת. יתר על כן, חימום של המדגם ניתן להוסיף מגבלות על מהירות פגיעה זה יכול להיות מועסק במזימות ניסיוני מסוימים, כגון המתח גבוהה קצב בשילוב לוחית לחץ-הטיה ההשפעה תצורה, איפה שיקולים מיוחדים העשויים להידרש כדי למנוע פרשנות ברורה וחד משמעית של תוצאות הניסוי, אשר מחושבים באמצעות של עכבה אקוסטית של החזית ואת היעד אחורי פלטות אשר עשוי להיות תלוי בטמפרטורה. לבסוף, עבור תוכניות אחרות ניסיוני, אשר דורשים צלחת היעד עם חלון אופטי, טולרנסים בין הדגימה, בונד שכבה, ו/או ציפויים הופכים יותר ויותר קשה לשמור על טמפרטורות גבוהות19.
כדי להקל על האתגרים ניסיוני שהוזכרו לעיל, אנחנו עשינו עיבודים מותאם אישית לרובה הקיים יחיד בשלב הגז-ממוקם ב אוניברסיטת Western Reserve התיק (CWRU)7,30,31,32 . שינויים אלה מאפשרים דגימות מתכת דק שהתקיים החזיתי של sabot עמידים בחום להיות מחומם לטמפרטורות מעל 1000 ° C, לפני הירי, אשר מאפשרים טמפרטורה גבוהה בלחץ רגיל ו/או משולב-הטיה צלחת ההשפעה ניסויים כדי להיות ערכו. בניגוד למרבית גישות קונבנציונליות מועסק טמפרטורה גבוהות הצלחת מחקרים בעלי השפעה, שיטה זו הוכח כדי להקל על כמה מן האתגרים ניסיוני שתוארו לעיל. לדוגמה, גישה זו יש כבר מנוצל להשיג מידה זוויות הטיה של פחות מ- 2 מילי-רדיאן ללא הצורך כוונון הטיה מרוחק30או אלמנטים אופטיים נוספים עבור ניטור הטיה שינויים במהלך הניסוי. שנית, מאז המטרה צלחת נשאר תחת בטמפרטורות הסביבה, שיטה זו אינה דורשת בצורך מיוחד עמיד בטמפרטורות גבוהות מיכסים הולוגרפית לשקילת רוחבי של חלקיקים מהירות בניסויים השפעה עקיפה; בנוסף, יכול להיות מנוצל המהירות גבוהה יותר ללא הסיכון של מניב המטרה צלחת, ובכך גם להפחית את המורכבות של פרשנות של תוצאות הניסוי. כדי להוסיף, גישה זו יכול להיות מנוצל כדי לבצע ניסויים השפעה הפוכה-גאומטריה צלחת רגילה בטמפרטורה גבוהה המספקים לנו להמציא מערכות יחסים חומר מדגם הבחירה. אלו ניתן להשיג דרך טכניקות התאמת עכבה, או בנוסף, ניתוח של המאוורר rarefaction מפני השטח האחורי של המדגם הנושאות מידע לגבי שינויים במדגם הלם מהירות במהלך פריקה33,34 . בתצורה ההשפעה צלחת לחץ משולבת-הטיה טמפרטורה גבוהות, גישה זו מאפשרת את inelasticity הדינמי של סרטים רזה שילמדו עד טמפרטורה רחב טווח דפורמציה פלסטית ואת המתח-המחירים עד 107/s בהתאם של העובי של27,16,29הדגימה דק.
נציג את הפרוטוקולים הדרושים לביצוע ניסוי ההשפעה צלחת טמפרטורה גבוהות טיפוסי שנדונו לעיל. זה יבוא סעיף ייעודי נציג תוצאות שהושגו בטכניקה הנוכחי. לבסוף, דיון של התוצאות יוצגו לפני סיום.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה ואת הפרוטוקול האמור לעיל מפורט נוהל כראוי ביצוע ניסוי השפעה הפוכה הגיאומטריה צלחת רגילה בטמפרטורות גבוהות. בגישה זו, אנחנו שינויים מותאם לקנה האקדח בסוף בלחץ גבוה (עכוז) האקדח גז קיימים שמורת אוניברסיטת קייס ווסטרן, לבית סליל חימום התנגדות עם מפוח, כשעוצמת דרגות חופש. המערכת סליל חי?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להכיר את התמיכה הכספית של מחלקת האנרגיה של ארצות הברית דרך סדרנות המדע אקדמי הברית DOE/NNSA (דה-NA0001989 ו- DE-NA0002919) בביצוע מחקר זה. לבסוף, המחברים רוצה המעבדה הלאומית לוס אלמוס. תודה על שיתוף הפעולה שלהם כדי לתמוך במאמצים עוברת בחקירות הנוכחיים והעתידיים.
Materials
| 99.999% commercial purity polycrystalline aluminum | Goodfellow | AL007970 | Material for flyer plate (sample) |
| H13 tool steel | Fabrication Center of CWRU | N/A | Material for the sample holder |
| Solution treat & age Inconel 718 alloy | High Temp Metals | N/A | (1.005/1.015)" Dia x 24", Material for target plate |
| Photoresist S1805 | MicroChem | N/A | Material of the photoresist for holographic grating |
| Developer CD-26 | MicroChem | N/A | Developer to the photoresist for holographic grating |
| Aluminum 6063 tube | McMaster-Carr | 4568T19 | Material for the ring in target assembly |
| Black Delrin (R) Acetal Resin Rod (4-1/2" Dia.) | McMaster-Carr | 8576K81 | Material for the Delrin holder in target assembly |
| White Delrin (R) Acetal Resin Rod (1/4" Dia.) | McMaster-Carr | 8572K51 | Material for the Delrin pins in target assembly |
| Aluminum 6061 tube | McMaster-Carr | 9056K24 | Material for the body in projectile assembly |
| Aluminum 6061 rod | McMaster-Carr | 8974K88 | Material for the cap in projectile assembly |
| Teflon sheet | McMaster-Carr | 8711K98 | Material for the key |
| LAVA-FF – Alumina Silicate disc | Technical Products | CWR-033116-1 | |
| LAVA-FF – Alumina Silicate tube | Technical Products | ALR11515 | |
| Alumina Pan Slotted Head Bolt | Ceramco | A83200PANSLT0.500 | |
| 409 N70 Buna-N O-ring | The O-ring Store | B70409 | |
| Loctite Hysol 9412 adhesive | Loctite | 83107 | |
| High Temperature Cements | OMEGA Engineering | OB-300 | |
| Extra fast-set epoxy | Ellsworth | 4001 | |
| Mylar sheet | McMaster-Carr | 8567K94 |
Referências
- Davies, R. M. A critical study of the Hopkinson pressure bar. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 240, 375-457 (1948).
- Kolsky, H. An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading. Proceedings of the Physical Society. Section B. 62, 676 (1949).
- Gilat, A., Cheng, C. -. S. Torsional split Hopkinson bar tests at strain rates above 104s− 1. Experimental Mechanics. 40, 54-59 (2000).
- Harding, J., Wood, E., Campbell, J. Tensile testing of materials at impact rates of strain. Journal of Mechanical Engineering Science. 2, 88-96 (1960).
- Clifton, R. J., Klopp, R. W. Pressure-shear plate impact testing. Metals handbook. 8, 230-239 (1985).
- Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. Mechanical Response of 99.999% Purity Aluminum Under Dynamic Uniaxial Strain and Near Melting Temperatures. International Journal of Impact Engineering. 113, 180-190 (2017).
- Wang, T., Zuanetti, B., Prakash, V. Shock Response of Commercial Purity Polycrystalline Magnesium Under Uniaxial Strain at Elevated Temperatures. Journal of Dynamic Behavior of Materials. 3, 497-509 (2017).
- Dike, S., Wang, T., Zuanetti, B., Prakash, V. Dynamic Uniaxial Compression of HSLA-65 Steel at Elevated Temperatures. Journal of Dynamic Behavior of Materials. 3, 510-525 (2017).
- Okada, M., Liou, N. -. S., Prakash, V., Miyoshi, K. Tribology of high speed metal-on-metal sliding at near-melt and fully-melt interfacial temperatures. Wear. 249, 672-686 (2001).
- Prakash, V., Clifton, R. J. . Fracture Mechanics: Twenty Second Symposium (vol. 1). , (1992).
- Prakash, V., Mehta, N. Uniaxial Compression and Combined Compression-and-Shear Response of Amorphous Polycarbonate at High Loading Rates. Polymer Engineering and Science. 52, 1217-1231 (2012).
- Lee, Y., Prakash, V. Dynamic fracture toughness versus crack-tip speed relationship at lower than room temperature for high strength 4340VAR structural steels. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 46, 1943-1967 (1998).
- Lee, Y., Prakash, V. Dynamic brittle fracture of high strength structural steels under conditions of plane strain. International Journal of Solids and Structures. 36, 3293-3337 (1999).
- Yuan, F., Prakash, V., Lewandowski, J. J. Shear yield and flow behavior of a Zirconium-based bulk metallic glass. Mechanics of Materials. 42, 248-255 (2010).
- Shazly, M., Prakash, V., Draper, S. Mechanical behavior of Gamma-Met PX under uniaxial loading at elevated temperatures and high strain rates. International Journal of Solids and Structures. 41, 6485-6503 (2004).
- Klopp, R., Clifton, R., Shawki, T. Pressure-shear impact and the dynamic viscoplastic response of metals. Mechanics of Materials. 4, 375-385 (1985).
- Arvidsson, T. E., Gupta, Y., Duvall, G. E. Precursor decay in 1060 aluminum. Journal of Applied Physics. 46, 4474-4478 (1975).
- Gilat, A., Clifton, R. Pressure-shear waves in 6061-T6 aluminum and alpha-titanium. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 33, 263-284 (1985).
- Barker, L., Hollenbach, R. Shock wave study of the α⇄ε phase transition in iron. Journal of Applied Physics. 45, 4872-4887 (1974).
- Shazly, M., Prakash, V. Shock response of a gamma titanium aluminide. Journal of Applied Physics. 104, 083513 (2008).
- Yuan, F., Prakash, V., Lewandowski, J. J. Spall strength and Hugoniot elastic limit of a Zirconium-based bulk metallic glass under planar shock compression. Journal of Materials Research. 22, 402-411 (2007).
- Yuan, F. P., Prakash, V., Lewandowski, J. J. Spall strength of a zirconium-based bulk metallic glass under shock-induced compress ion-and-shear loading. Mechanics of Materials. 41, 886-897 (2009).
- Prakash, V. A pressure-shear plate impact experiment for investigating transient friction. Experimental Mechanics. 35, 329-336 (1995).
- Kumar, P., Clifton, R. Optical alignment of impact faces for plate impact experiments. Journal of Applied Physics. 48, 1366-1367 (1977).
- Prakash, V. Time-resolved friction with applications to high speed machining: experimental observations. Tribology Transactions. 41, 189-198 (1998).
- Frutschy, K., Clifton, R. High-temperature pressure-shear plate impact experiments using pure tungsten carbide impactors. Experimental mechanics. 38, 116-125 (1998).
- Frutschy, K., Clifton, R. High-temperature pressure-shear plate impact experiments on OFHC copper. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 46, 1723-1744 (1998).
- Zaretsky, E., Kanel, G. I. Effect of temperature, strain, and strain rate on the flow stress of aluminum under shock-wave compression. Journal of Applied Physics. 112, 073504 (2012).
- Grunschel, S. E. . Pressure-shear plate impact experiments on high-purity aluminum at temperatures approaching melt. , (2009).
- Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. A Novel Approach for Plate Impact Experiments to Determine the Dynamic Behavior of Materials Under Extreme Conditions. Journal of Dynamic Behavior of Materials. 3, 64-75 (2017).
- Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. A compact fiber optics-based heterodyne combined normal and transverse displacement interferometer. Review of Scientific Instruments. 88, 033108 (2017).
- Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. Mechanical response of 99.999% purity aluminum under dynamic uniaxial strain and near melting temperatures. International Journal of Impact Engineering. 113, 180-190 (2018).
- Duffy, T. S., Ahrens, T. J. Compressional sound velocity, equation of state, and constitutive response of shock-compressed magnesium oxide. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 100, 529-542 (1995).
- Tan, Y., et al. Hugoniot and sound velocity measurements of bismuth in the range of 11-70 GPa. Journal of Applied Physics. 113, 093509 (2013).
