Bedriva förhöjd temperatur Normal och kombinerad tryck-skjuvning plattan inverkan experiment Via en sätesbjudning-end Sabot värmesystem
Summary
Här presenterar vi ett detaljerat protokoll av en ny strategi för att genomföra förhöjd temperatur omvänd normala plätera inverkan, samt kombinerad tryck-och-skjuvning plattan. Metoden innebär användning av en sätesbjudning-end resistiv spole värmare att värma ett prov som hölls på främre delen av ett värmebeständigt sabot till önskad temperatur.
Abstract
En ny metod för att utföra normala eller kombinerad tryck-skjuvning plattan inverkan experiment vid temperaturer upp till 1000 ° C presenteras. Metoden gör det möjligt för förhöjd temperatur plattan-impact experiment riktad mot sondera dynamiska beteende material under termomekanisk ytterligheter, medan förmildrande flera särskilda experimentella utmaningar medan du utför liknande experiment använda metoden med konventionella plattan inverkan. Egna anpassningar görs till sätesbjudning-slutet av en enstegs gas-pistol vid Case Western Reserve University; dessa anpassningar omfattar en precisionsbearbetade förlängningsstycke SAE 4340 stål, som är strategiskt utformad att para de befintliga gun-fat samtidigt som den ger en hög tolerans matcha till bore och kilspår. Förlängningsstycket innehåller en vertikal cylindrisk varmvattenberedare-brunn, som inrymmer en värmeaggregatet. En resistiv spole värmare-huvudet, kan nå temperaturer på upp till 1200 ° C, är kopplad till en vertikal stam med axial/roterande grader av friheterna. Detta möjliggör tunna metall exemplar hölls på främre delen av ett värmebeständigt sabot värmas jämnt över diameter till de önskade temperaturerna. Av värme flyer plattan (i detta fall, provet) i sätesbjudning-slutet av pistol-fat i stället för i målet-slutet, kan flera kritiska experimentella utmaningar avvärjas. Dessa inkluderar: 1) allvarliga förändringar i anpassningen av målplatta under värme den termiska expansionen av flera beståndsdelar som ingår i målet innehavaren församlingen; (2) utmaningar som uppstår på grund av diagnostik element, (dvs., polymer holografisk galler och optiska prober) för att vara nära den uppvärmda mål församlingen; (3) utmaningar som uppstår för målet plattor med en optisk fönster, där bond avgörande toleranser mellan provet, lager, och fönster som blivit allt svårare att upprätthålla vid höga temperaturer. (4) i fråga om kombinerade komprimering-skjuvning plattan inverkan experiment, behovet av hög temperatur resistenta diffraktion galler för mätning av tvärgående partikel hastighet på den fria ytan av målet; och 5) begränsningar på nödvändiga för entydig tolkning av den uppmätta gratis yta hastigheten kontra tidsprofil på grund av termisk mjukgörande och eventuellt framställning av markeringsramens mål pläterar islaghastighet. Genom att utnyttja de anpassningar som nämns ovan, presenterar vi resultaten från en serie av omvänd geometri normala plätera inverkan experiment på kommersiella renhet aluminium på en rad prov temperaturer. Dessa experiment visar minskande partikel hastigheter i påverkat tillstånd, som är vägledande material mjukgörande (minskning efter avkastning flöde stress) med ökande prov temperaturer.
Introduction
I tekniska tillämpningar utsätts material för en rad olika tillstånd som kan vara statisk eller dynamisk i naturen, tillsammans med höga nivåer av deformation och temperaturer från rummet till nära smältpunkten. Under dessa termomekanisk ytterligheter kan beteendet material variera drastiskt; således över nästan ett sekel, har flera experiment utvecklats riktade mot sondera det dynamiska svaret eller andra egenskaper av material beteende medan under kontrollerade lastning regimer1,2,3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. för metaller laddas vid låga till mellanliggande töjningshastigheter (10-6-10 0/s), servohydrauliska eller precision skruv universal test maskiner har använts för att studera material svaret utsätts för olika lägen för lastning och nivåer av deformation. Men som den tillämpade stammen priser öka utöver den mellanliggande stam (dvs., > 102/s), andra experimentella tekniker blivit nödvändigt för att probe mekaniska svaret. Till exempel vid lastning av 103/s upp till 5 × 104/s full storlek eller miniatyriserade Split-Hopkinson trycket barer aktivera sådana mätningar göras8,15.
Traditionellt, ljus gas-vapen och/eller explosivt lamell inverkan experiment har använts för att studera den dynamiska oelastisk och andra fenomen såsom spallation eller fas omvandling som sker med mycket höga töjningshastigheter (105-10 7/s)16,17,18,19,20,21,22, eller kombinationer av höga tryck och dynamisk belastning. Vanligen, plattan inverkan experiment innebär lanseringen av en flyer platta bärs av en sabot initialt i sätesbjudning-slutet av gas-vapnet, som sedan färdas ner längden på gun-fat och görs till kolliderar med en noggrant justerad stillastående målplatta på den påverkan kammare. Till följd av effekterna genereras normalt eller kombinerade trycket och skjuvspänningar vid gränssnittet flyer/target, som färdas genom de rumsliga dimensionerna av plattorna som längsgående eller kombinerade längsgående och tvärgående stress vågor. Ankomsten av dessa vågor på den bakre ytan av målplatta påverkar den momentana fri yta partikel lufthastigheten mål plattan, vilket kontrolleras vanligtvis via interferometrisk tekniker. För att möjliggöra tolkning av den uppmätta partikel hastigheten kontra tid historia, är det nödvändigt att plana-vågor med en främre parallell till islagsytan genereras vid inverkan14,23. Att säkerställa den tidigare, inverkan måste ske med en effekt tiltvinkel på mindre än en milli-radian12,24, med inverkan ytor av planhet bättre än ett par mikrometrar5,25.
Plattan inverkan experiment har anpassats för att inkludera värmeelement som möjliggör undersökningar av material beteende att utvidga in termomekanisk ytterligheter26,27,28,29. Dessa anpassningar innebära brukar tillsats av en induktionsspole, eller en resistiv värmare element till mål-slutet av gas-pistolen; även dessa anpassningar har visats vara experimentellt genomförbart, leder metoden med sin natur till speciella experimentella utmaningar som kräver noggranna överväganden. Några av dessa experimentella komplikationer inkluderar differentiell termisk expansion av olika beståndsdelar i målet innehavare montering eller justering fixtur medan värme mål (prov) plattan, som kräver in-real-time anpassning justeringar, vanligen tillverkade med fjärrstyrda justering verktyg med kontinuerlig feedback för att upprätthålla avgörande parallellitet tolerans mellan prov och målet plattan. När det gäller tryck-skjuvning plattan inverkan experimentella ordningen, värme provet kräver konventionell polymer gallerdurken ersättas med hög temperatur resistenta metalliska galler för att övervaka tvärgående partikel hastighet på fri yta på måltavla. Dessutom uppvärmning av provet kan lägga till begränsningar på den islaghastighet som kan användas i vissa experimentella system, såsom i hög stam takt kombinerat tryck-och-skjuvning plattan inverkan konfiguration, där det kan krävas särskilda överväganden för att förhindra entydig tolkning av experimentella resultat, kan som beräknas med hjälp av den akustiska impedansen av främre och bakre målet plattor som vara temperaturberoende. Slutligen, för andra experimentella ordningar, som kräver en måltavla med en optisk fönster, toleranser mellan de prov, bond lager eller beläggningar som blivit allt svårare att upprätthålla höga temperaturer19.
För att lindra de experimentella utmaningar som nämns ovan, har vi gjort egna anpassningar till befintliga enstegs gas-pistolen ligger fall Western Reserve University (CWRU)7,30,31,32 . Dessa ändringar aktivera tunn metall exemplar hölls på främre delen av ett värmebeständigt sabot värmas till temperaturer över 1000 ° C, före bränning, som tillåter hög temperatur normal eller kombinerad tryck-skjuvning plattan inverkan experiment att vara genomfört. I motsats till de flesta av de konventionella metoder som anställd för förhöjd temperatur plattan konsekvensanalyser, har denna metod visat sig lindra flera av de experimentella utmaningar som beskrivs ovan. Detta tillvägagångssätt har exempelvis använts för att rimligen uppnå lutningsvinklar av mindre än en milli-radian utan behovet av remote tilt justering30eller ytterligare optiska element för övervakning tilt förändringar under experimentet. Andra, eftersom målet plattan förblir under rumstemperatur, denna metod kräver inte behovet av särskilda hög temperatur resistenta holografisk galler för mätning av tvärgående partikel velocity i sneda inverkan experiment; Dessutom högre inverkan hastigheter kan utnyttjas utan risk för framställning av målet plattan, och därmed minska komplexiteten i tolkningen av experimentella resultat. Lägg till genom kan detta tillvägagångssätt utnyttjas för att utföra hög temperatur omvänd geometri normala plätera inverkan experiment som ger oss upp relationer för en val provmaterial. Dessa kan erhållas via impedans matchning tekniker eller dessutom en analys av förtunning fläkten från baksidan av provet som bär information avseende förändringar i provet chock hastighet under lossning33,34 . I förhöjd temperatur kombinerad tryck-skjuvning plattan inverkan konfigurationen möjliggör detta tillvägagångssätt den dynamiska oelastisk av tunna filmer studeras upp till en brett temperatur och plastisk deformation utbud och stam-hastigheter upp till 107/s beroende tjocklek av tunna preparatet16,27,29.
Vi kommer presentera protokoll som är nödvändiga för att utföra en typisk förhöjd temperatur plattan inverkan experiment som diskuterats ovan. Detta kommer att följas av ett avsnitt till representativa resultat som erhållits med den nuvarande tekniken. Slutligen kommer en diskussion av resultaten att presenteras före en slutsats.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metod och protokollet anges ovan detaljerade förfarandet för att korrekt utföra en omvänd geometri normala plätera inverkan experiment vid förhöjda temperaturer. I denna strategi gör vi egna ändringar till gun fat i slutet av den befintliga gas pistolen vid Case Western Reserve University, att hysa en resistiv värmare spole med axiella och roterande frihetsgrader högtryck (sätesbjudning). Resistiv värmare spole systemet möjliggör tunna aluminium exemplar, hölls på främre delen av en värmare resistenta …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna ekonomiskt stöd av US Department of Energy genom Stewardship vetenskap akademiska allians DOE/NNSA (DE-NA0001989 och DE-NA0002919) i denna forskning. Författarna vill slutligen tacka Los Alamos National Lab för deras samarbete till stöd för genomgår insatser i de nuvarande och framtida undersökningarna.
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).
