Gjennomføre forhøyet temperatur Normal og kombinert press-skjær Plate innvirkning eksperimenter Via en Breech-end Sabot varmtvannsberedere System
Summary
Her presenterer vi en ny tilnærming for å gjennomføre høy temperatur motsatt vanlig tallerken innflytelse, og kombinerte trykk-og-skjær plate innvirkning detaljert protokollen. Tilnærmingen innebærer bruk av en breech-end resistiv coil ovn for å varme et eksempel holdt på på en varmebestandig sabot til ønsket temperatur.
Abstract
En ny tilnærming for å gjennomføre vanlig og/eller kombinert press-skjær plate innvirkning eksperimenter på test temperaturer opp til 1000 ° C er presentert. Metoden gjør det mulig for høy temperatur plate-effekt eksperimenter rettet mot sondering dynamiske oppførselen til materialer under thermomechanical ekstreme, mens begrensende flere spesielle eksperimentelle utfordringer mens du utfører lignende eksperimenter ved hjelp av konvensjonelle plate innvirkning tilnærming. Egendefinerte tilpasninger er gjort til breech-end av en ett-trinns gass-pistol ved Case Western Reserve University; Disse tilpasningene inkluderer en presisjons-maskinert forlengelsen brikke laget av SAE 4340 stål, som er strategisk utformet å mate den eksisterende løp samtidig som det gir en høy toleranse samsvarer med bar og kilespor. Utvidelse stykket inneholder en vertikal sylindriske varmeapparatet-Vel, som huser en Varmeovn forsamling. En resistiv coil varmeapparatet-hodet, kan nå temperaturer opp 1200 ° C, er knyttet til en vertikal stamme med aksial/roterende grader av frihet; Dette kan tynn metall prøver på på en varmebestandig sabot å varmes jevnt over diameter til ønsket test temperaturer. Ved oppvarming flyer platen (i dette tilfellet prøven) på breech-slutten av-i stedet for på mål-slutten, kan flere eksperimentelle utfordringer være avverget. Disse inkluderer: 1) alvorlige endringer i justering av mål plate under oppvarming på grunn av termisk utvidelse av flere spesialpreparatets holderen målsamling; 2) utfordringer som oppstår på grunn av diagnostikk elementene, (dvs., polymer holografiske rister og optisk sonder) å være for nær samlingen oppvarmet mål; 3) utfordringer som oppstår på målet plater med en optisk, hvor avgjørende toleranser mellom prøven, bånd lag, og vinduet blir stadig vanskeligere å opprettholde på høye temperaturer; 4) i tilfelle av kombinert komprimering-skjær plate innvirkning eksperimenter, behovet for høy temperatur motstandsdyktig Diffraksjon rister for måling av tverrgående partikkel hastighet på gratis overflaten av målet; og 5) begrensninger pålagt støthastigheten som er nødvendige for entydig tolkning av målt gratis overflaten hastigheten versus tid profil på grunn av termisk nedtoningen og muligens gir markeringsrammen målet platene. Ved å benytte tilpasninger nevnt ovenfor, presenterer vi resultatene fra en serie av omvendte geometri normal plate innvirkning eksperimenter på kommersielle renhetsgrad aluminium på en rekke eksempel temperaturer. Disse eksperimenter viser redusere partikkel fart i påvirket tilstand, som er tegn på materiale mykgjørende (reduksjon i post avkastningen flyt stress) med økende utvalg temperaturer.
Introduction
I tekniske programmer, er materialer utsatt for en rekke forhold som kan være statiske eller dynamiske i naturen, kombinert med høye nivåer av deformasjon og temperaturer fra rom til nær smeltepunktet. Under disse thermomechanical ytterpunktene kan materiale atferden variere drastisk; dermed over nesten et århundre, har flere forsøk blitt utviklet rettet mot sondering den dynamiske responsen og/eller andre kjennetegn for materiale oppførsel mens under kontrollerte lasting regimer1,2,3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. for metaller lastet på lav til middels belastning priser (10-6-100 /s), servo-hydrauliske eller precision skrue universell testing maskiner har blitt brukt til å studere materiale svaret utsatt for forskjellige lasting moduser og nivåer av deformasjon. Men som brukte belastningen priser øker utover den mellomliggende belastning prisen (dvs., > 102/s), andre eksperimentelle teknikker bli nødvendig for å sondere mekanisk svaret. For eksempel på lasting av 103/s opp til 5 × 104/s full størrelse eller miniatyriserte Split-Hopkinson press barer aktivere slike målinger gjøres8,15.
Tradisjonelt lyse gass-kanoner og/eller eksplosivt drevet plate innvirkning eksperimenter har vært benyttet for å studere den dynamiske inelasticity og andre fenomen som spallation eller fase transformasjon som oppstår med svært høy belastning priser (105-10 7/s)16,17,18,19,20,21,22, eller kombinasjoner av høyt trykk og dynamisk belastning. Vanligvis, plate innvirkning eksperimenter involverer lanseringen av en flyer plate båret av en sabot først på breech-slutten av gass-pistolen, som deretter reiser ned lengden på løp og gjøres kollidere med en nøye justert stasjonære mål plate på den virkningen kammeret. Som følge av virkningen genereres normal og/eller kombinert press og skjær påkjenninger på flyer/target grensesnittet, som reiser gjennom de romlige dimensjonene av platene som langsgående og/eller kombinert langsgående og tverrgående stress bølger. Ankomsten av disse bølgene på bakre overflaten av målet plate påvirker øyeblikkelig gratis overflaten partikkel hastigheten av målet plate, som er overvåket vanligvis via interferometric teknikker. For å tillate tolkningen av målt partikkel hastigheten versus time historie, er det nødvendig at flyet-bølger med en front parallell til innvirkning overflaten genereres på virkningen14,23. Slik tidligere, virkningen må skje med en innvirkning vinkel på mindre enn en milli-radian12,24, med innvirkning flater av flathet bedre enn et par mikrometer5,25.
Plate innvirkning eksperimenter har blitt tilpasset for å inkludere varmeelementer som aktiverer undersøkelser av materielle utvide til thermomechanical, ekstreme,26,,27,,28,,29. Disse tilpasningene involverer vanligvis en induksjon coil eller en resistiv varmeapparatet element til mål-slutten av gass-gun; Selv om disse tilpasningene har vist seg å være eksperimentelt mulig, fører tilnærming iboende til spesielle eksperimentelle utfordringer som krever forsiktig hensyn. Noen av disse eksperimentelle komplikasjoner inkluderer differensial termisk ekspansjon av forskjellige bestanddeler av holderen målsamling eller justering innslag mens oppvarming målet (utvalget) plate, som krever i sanntid justering justeringer, vanligvis laget med fjernstyrte justering verktøy kontinuerlig tilbakemelding for å opprettholde avgjørende parallellitet toleranse mellom prøven og målet platen. I trykk-skjær plate innvirkning eksperimentelle ordningen, oppvarming prøven krever konvensjonelle polymer rister erstattes av høy temperatur motstandsdyktig metallisk rister for å overvåke tverrgående partikkel hastighet på gratis overflaten av den målet plate. Videre kan oppvarming av prøven legge begrensninger på støthastigheten som kan brukes i visse eksperimentelle ordninger, slik som høy belastning rate kombinert trykk-og-skjær plate innvirkning konfigurasjon, der spesielle hensyn kan være nødvendig for å hindre entydig tolkning av eksperimentelle resultatene, kan som beregnes ved hjelp av akustisk impedans på foran og bak mål plater som være temperatur avhengig. Til slutt, for andre eksperimentelle ordninger, som krever en mål plate med en optisk vindu, toleranser mellom den prøven, bond lag eller belegg blir stadig vanskeligere å opprettholde høye temperaturer19.
For å lindre eksperimentelle utfordringene nevnt ovenfor, har vi laget egendefinerte tilpasninger til det eksisterende enkelt-trinns gass-gun ligger ved Case Western Reserve University (CWRU)7,30,31,32 . Disse endringene aktiverer tynn metall prøver på på en varmebestandig sabot skal være oppvarmet til temperaturen over 1000 ° C før avfyring, som gir høy temperatur normal og/eller kombinert press-skjær plate innvirkning eksperimenter skal gjennomført. I motsetning til de fleste av de konvensjonelle metodene ansatt for høy temperatur plate innvirkning studier, har denne metoden vist seg å lindre flere av eksperimentelle utfordringene beskrevet ovenfor. For eksempel blitt denne tilnærmingen benyttet for å oppnå feasibly tilt vinkler av mindre enn en milli-radian uten behov for eksterne tilt justering30eller flere optiske elementer for å overvåke tilt endringer under eksperimentet. Andre siden målet platen forblir under temperaturer, krever denne metoden ikke behov for spesielle høy temperatur motstandsdyktig holografiske rister for måling av tverrgående partikkel hastighet skrå effekt eksperimenter; i tillegg høyere effekt fart kan benyttes uten risiko for gir målet plate, og dermed redusere kompleksiteten i tolkning av eksperimentelle resultatene. Tillegg, kan denne tilnærmingen benyttes for å utføre høy temperatur omvendt-geometri normal plate innvirkning eksperimenter som oss opp relasjoner gir et valg sample materiale. Dette kan oppnås via impedans matchende teknikker, eller eventuelt en analyse av rarefaction fan fra tilbake overflaten av utvalget bære informasjon om endringer i eksempel sjokk hastighet under lossing33,34 . I høy temperatur kombinert press-skjær plate innvirkning konfigurasjonen gir dette den dynamiske inelasticity tynne filmer studier til en bred temperatur og plast deformasjon utvalg og belastning-datahastigheter på opptil 107/s avhengig av tykkelsen på tynne prøven16,27,29.
Vi vil presentere protokollene som er nødvendig for å utføre en typisk høy temperatur plate innvirkning eksperiment omtalt ovenfor. Dette vil bli etterfulgt av en seksjon dedikert til representant resultatene ved hjelp av dagens teknikk. Til slutt, en diskusjon av resultatene vil bli presentert før en konklusjon.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden og protokollen nevnt ovenfor detaljerte fremgangsmåten for riktig utføre en omvendt geometri normal plate innvirkning eksperiment ved høye temperaturer. I denne tilnærmingen gjør vi tilpasset endringer løp på høytrykk (breech) slutten av eksisterende gass pistolen ved Case Western Reserve University, å huse en resistiv varmeapparatet coil med aksial og roterende grader av frihet. Resistiv varmtvannsberedere coil system kan tynn aluminium prøver, holdt på på en ovn motstandsdyktig sabot, å varmes til …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne økonomisk støtte av US Department of Energy gjennom den forvaltning Science akademiske Alliansen DOE/NNSA (DE-NA0001989 og DE-NA0002919) i drive denne forskningen. Til slutt, forfatterne gjerne takke Los Alamos National Lab for deres samarbeid for å støtte under arbeidet i de nåværende og fremtidige undersøkelsene.
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).
