Durchführung von erhöhter Temperatur Normal und kombinierte Druck-Shear Platte folgen Experimente über eine Verschluss-End Sabot-Heizsystem
Summary
Hier präsentieren wir Ihnen ein detailliertes Protokoll eines neuen Ansatzes für die Durchführung von erhöhter Temperatur umgekehrte normale Platte Auswirkungen und kombinierte Druck und Scherplatte Auswirkungen. Das Konzept beinhaltet die Verwendung einer Beckenendlage-End ohmsche Spule Heizung, eine Probe am Front-End-eine hitzebeständige Sabot auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen.
Abstract
Ein neuer Ansatz für die Durchführung von normalen bzw. kombinierte Druck-Shear Platte Auswirkungen Experimente bei Test Temperaturen bis 1000 ° C wird vorgestellt. Die Methode ermöglicht erhöhter Temperatur Platte wirkenden Experimente richtet sich sondieren dynamisches Verhalten von Materialien unter thermomechanischen Extreme, und mehrere spezielle Experimentelle Herausforderungen während der Durchführung ähnliche Experimente mit Hilfe des herkömmlichen Platte Auswirkungen Ansatzes. Benutzerdefinierte Anpassungen sind bis zum Verschluss-Ende einer einstufigen Gas-Pistole an der Case Western Reserve University; Diese Anpassungen umfassen eine Präzision bearbeitet Verlängerungsstück, hergestellt aus Stahl SAE 4340, die strategisch ausgelegt ist, die bestehenden Gewehrlauf zu Paaren, und bietet gleichzeitig eine hohe Toleranz übereinstimmen, der Bohrung und Nut. Das Verlängerungsstück enthält einen vertikale zylindrische Heizung-gut, beherbergt eine Heizeinheit. Einen resistiven Spule Heizung-Kopf, erreichen Temperaturen bis 1200 ° C ist mit einer vertikalen Stamm mit axial/Rotations Grad Freiheiten verbunden; Dadurch können dünne Metall Exemplare am Front-End-eine hitzebeständige Sabot gleichmäßig über den Durchmesser den gewünschten Test-Temperaturen erhitzt werden. Durch Erhitzen der Flyer-Platte (in diesem Fall die Probe) am Verschluss-Ende der Gewehrlauf anstelle von Ziel-Ende, können mehrere kritische Experimentelle Herausforderungen abgewendet werden. Dazu gehören: 1) schwere Veränderungen in der Ausrichtung der Zieltafel während der Erwärmung durch die thermische Ausdehnung der verschiedenen Bestandteile der Halter Zielbaugruppe; (2) Herausforderungen, die durch die Diagnose Elemente entstehen (i.e., Polymer holographische Gitter und Einkoppeloptiken) wird zu nah an der beheizten Zielbaugruppe; (3) Herausforderungen für Zieltafel mit einer optischen Fenster, wo entscheidende Toleranzen zwischen der Probe bond-Schicht, und immer schwieriger, bei hohen Temperaturen beizubehalten; (4) bei der Kombination Kompression-Shear Platte folgen Experimente, die Notwendigkeit einer Hochtemperatur-beständig Beugung Gitterroste für die Messung der transversalen Partikelgeschwindigkeit an der freien Oberfläche des Ziels; und 5) Beschränkungen auf die Aufprallgeschwindigkeit für eindeutige Interpretation der gemessenen freien Oberfläche Geschwindigkeit versus Zeitprofil durch thermische Erweichung und möglicherweise von den umgebenden Zieltafel nachgeben. Durch die Nutzung der oben genannten Anpassungen, präsentieren wir die Ergebnisse aus einer Reihe der umgekehrte Geometrie normaler Teller Auswirkungen Experimente auf kommerzielle Reinheit Aluminium in einer Probe Temperaturbereich. Diese Experimente zeigen abnehmende Teilchen Geschwindigkeiten im belasteten Zustand, die bezeichnend für Material weich sind (Abnahme der Post-Ausbeute Fließspannung) mit steigender Temperatur der Probe.
Introduction
In technischen Anwendungen unterliegen Materialien eine Vielzahl von Bedingungen, die statisch oder dynamisch in der Natur, gepaart mit hoher Verformung und Temperaturen im Bereich von Raum in der Nähe des Schmelzpunktes von sein kann. Unter diesen extremen thermomechanischen kann das Materialverhalten drastisch variieren; So wurden über fast ein Jahrhundert, mehrere Experimente ausgerichtet in Richtung sondieren das dynamische Verhalten und/oder andere Merkmale des Materialverhaltens während unter kontrollierten Regime1,2,3 Laden entwickelt , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. für Metalle bei niedrigen bis mittleren Dehnraten (10-6-10 0/s) geladen, Servo-hydraulische oder Präzision Schraube universal Prüfmaschinen verwendet wurden, um die materielle Antwort zu studieren ausgesetzt zu verschiedenen Modi der Be- und Ebenen der Verformung. Aber als die angewandte Belastung erhöhen Preise jenseits der mittlere Dehnraten (i.e., > 102/s), andere experimentelle Techniken notwendig geworden, um das mechanische Verhalten zu untersuchen. Zum Beispiel bei Belastung Raten von 103/s bis zu 5 × 104/s Full-size oder miniaturisierte Split Hopkinson Druck Bars ermöglichen solche Messungen um8,15erfolgen.
Traditionell, leichten Gas-Pistolen und/oder explosionsartig angetriebenen Platte folgen Experimente verwendet worden haben, studieren die dynamische Inelastizität und andere Phänomene wie Spallation oder phase der Transformation, die mit sehr hohen Dehnraten auftreten (105-10 7/s)16,17,18,19,20,21,22, oder Kombinationen von hohem Druck und hoher dynamischer Belastung. Üblicherweise, Platte folgen Experimente beinhalten die Einführung einer Flyer-Platte, getragen von einer Sabot zunächst am Verschluss-Ende der Gas-Pistole, die dann hinunter die Länge der Lauf der Waffe reist und erfolgt mit sorgfältig abgestimmte stationäre Zieltafel an kollidieren die prallraum. Durch den Aufprall sind normal und/oder kombinierten Druck- und Schubspannungen an der Flyer/Ziel-Schnittstelle erzeugt die Reise durch die räumlichen Abmessungen der Platten als längs- und/oder kombinierte Längs- und Querrichtung Stress Wellen. Die Ankunft dieser Wellen an der hinteren Oberfläche der Zieltafel Einfluss auf die momentane freie Oberfläche Partikelgeschwindigkeit der Zieltafel, die in der Regel über interferometrische Techniken überwacht wird. Um die Interpretation der gemessenen Partikelgeschwindigkeit im Vergleich zu zeitlichen Verlauf zu ermöglichen, ist es notwendig, dass Ebene Wellen mit einer vorderen Parallel zur Oberfläche Auswirkungen auf Auswirkungen14,23generiert werden. Die ehemalige, Wirkung zu gewährleisten müssen mit einem Neigungswinkel von Auswirkungen in der Größenordnung von weniger als 1 Milli-Radian12,24, mit aufprallflächen der Ebenheit besser als ein paar Mikrometer5,25auftreten.
Platte folgen Experimente wurden angepasst, um einzuschließen, Heizelemente, die Untersuchungen des Materialverhaltens, nach thermomechanischen Extreme26,27,28,29auszudehnen zu ermöglichen. Diese Anpassungen umfassen in der Regel die Zugabe von einer Induktionsspule oder von einem resistiven Heizelement bis zum Ziel-Ende der Gas-Waffe; Obwohl diese Anpassungen experimentell realisierbar erwiesen haben, führt der Ansatz von Natur aus zu speziellen experimentellen Herausforderungen erfordern sorgfältige Überlegungen. Einige dieser experimentellen Komplikationen gehören unterschiedliche Wärmeausdehnung der verschiedenen Bestandteile der Zielbaugruppe Halter und/oder Ausrichtung Befestigung während der Heizung die Zieltafel (Beispiel), die in Echtzeit Ausrichtung Anpassungen erfordert, normalerweise gebildet mit ferngesteuerten ausrichtungswerkzeuge mit kontinuierliches Feedback um Toleranz entscheidend Parallelität zwischen der Probe und Ziel Platte zu erhalten. Bei Druck-Shear Platte Auswirkungen experimenteller Regelung Heizen der Probenmaterials erfordert konventionelle Polymer Gitterroste von hoch-temperaturbeständige metallische Gitter erneuert werden, um quer Partikelgeschwindigkeit an der freien Oberfläche der Überwachung der Zieltafel. Darüber hinaus kann Heizen der Probe hinzufügen Einschränkungen auf die Aufprallgeschwindigkeit, die in bestimmten experimentellen Systemen eingesetzt werden kann wie in der hohen Belastung Rate Druck und Scherplatte Auswirkungen Konfiguration, wo besondere Überlegungen erforderlich sein kann um zu verhindern, dass eindeutige Interpretation der Versuchsergebnisse, die berechnet werden, dass mit der akustischen Impedanz der vorderen und hinteren Ziel die Platten möglicherweise temperaturabhängig. Zu guter Letzt für andere experimentelle Systeme erfordern die Zieltafel mit einem optischen Fenster, Toleranzen zwischen der Probe, Bond-Schicht bzw. Beschichtungen immer schwieriger, bei hohen Temperaturen19beizubehalten.
Um die oben genannten experimentellen Herausforderungen zu erleichtern, haben wir kundenspezifische Anpassungen an der bestehenden einstufigen Gas-Pistole befindet sich an der Case Western Reserve University (Home-)7,30,31,32 gemacht. . Diese Änderungen ermöglichen dünne Metall Exemplare am Front-End-eine hitzebeständige Sabot Temperaturen über 1000 ° C, vor dem Brand erhitzt werden die hohen Temperaturen normal bzw. kombinierte Druck-Shear Platte Auswirkungen Experimente zu ermöglichen durchgeführt. Im Gegensatz zu den meisten die herkömmlichen Ansätze für Studien über die Auswirkungen erhöhter Temperatur Platte hat diese Methode gezeigt, um einige der oben beschriebenen experimentellen Herausforderungen zu lindern. Zum Beispiel ist dieser Ansatz verwendet worden, um praktisch Neigungswinkel von weniger als 1 Milli-Radian ohne die Notwendigkeit für remote Tilt Einstellung30oder zusätzliche optische Elemente für die Überwachung der Tilt Änderungen während des Experiments zu erreichen. Zweitens da die Zieltafel unter Umgebungstemperaturen bleibt, erfordert diese Methode nicht die Notwendigkeit einer speziellen Hochtemperatur-beständig holographische Gitter für die Messung der transversalen Partikelgeschwindigkeit in schrägen Auswirkungen Experimente; Darüber hinaus höhere Aufprallgeschwindigkeiten genutzt werden, ohne das Risiko von nachgeben das Ziel Platte, und so verringern Sie die Komplexität bei der Interpretation der Versuchsergebnisse. Um hinzuzufügen, kann dieser Ansatz genutzt werden, um Hochtemperatur Reverse-Geometrie normaler Teller Auswirkungen Experimente durchführen, die uns-Up Beziehungen für eine Wahl Probenmaterial zur Verfügung zu stellen. Diese über Impedanzanpassung Techniken oder darüber hinaus erhalten Sie eine Analyse des Ventilators Verdünnung von der hinteren Oberfläche der Probe die Informationen über Änderungen in Probe Schock Geschwindigkeit während der Entladung33,34 tragen . Bei erhöhter Temperatur kombinierte Druck-Schub Platte Auswirkungen Konfiguration ermöglicht dieser Ansatz der dynamischen Inelastizität dünner Schichten bis hin zu einem weiten Temperaturbereich und plastische Verformung Palette und Dehnraten bis zu 107/s je untersucht werden die Dicke der dünnen Probe16,27,29.
Wir präsentieren die Protokolle notwendig für die Durchführung einer typischen erhöhter Temperatur Platte Impact-Experiments oben diskutiert. Dies folgt eine Rubrik zum repräsentativen Ergebnisse, die mit der heutigen Technik. Zu guter Letzt wird eine Diskussion der Ergebnisse vor einem Vertragsabschluss vorgelegt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Methode und das Protokoll genannten ausführlichen Verfahren für die richtig Ausführung eine umgekehrte Geometrie normaler Teller Impact-Experiment bei erhöhten Temperaturen. Bei diesem Ansatz stellen wir benutzerdefinierte Änderungen an den Gewehrlauf Hochdruck (Beckenendlage) Ende der bestehenden Gas-Waffe auf Case Western Reserve University, um einen resistiven Heizspirale mit Axial- und rotatorische Freiheitsgrade zu beherbergen. Das Ohmsche Heizung Spulensystem ermöglicht dünne Aluminium Exemplare, statt a…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten finanziellen Unterstützung des US-Department of Energy durch die Stewardship Wissenschaft Academic Alliance DOE/NNSA (DE NA0001989 und DE-NA0002919) bei der Durchführung dieser Forschung anerkennen. Schließlich möchte die Autoren Los Alamos National Lab für ihre Zusammenarbeit zur Unterstützung der derzeit Bemühungen in den aktuellen und zukünftigen Untersuchungen zu danken.
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).
