إجراء رفع درجة حرارة طبيعية والجمع بين الضغط-الإمالة لوحة أثر التجارب عن طريق نظام سخان Sabot المؤخرة في نهاية
Summary
نقدم هنا، بروتوكول مفصل لنهج جديد لإجراء تأثير لوحة طبيعية عكس درجة حرارة مرتفعة، وتأثير الجمع بين الضغط والقص لوحة. هذا النهج ينطوي على استخدام سخان نهاية المؤخرة لفائف مقاوم للحرارة عينة عقد في الواجهة الأمامية sabot المقاوم للحرارة إلى درجة الحرارة المطلوبة.
Abstract
ويقدم نهجاً جديداً لإجراء القص الضغط العادي و/أو مجتمعة لوحة أثر تجارب في اختبار درجة حرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية. الأسلوب الذي يتيح درجة حرارة مرتفعة أثر لوحة تجارب تهدف إلى سبر السلوك الديناميكي للمواد تحت النقيضين حراري، مع تخفيف عدة تحديات التجريبية الخاصة التي تواجهها أثناء القيام بتجارب مماثلة استخدام نهج الأثر اللوحة التقليدية. تعديلات مخصصة مصنوعة في نهاية المؤخرة لمدفع الغاز مرحلة واحدة في قضية جامعة الاحتياطي الغربية؛ هذه التعديلات تشمل توسيع تشكيلة الدقة قطعة مصنوعة من الفولاذ 4340 ساي، الذي يستهدف استراتيجيا ورفيقه ماسورة البندقية القائمة بينما توفر تسامح عالية مطابقة لتتحمل ومجرى الخابور. قطعة ملحق يحتوي على عمودي أسطواني سخان-بئر، الذي يضم جمعية سخان. لفائف مقاوم سخان-رئيس، قادرة على الوصول إلى درجات حرارة تصل 1200 درجة مئوية، أرفقت جذع رأسي مع درجات محوري/التناوب من الحريات؛ وهذا يتيح عينات معدنية رقيقة المعقود في الواجهة الأمامية sabot المقاوم للحرارة تكون ساخنة شكل موحد عبر القطر إلى درجة حرارة الاختبار المطلوب. بالتدفئة لوحة إعلانية (في هذه الحالة، العينة) في المؤخرة-نهاية ماسورة البندقية بدلاً من نهاية الهدف، يمكن تفادي العديد من التحديات الحاسمة التجريبية. وتشمل هذه: 1) تغييرات حادة في محاذاة لوحة الهدف أثناء التسخين بسبب التمدد الحراري لمقومات عدة للجمعية حامل المستهدفة؛ 2) التحديات التي تنشأ بسبب عناصر التشخيص، (أي.، المشابك المجسم البوليمر، والمجسات الضوئية) يجري قريبة جداً من الهدف ساخنة الجمعية العامة؛ 3) التحديات التي تنشأ عن لوحات الهدف مع إطار بصري، حيث السندات التحمل حاسمة بين العينة، طبقة، والنافذة التي تزداد صعوبة للحفاظ على درجات حرارة عالية؛ 4) بالنسبة للجمع بين القص ضغط صفيحة أثر التجارب، والحاجة إلى مقاومة للحرارة العالية حيود المشابك لقياس سرعة الجسيمات عرضية على السطح الحر لهذا الهدف؛ و 5) القيود المفروضة على أثر السرعة اللازمة للتفسير لا لبس فيها لقياس السرعة السطحية مجاناً مقابل الشخصية الوقت سبب الحرارية تليين وربما تسفر عن لوحات الهدف المحيط. عن طريق استخدام التعديلات المشار إليها أعلاه، نقدم نتائج سلسلة من الهندسة العكسية لوحة طبيعية أثر تجارب على نقاء التجارية الألومنيوم في طائفة من درجة حرارة العينة. هذه التجارب تظهر تناقص سرعات الجسيمات في الدولة المتأثرة، والتي تدل على مواد تليين (انخفاض في التدفق العائد بعد الإجهاد) مع زيادة درجة حرارة العينة.
Introduction
في التطبيقات الهندسية، تتعرض المواد لمجموعة واسعة من الظروف التي يمكن أن تكون ثابتة أو ديناميكية في طبيعتها، مقرونة بمستويات عالية من التشوه ودرجات حرارة تتراوح بين غرفة القرب من نقطة الانصهار. تحت هذه النهايات حراري سلوك مادي يمكن أن تختلف جذريا؛ وهكذا، على مدى ما يقرب من قرن، تجارب عديدة قد وضعت تهدف نحو يحقق الاستجابة الحيوية و/أو الخصائص الأخرى للسلوك المادي بينما تحت التحكم تحميل أنظمة1،،من23 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14-بالنسبة للمعادن التي حملت في انخفاض معدلات الضغط المتوسط (10-6-100 /ق)، المسمار مضاعفات الهيدروليكية أو الدقة استخدمت آلات الاختبار العالمي لدراسة الرد المادي يتعرضون لمختلف تحميل وسائط و مستويات تشوه. ولكن السلالة التطبيقية زيادة معدلات تتجاوز معدلات الضغط المتوسط (أي.، > 10/ق2)، تقنيات تجريبية أخرى تصبح ضرورية من أجل التحقيق في الاستجابة الميكانيكية. على سبيل المثال، في تحميل معدلات من 103/ق ما يصل إلى 5 × 104/ق كاملة الحجم أو المنمنمة هوبكنسون تقسيم الضغط تمكين أشرطة هذه القياسات بذل8،15.
تقليديا، استخدمت بنادق الغاز الخفيفة و/أو لوحة الفلزي مدفوعة أثر تجارب دراسة إينيلاستيسيتي ديناميكية والظاهرة الأخرى مثل النيترونات، أو المرحلة التحول التي تحدث بمعدلات عالية جداً من سلالة (105-10 7/ق)16،17،،من1819،20،،من2122، أو تركيبات من ضغوط عالية والتحميل الديناميكي. عرفا، تتضمن لوحة أثر تجارب إطلاق لوحة إعلانية قام قبقاب في البداية في المؤخرة-نهاية مدفع الغاز، ثم يسافر إلى أسفل طول ماسورة البندقية، وإلى الاصطدام مع لوحة هدف ثابتة تمت محاذاته بعناية في دائرة التأثير. نتيجة للتأثير، تتولد الضغط العادي و/أو مجتمعة، وتشدد على القص في الواجهة، نشرة إعلانية/الهدف، السفر عبر الأبعاد المكانية من اللوحات كموجات طولية و/أو مجتمعة من الإجهاد الطولي والعرضي. وصول هذه الموجات على سطح لوحة الهدف الخلفية تؤثر على السرعة لحظية مجانية الجسيمات السطح من لوحة الهدف، الذي يرصد عادة عن طريق تقنيات التداخل السوناريه. من أجل السماح لتفسير سرعة الجسيمات المقيسة مقابل التاريخ الوقت، من الضروري أن يتولد موجات الطائرة مع جبهة موازية للسطح أثر على أثر14،23. لضمان التأثير السابق، يجب أن يحدث مع زاوية إمالة أثر بناء على أمر واحد أقل من المجلس الملي-راديان12،،24مع الأسطح أثر من التسطيح أفضل من بضعة ميكرومتر5،25.
وقد تم تكييف لوحة أثر تجارب تشمل تدفئة العناصر التي تمكن من إجراء تحقيقات سلوك المادي تمتد إلى حراري النقيضين26،27،،من2829. وعادة ما تنطوي هذه التعديلات إضافة الملف التعريفي، أو عنصر سخان مقاوم للهدف-نهاية مدفع الغاز؛ على الرغم من أن هذه التعديلات قد ثبت تجريبيا قابلة للتنفيذ، يؤدي النهج أصلاً إلى التحديات التجريبية الخاصة التي تتطلب اعتبارات الحذر. وتشمل بعض هذه المضاعفات التجريبية التفاضلية التمدد الحراري لمختلف مكونات الهدف حامل الجمعية و/أو المحاذاة لاعبا أساسيا أثناء التدفئة لوحة الهدف (نموذج)، الأمر الذي يتطلب تعديلات المحاذاة في الوقت الحقيقي، عادة ما تكون مصنوعة مع أدوات التحكم عن بعد المحاذاة مع تغذية مرتدة مستمرة بغية الحفاظ على التسامح توازي أهمية حاسمة بين لوحة عينة والهدف. في حالة ضغط القص لوحة تأثير المخطط التجريبي، تدفئة العينة يتطلب المشابك التقليدية البوليمر الاستعاضة عن المشابك المعدنية المقاومة للحرارة العالية من أجل رصد سرعة الجسيمات عرضية على السطح الحر لوحة الهدف. وعلاوة على ذلك، تدفئة العينة إضافة قيود على سرعة التأثير التي يمكن أن تستخدم في بعض المخططات التجريبية، مثل في سلالة عالية مجتمعة معدل تكوين أثر لوحة الضغط والقص، التي قد تكون فيها الاعتبارات الخاصة المطلوبة للحيلولة دون تفسير واضح للنتائج التجريبية، التي تحسب مقاومة الصوتية الأمامي والخلفي المستهدفة باستخدام اللوحات التي قد تكون درجة الحرارة يتوقف. وأخيراً، الخطط التجريبية الأخرى، التي تتطلب لوحة هدف مع إطار بصري، والتحمل بين عينة والسندات طبقة الطلاء صعوبة متزايدة الحفاظ على ارتفاع درجات الحرارة19.
للتخفيف من حدة التحديات التجريبية المشار إليها أعلاه، وقد أحرزنا تعديلات مخصصة إلى القائمة مرحلة واحدة الغاز بندقية الموجود في جامعة Western Reserve القضية (كورو)7،،من3031،32 . هذه التعديلات تمكين عينات معدنية رقيقة المعقود في الواجهة الأمامية من sabot المقاوم للحرارة تكون ساخنة لدرجات حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية، قبل إطلاق النار، التي تسمح لدرجة حرارة عالية لوحة تجارب القص الضغط العادي و/أو مجتمعة لتكون وأجرى. على عكس معظم النهج التقليدية المستخدمة لدرجة حرارة مرتفعة لوحة دراسات الأثر، أظهر هذا الأسلوب للتخفيف من حدة العديد من التحديات التجريبية المذكورة أعلاه. على سبيل المثال، قد استخدمت هذا النهج عمليا تحقيق زوايا الميل من راديان ميلي أقل من واحدة دون الحاجة إلى إمالة بعد التعديل30، أو العناصر الضوئية الإضافية لرصد التغيرات الميل خلال التجربة. ثانيا، نظراً للوحة الهدف لا يزال تحت درجات الحرارة المحيطة، هذا الأسلوب لا تتطلب الحاجة الخاصة المشابك المجسم مقاومة للحرارة العالية لقياس سرعة الجسيمات عرضية في تجارب تأثير منحرف؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تستخدم سرعات أعلى تأثير دون المخاطرة بالعائد المستهدف لوحة، ومن ثم، تقليل التعقيد في تفسير النتائج التجريبية. إضافة، يمكن استخدام هذا النهج القيام بتجارب أثر لوحة طبيعية عكس الهندسة درجة الحرارة المرتفعة التي توفر لنا متابعة العلاقات لمادة عينة خيار. هذه يمكن الحصول عليها عن طريق تقنيات مطابقة المعاوقة، أو بالإضافة إلى ذلك، تحليلاً للمروحة المطروح من السطح الخلفي للعينة التي تحمل المعلومات المتعلقة بالتغييرات في عينة صدمة السرعة أثناء تفريغ33،34 . ويمكن هذا النهج في درجة حرارة مرتفعة الضغط مجتمعة-القص لوحة أثر التكوين، إينيلاستيسيتي الحيوية للأغشية الرقيقة دراسة ما يصل إلى درجة حرارة واسعة ومجموعة اللدونة، والسلالة-معدلات تصل إلى 107/ق اعتماداً سمك العينة رقيقة16،،من2729.
وسوف نقدم البروتوكولات اللازمة لإجراء تجربة تأثير لوحة نموذجية مرتفعة حرارة المذكورة أعلاه. سيعقب بقسم مخصص للممثل النتائج المتحصل عليها باستخدام هذا الأسلوب. وأخيراً، ستقدم مناقشة للنتائج قبل استنتاج.
Protocol
Representative Results
Discussion
الأسلوب والبروتوكول المذكورة أعلاه تفصيلاً الإجراءات المتعلقة بأداء تجربة هندسة العكسية تأثير لوحة طبيعية في درجات الحرارة المرتفعة بشكل صحيح. في هذا النهج، نحن إجراء تعديلات مخصصة لماسورة البندقية في نهاية الضغط العالي (المؤخرة) مدفع الغاز الموجودة في الحالة الغربية احتياطي جامعة، لإ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون الاعتراف بدعم مالي من “وزارة الطاقة في الولايات المتحدة” من خلال الإشراف العلوم الأكاديمية تحالف وزارة الطاقة/الإدارة الوطنية (NA0001989 دي ودي-NA0002919) في إجراء هذا البحث. وأخيراً، الكتاب يود أن يشكر “مختبر لوس ألاموس الوطني” للتعاون دعما للجهود الجارية في التحقيقات الحالية والمستقبلية.
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 |
References
- 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).
