Forhøjet temperatur normalt og kombineret pres-Shear plade indvirkning eksperimenter Via en underkroppræsentation-ende Sabot opvarmningsanlægget System
Summary
Vi præsenterer her, en detaljeret protokol for en ny tilgang til at foretage forhøjede temperatur omvendt normale plade indvirkning og kombinerede pres og vrid plade indvirkning. Metoden indebærer anvendelse af en underkroppræsentation-ende resistive coil varmelegeme til at opvarme en prøve afholdes på forenden af en varme-resistent sabot til den ønskede temperatur.
Abstract
En ny metode for at udføre normale og/eller kombinerede pres-shear plade indvirkning eksperimenter på test temperaturer op til 1000 ° C er præsenteret. Metoden giver forhøjet temperatur plade-impact eksperimenter rettet mod sondering dynamiske opførsel af materialer under thermomechanical ekstremer, mens formildende flere specielle eksperimentelle udfordringer mens de udfører lignende eksperimenter ved hjælp af konventionelle plade indvirkning tilgang. Brugerdefinerede tilpasninger er lavet i underkroppræsentation slutningen af en et-trins gas-pistol ved Case Western Reserve University; disse tilpasninger omfatter en præcision-fræset forlængelsesstykke fremstillet af SAE 4340 stål, som er strategisk udformet til at parre de eksisterende pistol-tønde samtidig med en høj tolerance svarer til boring og kilegang. Forlængelsesstykket indeholder en lodret cylindrisk varmelegeme-brønd, som huser en vandvarmer forsamling. En resistiv coil varmelegeme-head, i stand til nå temperaturer på op 1200 ° C, er knyttet til en lodret stilk med aksial/roterende grader af frihedsrettigheder; Dette gør det muligt for tynd metal prøver afholdt på forenden af en varme-resistent sabot skal opvarmes ensartet på tværs af diameter til de ønskede temperaturer. Ved opvarmning flyer pladen (i dette tilfælde, prøve) i underkroppræsentation-slutningen af pistol-tønden i stedet for target-enden, kan flere kritiske eksperimentelle udfordringer afværges. Disse omfatter: 1) alvorlige ændringer i justeringen af target plade under opvarmning på grund af den termiske ekspansion af flere bestanddele af target indehaveren forsamling; 2) udfordringer, der opstår på grund af diagnostik elementerne, (dvs., polymer holografisk vandlås og optisk sonder) at være for tæt på den opvarmede target forsamling; 3) udfordringer, der opstår for målet plader med en optisk vindue, hvor afgørende tolerancer mellem stikprøven obligation lag, og vinduet bliver stadig vanskeligere at opretholde ved høje temperaturer; 4) i tilfælde af kombineret komprimering-shear plade indvirkning eksperimenter, behovet for høj temperatur resistent diffraktion riste til måling af tværgående partikel hastigheden på den frie overflade af målet; og 5) begrænsninger pålagt den nødvendige for utvetydig fortolkning af de målte gratis overflade hastighed kontra tidsprofil på grund af termisk blødgøring og eventuelt fremstilling af afgrænsningsrammen target pladerne anslagshastigheden. Ved at udnytte de tilpasninger, der er nævnt ovenfor, præsenterer vi resultaterne fra en serie af reverse geometri normale plade indvirkning eksperimenter på kommercielle renhed aluminium på en række prøve temperaturer. Disse eksperimenter viser faldende partikel hastigheder i påvirket tilstand, som er vejledende materiale blødgøring (fald i post udbytte flow stress) med stigende prøve temperaturer.
Introduction
I ingeniørmæssige anvendelser, er materialer udsat for en lang række betingelser, som kan være statiske eller dynamiske karakter, kombineret med en høj grad af deformation og temperaturer fra værelse til nær smeltepunktet. Under disse thermomechanical ekstremer kan den materielle adfærd variere drastisk; således over næsten et århundrede, har flere eksperimenter været udviklet rettet mod sondering det dynamiske respons og/eller andre karakteristika af materielle adfærd mens under kontrollerede lastning regimer1,2,3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. for metaller indlæst på lav til mellemliggende stamme priser (10-6-100 /s), servo-hydraulisk eller precision skrue universal test maskiner har været brugt til at studere den materielle svar underkastes forskellige lastning tilstande og niveauer af deformation. Men som den anvendte stamme priser stige ud over de mellemliggende stamme priser (dvs., > 102/s), andre eksperimentelle teknikker blive nødvendig for at sonde den mekaniske respons. For eksempel på lastning satser af 103/s til 5 × 104/s fuld størrelse eller miniaturized Split-Hopkinson pres barer aktiver sådanne målinger for at være lavet8,15.
Traditionelt, lette gas-kanoner og/eller eksplosivt drevet plade indvirkning eksperimenter har udnyttet for at studere det dynamiske costs og andre fænomen som spallation, eller fase transformation, der opstår med meget høj stamme priser (105-10 7/s)16,17,18,19,20,21,22, eller kombinationer af højt pres og dynamisk belastning. Sædvanligvis, plade indvirkning eksperimenter involverer lanceringen af en flyer plade båret af en sabot oprindeligt i underkroppræsentation-slutningen af gas-pistol, som så rejser ned på længden af pistol-tønde og er lavet til at kollidere med en nøje afstemt stationært target plade på den virkningen kammer. Som følge af indvirkningen genereres normale og/eller kombinerede pres og vrid understreger på grænsefladen flyer/target som rejse gennem de rumlige dimensioner af pladerne som langsgående og/eller kombinerede langsgående og tværgående stress bølger. Ankomsten af disse bølger på den bageste overflade af target plade påvirker øjeblikkelige frie overflade partikel hastigheden af target plade, som er overvåget typisk via interferometriske teknikker. For at give mulighed for tolkningen af de målte partikel hastighed kontra tid historie, er det nødvendigt, at flyet-bølger med en front parallel til indvirkning overfladen blive genereret ved indvirkning14,23. At sikre den tidligere, virkning skal ske med en indvirkning tilt vinkel på rækkefølgen af mindre end én milli-radian12,24, med indflydelse overflader af fladhed bedre end et par mikrometer5,25.
Plade indvirkning eksperimenter er blevet tilpasset til at omfatte varmelegemer, som aktiverer undersøgelser af materielle adfærd til at udvide thermomechanical ekstremer26,27,28,29. Disse tilpasninger indebære normalt tilsætning af en induktion coil, eller en resistiv varmelegeme element til target-enden af gas-pistol; Selvom disse tilpasninger har vist sig at være eksperimentelt gennemførlige, fører tilgangen i sagens natur til specielle eksperimentelle udfordringer, som kræver omhyggelige overvejelser. Nogle af disse eksperimentelle komplikationer omfatter differential termisk udvidelse af de forskellige bestanddele af target indehaveren forsamling og/eller justering armaturet mens varmepladen de mål (eksempel), som kræver in-real-time tilpasning justeringer, som regel lavet med fjernstyrede justering værktøjer med løbende feedback for at opretholde afgørende parallelitet tolerance mellem prøve og target pladen. I forbindelse med pres-shear plade indvirkning eksperimentelle ordning, varme prøven kræver konventionelle polymer ristværk erstattes af høj temperatur resistent metallisk riste for at overvåge tværgående partikel hastigheden på den frie overflade af den Target plade. Derudover kan opvarmning af prøven føje begrænsninger på de større slagpåvirkning, som kan være ansat i visse forsøgsordninger, som i den høje stamme sats kombineret pres og vrid plade indvirkning konfiguration, hvor særlige hensyn kan være påkrævet for at forhindre utvetydig fortolkning af de eksperimentelle resultater, kan der beregnes ved hjælp af akustisk impedans af de forreste og bageste målet plader, som være temperatur afhængige. Endelig, for andre forsøgsordninger, som kræver en target plade med en optisk vindue, tolerancer mellem prøve, bond lag og/eller belægninger bliver stadig vanskeligere at opretholde høje temperaturer19.
For at afhjælpe de eksperimentelle udfordringer nævnt ovenfor, har vi lavet brugerdefinerede tilpasning af eksisterende enkelt-trins gas-pistol ligger ved Case Western Reserve University (CWRU)7,30,31,32 . Disse ændringer aktiverer tynd metal prøver afholdt på forenden af en varme-resistent sabot der skal opvarmes til temperaturer over 1000 ° C, før fyring, som gør det muligt høj temperatur normale og/eller kombinerede pres-shear plade indvirkning eksperimenter skal gennemført. I modsætning til de fleste af de konventionelle tilgange ansat for forhøjet temperatur plade konsekvensundersøgelser, har denne metode vist sig at lindre flere af de eksperimentelle udfordringer beskrevet ovenfor. For eksempel, har denne tilgang været udnyttet til at realistisk opnå tilt vinkler af mindre end én milli-radian uden behovet for remote tilt justering30eller flere optiske elementer for overvågning af tilt ændringer under eksperimentet. For det andet, da målet pladen forbliver under omgivelsestemperaturer, denne metode kræver ikke behovet for særlig høj temperatur resistent holografisk riste til måling af tværgående partikel hastigheden i skråt nedslag eksperimenter; Derudover større effekt hastigheder kan udnyttes uden risiko for fremstilling af målet plade, og dermed reducere kompleksiteten i fortolkningen af de eksperimentelle resultater. For at tilføje, kan denne tilgang udnyttes til at udføre høj temperatur reverse-geometri normale plade indvirkning eksperimenter, som giver os-Up relationer til et valg prøvemateriale. Disse kan fås via impedans matching teknikker, eller desuden en analyse af rarefaction fan fra ryg overfladen af prøven, som bærer information om ændringer i prøven chok hastighed under losning33,34 . I den forhøjede temperatur kombinerede pres-shear plade indvirkning konfiguration giver denne tilgang den dynamiske costs af tynde film studeres op til en bred temperatur og plastisk deformation rækkevidde og stamme-hastigheder op til 107/s afhængigt af af tykkelsen af tynde model16,27,29.
Vi vil præsentere de protokoller, der er nødvendige for at udføre en typisk høj temperatur plade indvirkning eksperiment diskuteret ovenfor. Dette vil blive fulgt af en sektion dedikeret til repræsentative resultater opnået med den nuværende teknik. Endelig, en diskussion af resultaterne vil blive præsenteret før en konklusion.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metode og protokol anført ovenfor detaljeret procedure for korrekt udførelse af en reverse geometri normale plade indvirkning eksperiment ved forhøjede temperaturer. I denne tilgang foretage vi brugerdefinerede ændringer gun barrel enden højtryk (underkroppræsentation) af den eksisterende gas pistol ved Case Western Reserve University, til at huse en resistiv varmelegeme spole med aksial og roterende frihedsgrader. Resistive opvarmningsanlægget coil system gør det muligt for tynde aluminium prøver, afholdt på f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende finansiel støtte fra det amerikanske Department of Energy gennem Stewardship videnskab Academic Alliance DOE/NNSA (DE-NA0001989 og DE-NA0002919) i at gennemføre denne forskning. Endelig vil forfatterne gerne takke Los Alamos National Lab for deres samarbejde til støtte for undergår bestræbelser i de nuværende og fremtidige undersøgelser.
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).
