Проведение повышенные температуры нормальной и комбинированный давления сдвига пластины воздействия эксперименты через систему нагреватель казенник Сабо
Summary
Здесь мы представляем подробный протокол нового подхода для проведения воздействия обратной нормальной пластины при повышенной температуре и влияние комбинированных давления и сдвига пластины. Этот подход предполагает использование подогреватель казенник резистивный катушки для нагрева образца, состоявшейся в интерфейсных термостойкие Сабо до желаемой температуры.
Abstract
Представлен новый подход к нормальной или комбинированного давления сдвига пластины воздействия экспериментов на тест температур до 1000 ° C. Этот метод позволяет при повышенной температуре пластины влияние экспериментов, направленных на зондирующего динамического поведения материалов под термомеханические крайностей, а смягчающие несколько специальных экспериментальных проблем при выполнении подобных экспериментов используя подход воздействия обычных пластины. Пользовательские приспособления изготовлены в казенник-конец одноступенчатых газа пистолет на Западный резервный университет Кейза; Эти варианты адаптации включают расширение высокой точностью кусок из стали SAE 4340, который стратегически предназначен для сопряжения существующих ствол при обеспечении высокой толерантности матч в отверстие и пазом. Кусок расширение содержит вертикальные цилиндрические нагреватель колодец, который дома нагреватель Ассамблеи. Резистивный катушки нагреватель головы, может достигать температуры до 1200 ° C, прилагается к вертикального ствола с осевой/вращательных степеней свободы; Это позволяет тонких металлических образцов, состоявшейся в интерфейсных термостойкие Сабо нагревается равномерно по всему диаметром до желаемого испытательной температуры. При нагревании пластину флаер (в данном случае, образец) в конце ствола ствол вместо в конце целевой, несколько важнейших экспериментальных задач может быть предотвращено. К ним относятся: 1) тяжелые изменения в выравнивание целевой пластины при нагреве вследствие теплового расширения нескольких составляющих целевой сборки держателя; 2) проблемы, которые возникают из-за элементов, диагностика, (т.е., полимерной голографической решетки и оптические зонды), слишком близко к подогревом целевой сборки; 3) проблемы, которые возникают для целевой пластин с оптического окна, где решающее значение допусков между образца, скрепление слой и становится все труднее поддерживать при высоких температурах; 4) в случае использования комбинированных сжатия сдвига пластины воздействия эксперименты, потребность в высокотемпературной устойчивостью дифракционными решетками для измерения скорости поперечной частиц на свободной поверхности цели; и 5) ограничения на скорость удара, необходимых для однозначной трактовки измеренной свободной поверхности скорости против профиль времени из-за тепловой размягчения и возможно приносит ограничивающего целевой плит. Используя приспособления, упомянутых выше, мы представляем результаты из серии экспериментов воздействия обратной геометрии нормальной пластины на коммерческих чистоты алюминия в диапазоне температур образца. Эти эксперименты показывают снижение скоростей частиц в затронутые государства, которые являются ориентировочными размягчение материала (уменьшение стресса после выхода потока) с увеличением температуры образца.
Introduction
В инженерных приложениях материалы подвергаются широкий спектр условий, которые могут быть статическими или динамическими в природе, в сочетании с высоким уровнем деформации и температуры в диапазоне от комнаты до плавления. Под этими крайностями термомеханические материала поведение может варьироваться; Таким образом за почти полвека, несколько экспериментов были разработаны направлена к зондирующего динамической реакции и/или другие характеристики материала поведения, в то время как под контролем загрузки режимов1,2,3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. для металлов, загружены на низких промежуточных штамм ставок (10-6-10 0/s), серво гидравлические или точности винт, универсальные установки для испытаний были использованы для изучения материала ответ подвергаются различные режимы загрузки и уровни деформации. Но как прикладной деформации рост ставок за пределами промежуточных штамм цены (т.е., > 102/s), другие экспериментальные методы становятся необходимыми для зонда механические ответ. Например при загрузке ставки 103/s 5 ×10/4s-полноразмерная или миниатюрных Сплит-Хопкинсон давление бары включить такие измерения производится8,15.
Традиционно, легкие пушки газовые и/или взрыву ведомый тарелка воздействия экспериментов были использованы для изучения динамических неупругости и другие явления, такие как spallation, или этап преобразований, которые происходят с очень высокое напряжение ставок (105-10 7/s)16,,1718,19,20,21,22, или комбинации высоких давлений и динамической загрузки. Обычно, плита воздействия эксперименты включают запуск флаер пластины, перевозимых Сабо, первоначально в конце ствола газовый пистолет, который затем проходит по всей длине ствола и производится столкнуться с тщательно унифицированных стационарных целевой пластины на влияние камеры. В результате воздействия нормальной или комбинированного давления и касательные напряжения создаются во флаер/целевой интерфейс, который путешествие через пространственные размеры плит, как волны продольной или комбинированные продольные и поперечные стресс. Прибытие этих волн на поверхности задней пластины целевой влияют на скорость мгновенного свободной поверхности частицы пластину целевого объекта, который обычно контролируется с помощью интерферометрических методов. Чтобы разрешить интерпретации измеренных частиц скорости по сравнению с время истории, это необходимо, что самолет волны с передней параллельно поверхности влияния создаваться после воздействия14,23. Для обеспечения результативности бывшего, должно произойти с углом наклона влияние порядка меньше одной Милли радиан12,24, с ударных поверхностей Плоскостность лучше, чем несколько микрометров5,25.
Пластина воздействия эксперименты были адаптированы для включать нагревательные элементы, которые позволяют исследования поведения материала для расширения в термомеханических крайности26,27,,2829. Эти приспособления обычно включают добавление индуктора, или резистивный нагревательный элемент до конца целевого газа Гун; Хотя было показано, что эти приспособления экспериментально возможно, подход неизбежно приводит к специальных экспериментальных проблем, которые требуют тщательного соображений. Некоторые из этих экспериментальных осложнений включают дифференциального термического расширения различных составляющих Ассамблеи держатель целевых и/или Юстировочное приспособление при обогреве пластину целевой (образец), которая требует корректировки в режиме реального времени выравнивание, обычно из средств телемеханики выравнивание с непрерывной обратной связи для поддержания решающее значение параллелизма терпимости между пластину образца и целевой. В случае давления сдвига пластины воздействия экспериментальной схемы, Отопление образца требует обычных полимерные решетки заменить высокотемпературные стойкие металлические решетки для того, чтобы контролировать скорость поперечной частицы на свободной поверхности Целевой пластины. Кроме того Отопление образца можно добавить ограничения на скорость удара, которые могут быть использованы в некоторых экспериментальных схем, таких как в высокой нагрузки курс комбинированный давления и сдвига пластины влияние конфигурации, где могут потребоваться особые соображения чтобы предотвратить однозначной интерпретации экспериментальных результатов, которые рассчитываются что используя акустический импеданс передней и задней плиты, который может быть зависит от температуры. И наконец для других экспериментальных схем, которые требуют целевой плита с оптическое окно, допуски между образца, Бонд слой, и/или покрытия, становится все труднее поддерживать высокие температуры19.
Чтобы облегчить экспериментальных задач, упомянутых выше, мы сделали пользовательские адаптации существующих одноступенчатых газа гун расположен в случае Вестерн Резерв университета (КЕЙЗА)7,,3031,32 . Эти изменения позволяют тонких металлических образцов, состоявшейся в интерфейсных термостойкие Сабо нагревается до температуры свыше 1000 ° C, до стрельбы, которые позволяют высокой температуры нормальной или комбинированного давления сдвига пластины воздействия экспериментов, чтобы быть проведено. В отличие от большинства традиционных подходов, используемых для исследования воздействия повышенной температуры плиты этот метод было показано, чтобы облегчить некоторые из экспериментальных задач, описанных выше. Например этот подход использовался для реально достичь углы наклона менее чем одной Милли радиан без необходимости для удаленного наклона перестройки30, или дополнительные оптические элементы для мониторинга изменения наклона во время эксперимента. Во-вторых поскольку целевой пластина остается при температурах окружающей среды, этот метод не требует необходимость специальной высокотемпературной устойчивостью голографической решетки для измерения скорости поперечной частиц в экспериментах наклонный воздействия; Кроме того, выше соударений может использоваться без риска приносит целевой пластины и таким образом, уменьшить сложности в интерпретации экспериментальных результатов. Для добавления, этот подход может использоваться для выполнения высоких температур реверс геометрии нормальной пластины воздействия экспериментов, которые обеспечивают нас-Up отношения для выбора образца материала. Они могут быть получены через сопротивление соответствующие методы, или, Кроме того, анализ разрежения вентилятора от задней поверхности образца, которые несут информацию об изменениях в образец ударной скорости во время разгрузки33,34 . В повышенной температуре комбинированного давления сдвига пластины влияние конфигурации этот подход позволяет динамической неупругости тонких пленок для изучения до широкого температурного и диапазон пластической деформации и нагрузку скорость до 107/s в зависимости от толщины тонких образцов16,27,29.
Мы представим протоколы, необходимые для выполнения типичный повышенной температуры плиты воздействия эксперимент говорилось выше. Это будет сопровождаться раздел, посвященный представителя результаты, полученные с использованием метода настоящего. И наконец обсуждение результатов будет представлен до завершения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод и протокола указано выше подробные процедуры для надлежащего выполнения обратной геометрии нормальной пластины воздействия эксперимент при повышенных температурах. В этом подходе мы делаем пользовательские модификации ствол в конце высокого давления (затвор) существующей газ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы признать финансовой поддержке Министерства энергетики США через руководство науки академических Альянс МЭ/НАЯБ (де-NA0001989 и де-NA0002919) в проведении этого исследования. Наконец авторы хотели бы поблагодарить за их сотрудничество в поддержку проходящих усилия в текущие и будущие расследования Лос-Аламосской национальной лаборатории.
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).
