Élevé à température normale et combiné pression-cisaillement plaque Impact expériences Via un système de chauffage de Sabot-culasse
Summary
Nous présentons ici un protocole détaillé d’une nouvelle approche pour la réalisation impact plaque normale inverse à température élevée et combiné plaque de pression et de contrainte de cisaillement. L’approche implique l’utilisation d’un convecteur résistif-culasse pour chauffer un échantillon conservé sur le serveur frontal d’un sabot résistant à la chaleur à la température souhaitée.
Abstract
Une nouvelle approche pour le cisaillement pression normale et/ou combiné plaque impact des expériences à des températures jusqu’à 1000 ° C test est présentée. La méthode permet aux expériences de plaque résistant à température élevée visant à sonder le comportement dynamique des matériaux sous thermomécanique extrêmes, tout en atténuant plusieurs spéciales expérimentales défis tout en effectuant des expériences similaires à l’aide de la méthode impact plaque conventionnelle. Des adaptations personnalisées sont apportées à la culasse d’un canon à gaz-mono-étagé à la Case Western Reserve University ; ces adaptations incluent une rallonge usinées avec précision en acier 4340 SAE, qui est stratégiquement conçu pour s’accoupler le canon existant tout en offrant une tolérance élevée correspondent à l’alésage et rainure de clavette. La rallonge contient un radiateur cylindrique vertical-puits, qui abrite un ensemble de chauffage. Un résistif bobine chauffe-tête, capable d’atteindre des températures de jusqu’à 1200 ° C, est attachée à une tige verticale avec axial/rotation degrés de libertés ; Cela permet des éprouvettes métalliques minces qui s’est tenues sur le serveur frontal d’un sabot résistant à la chaleur pour chauffer uniformément à travers le diamètre pour les températures d’essai souhaitée. En chauffant la plaque circulaire (dans ce cas, l’échantillon) à la culasse du Canon-Canon plutôt qu’à la cible-fin, plusieurs défis expérimentaux critiques peuvent être évitées. Ceux-ci incluent : 1) des modifications graves dans l’alignement de la plaque cible durant le chauffage en raison de la dilatation thermique des plusieurs composants de l’assemblage du support cible ; 2) les défis qui se posent en raison des éléments de diagnostic, (i.e., réseaux holographiques de polymère et les sondes optiques) étant trop proche de l’assembly cible chauffée ; 3) les défis qui se posent pour les plaques de la cible avec une optique fenêtres, où les tolérances cruciales entre l’échantillon, libellés en couche et deviennent de plus en plus difficile de maintenir des températures élevées ; 4) dans le cas de combiné compression cisaillement plaque impact expériences, la nécessité pour les réseaux de diffraction résistant à haute température pour la mesure de la vitesse des particules transversale à la surface libre de la cible ; et 5) restrictions imposées sur la vitesse d’impact nécessaire pour une interprétation sans équivoque de la vitesse surface libre mesurée par rapport à la courbe de temps en raison de la thermique ramollissement et éventuellement céder des plaques cible englobante. En utilisant les adaptations mentionnées ci-dessus, nous présentons les résultats d’une série d’expériences d’impact plaque normale géométrie inversée sur l’aluminium de pureté commerciale à une plage de températures de l’échantillon. Ces expériences montrent diminuant les vitesses des particules dans l’État touché, qui ont une valeur indicatives du matériel ramollissement (baisse de tension de rendement après écoulement) avec augmentation de la température de l’échantillon.
Introduction
Dans les applications d’ingénierie, les matériaux sont soumis à un large éventail de conditions, qui peuvent être statiques ou dynamiques par nature, couplée à des niveaux élevés de déformation et de températures allant de la salle près du point de fusion. En vertu de ces extrêmes thermomécanique le comportement peut varier radicalement ; ainsi, près d’un siècle, plusieurs expériences ont été développées visant à sonder la réponse dynamique et/ou autres caractéristiques du comportement alors que sous contrôle chargement régimes1,2,3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. pour métaux chargés faibles à vitesses de déformation intermédiaires (10-6-10 0/s), vis de servo-hydraulique ou precision machines d’essai universelles ont été utilisées pour étudier la réponse de matériel soumis à différents modes de chargement et niveaux de déformation. Mais comme la souche appliquée les taux augmentent au-delà des vitesses de déformation intermédiaires (i.e., > 102/s), autres techniques expérimentales sont imposent pour sonder la réponse mécanique. Par exemple, au taux de 103/s de charge vers le haut à 5 × 10,4/s pleines ou miniaturisés permettent de bars pression Split-Hopkinson ces mesures à faire8,15.
Traditionnellement, les gaz-canons légers et/ou expériences impact plaque explosivement entraînés ont été utilisés pour étudier l’inélasticité de dynamique et d’autres phénomènes comme la spallation, ou phase de transformation qui se produisent avec des vitesses de déformation très élevée (10,5-10 7/s),16,17,18,19,20,21,22, ou des combinaisons de hautes pressions et chargement dynamique. Habituellement, les expériences impact plaque impliquent le lancement d’une plaque circulaire porté par un sabot initialement à la culasse du fusil à gaz, puis se déplace sur toute la longueur du Canon-Canon, et faite d’entrer en collision avec une plaque cible fixe soigneusement alignés à la chambre de l’impact. Suite à l’impact, normale et/ou de la combination de la pression et les contraintes de cisaillement sont générés à l’interface de flyer/cible, qui voyage à travers les dimensions spatiales des plaques comme des ondes longitudinales et/ou combiné des contraintes longitudinales et transversales. L’arrivée de ces ondes à la surface arrière de la plaque cible affecte la vitesse instantanée particule libre de surface de la plaque de la cible, qui est généralement contrôlée par des techniques interférométriques. Afin de permettre l’interprétation de la vitesse des particules mesurées versus évolution temporelle, il est nécessaire que les ondes planes avec un front parallèle à la surface d’impact être générées sur impact14,23. Pour assurer l’impact ancien, doit avoir lieu avec un angle d’inclinaison de répercussions sur l’ordre de moins d’un milli-radian12,24, avec des surfaces d’impact de la planéité mieux que quelques micromètres5,25.
Expériences d’impact plaque ont été adaptées pour inclure les résistances qui permettent les enquêtes de comportement d’étendre en thermomécanique extrêmes26,27,28,29. Ces adaptations comportent généralement l’ajout d’une bobine d’induction ou d’un élément de chauffage résistif de la cible-fin du fusil à gaz ; Bien que ces adaptations ont été montrées expérimentalement réalisables, l’approche entraîne intrinsèquement spéciales défis expérimentaux qui nécessitent une attention minutieuse. Certaines de ces complications expérimentales incluent une dilatation thermique différentielle des différents constituants de l’assemblage du support cible et/ou appareil d’alignement tout en chauffant la plaque cible (échantillon), qui nécessite des ajustements en temps réel l’alignement, habituellement fait avec des outils d’alignement télécommandé avec rétroaction continue afin de maintenir la tolérance essentielle de parallélisme entre l’échantillon et la plaque. Dans le cas du régime expérimental de l’impact pression-cisaillement plaque, chauffage de l’échantillon nécessite des grilles conventionnelles polymère remplacés par des caillebotis métalliques résistant à haute température afin de contrôler la vitesse des particules transversale à la surface libre de la plaque de mire. En outre, chauffage de l’échantillon peut ajouter limites sur la vitesse d’impact qui peut être employée dans certains régimes expérimentaux, tels que dans la souche haute taux combinés configuration d’impact plaque de pression et de contrainte de cisaillement, où les considérations spéciales peuvent être nécessaires pour éviter une interprétation sans équivoque des résultats expérimentaux, qui sont calculées à l’aide de l’impédance acoustique de l’avant et l’arrière cible plaques qui peuvent être dépendante de la température. Enfin, pour les autres régimes expérimentaux, qui exigent une plaque de mire avec une fenêtre optique, de la tolérance entre les échantillons, couche liaison et/ou revêtements devenus de plus en plus difficiles de maintenir à des températures élevées,19.
Pour pallier les difficultés expérimentales mentionnées ci-dessus, nous avons fait des adaptations personnalisées à l’existant mono-étage-Canon à gaz situé à Case Western Reserve University (CWRU)7,30,31,32 . Ces modifications permettent des éprouvettes métalliques minces qui s’est tenues sur le serveur frontal d’un sabot résistant à la chaleur pour être chauffé à des températures supérieures à 1000 ° C, avant de déclencher, permettant à haute température normale et/ou combiné pression-cisaillement plaque impact expériences pour être réalisée. Contrairement à la plupart des approches conventionnelles utilisées pour les études d’impact plaque à température élevée, cette méthode s’est avérée soulager plusieurs des défis expérimentaux décrits ci-dessus. Par exemple, cette approche a été utilisée pour réaliser facilement les angles d’inclinaison de moins d’un milli-radian sans la nécessité d’ ajustement de tilt à distance30, ou des éléments optiques supplémentaires pour surveiller les changements d’inclinaison au cours de l’expérience. Deuxièmement, étant donné que la plaque cible demeure sous la température ambiante, cette méthode ne nécessite pas la nécessité de réseaux holographiques résistant aux hautes températures spéciales pour la mesure de la vitesse des particules transversal dans les expériences de l’incidence oblique ; en outre, des vitesses d’impact plus élevées peuvent être utilisées sans risque de donner lieu à la cible sur plaque et ainsi, réduire la complexité dans l’interprétation des résultats expérimentaux. Pour ajouter, cette approche peut être utilisée pour réaliser des expériences d’impact de plaque normale inverse-géométrie haute température qui fournissent des relations nous-Up pour un échantillon de choix. Ceux-ci peuvent être obtenus par des techniques d’adaptation d’impédance, ou plus, une analyse de l’éventail de la raréfaction de la surface arrière de l’échantillon qui transportent l’information au sujet des changements dans la vitesse de choc échantillon au cours du déchargement33,34 . Dans la configuration d’impact plaque de cisaillement pression combinée à température élevée, cette approche permet la dynamique inélasticité des couches minces à étudier jusqu’à une température large et gamme de déformation plastique et vitesses de déformation à 107/s selon de l’épaisseur de l’échantillon mince16,27,29.
Nous présenterons les protocoles nécessaires pour réaliser une expérience d’impact plaque à température élevée typique discutée ci-dessus. Cela sera suivie d’une section dédiée aux résultats représentatifs obtenues à l’aide de la technique actuelle. Enfin, une discussion des résultats sera présentée avant une conclusion.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode et le protocole indiqué ci-dessus détaillée la procédure pour effectuer correctement une expérience d’impact plaque normale géométrie inverse à des températures élevées. Dans cette approche, nous faisons des modifications personnalisées pour le canon à la fin de la haute pression (culasse) du pistolet gaz existant à la Case Western Reserve University, pour abriter un serpentin de chauffage résistif avec degrés de liberté axiales et rotationnels. Le système de serpentin de chauffage résist…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à souligner le soutien financier du département américain de l’énergie grâce à l’intendance Science Academic Alliance DOE/NNSA (DE-NA0001989 et DE-NA0002919) dans le cadre de cette recherche. Enfin, les auteurs aimeraient remercier le Laboratoire National de Los Alamos pour leur collaboration pour soutenir les efforts en cours dans les enquêtes actuelles et futures.
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).
