通常の温度の上昇を実施し、尾端サボ ヒーター システムを介して圧力剪断平板衝突試験を組み合わせる
Summary
高温逆平板衝撃と圧力とシアー プレート接合複合影響を実施するための新しいアプローチの詳細なプロトコルを紹介します。アプローチは、望ましい温度に耐熱性のサボのフロント エンドで開催された試料を加熱する逆子最後抵抗コイル ヒーターの使用を含みます。
Abstract
1000 ° C まで温度で通常および/または結合された圧力剪断平板衝突試験を実施するための新しいアプローチを提示します。メソッドにより、同様の実験を実行している間直面しているいくつかの特別な実験課題を軽減しつつ熱の極端を下の材料挙動をプロービングを目指して高温プレート衝突実験従来の板衝撃アプローチを使用してください。ケース ウエスタン リザーブ大学; で 1 段ガスガン末尾にカスタム適応が加えられました。これらの適応は、高い耐性を提供しながら既存の砲身をチームメイトに戦略的に設計されている SAE 4340 鋼から作られた精密加工の延長部分穴とキー溝に一致します。延長部分には、垂直円筒形ヒーター-まあ、ヒーター アセンブリの家が含まれています。抵抗コイル ヒーター-頭、1200 ° c の温度に達することができるが軸/回転自由度と垂直ステムに接続されています。これにより、目的のテスト温度に直径方向に均一に加熱する耐熱サボのフロント エンドで開催された薄い金属片。ターゲット端の代わりに銃バレルの砲尾終わり (この場合、サンプル) でチラシのプレートを加熱することによっていくつかの重要な実験課題を回避することができます。これらが含まれます: 1) ターゲット ・ ホルダ ・ アセンブリのいくつかの成分の熱膨張による加熱中にターゲット プレートのアライメントの深刻な変化2) 診断の要素が原因で起こる課題 (すなわち、ポリマーによるホログラフィック回折格子と光プローブ) されている温水ターゲット アセンブリの近くにも。3) 光学窓、どこサンプル、間重要な公差はレイヤーを結合と高温に維持するためにますます困難になるウィンドウ ターゲット プレートのために起こる課題4) の場合圧縮せん断プレート衝突実験、高温耐性の回折格子先の自由表面で横方向粒子速度の測定のための必要性を組み合わせる・ 5) 対熱軟化と多分境界のターゲット プレートの降伏により時間プロファイル測定無料表面流速の明確な解釈に必要な影響の速度に制限します。上記適応を活用することにより、サンプル温度範囲で工業用純アルミニウムで逆ジオメトリ平板衝撃実験の一連の結果を紹介します。これら実験ショー材料軟化の指標である埋伏状態における粒子速度を減少させる (後の降伏応力の低下) サンプル温度を増加。
Introduction
エンジニア リング アプリケーションでは、材料は、静的または動的に変化する変形と融点の近くに部屋から気温の高いレベルで結合条件の広い範囲にさらされます。これらの熱処理の極端な下の材料挙動が大きく; 異なることがしたがって、ほぼ世紀のいくつかの実験が開発されてきました動的応答やその他体制1,2,3を読み込み制御の下の材料挙動の特性をプロービングの方向け,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. 金属低中間のひずみ率 (10-6-100 /s) で読み込まれる、普遍的な試験機は、材料の応答を研究に使用されているサーボ油圧または精密ネジを受けるさまざまな読み込みモードと変形のレベル。適用ひずみとして料金は中間のひずみ速度を超えて増加しますが、(すなわち。、> 10 の2/s)、他の実験技術は機械の応答を調査するために必要になります。たとえば、5 × 10 まで 103/s の速度のロードで4/s はフルサイズやホプキンソン圧力バー有効にする8,15を可能にするそのような測定を小型化します。
伝統的に、軽いガス銃や爆発的ドリブン プレート衝突実験は、動的非弾性と破砕など他の現象を研究する非常に高批ずみ速度で発生する変換のフェーズに利用されている (105-107/s)16,17,18,19,20,21,22、または高圧と荷重の組み合わせ。平板衝突試験がガス銃を銃バレルの長さを旅し、で慎重に位置合わせされた静止したターゲット プレートと衝突した末尾に当初サボによって運ばれるチラシ プレートの発売を伴う習慣、商工会議所の影響。影響の結果として通常および/または結合された圧力と剪断応力が生成されますチラシ/ターゲット インターフェイス縦および/または結合された縦方向と横方向の応力波として板の空間次元を旅します。ターゲット プレートの後部の表面のこれらの波の到着干渉技術を介して通常監視ターゲット プレートの瞬時の自由表面粒子速度に影響を与えます。時刻歴対測定粒子速度の解釈が可能、影響14,23時にフロントへの影響面平行平面波を生成することが必要です。前者の影響を確保するため必要があります未満 1 ミリ ラジアン12,24, 平坦性の影響の表面との順序の影響傾斜角とカップル マイクロメータ5,25より。
平板衝突試験は、加熱、熱の極端な26,27,28,29に物質的な行動の調査を可能にする要素を含むように適応されています。これらの適応は通常誘導コイル、またはガス銃; 末ターゲット抵抗ヒーター エレメントの追加を伴うこれらの適応実験可能であることが示されている、しかしアプローチは本質的に細かい配慮を必要とする特別の実験課題に します。これらの実験的合併症ではリアルタイムでアライメント調整を必要とするターゲット (サンプル) ・ プレートを加熱しながらターゲット ・ ホルダー ・ アセンブリおよび/または位置合わせ治具の様々 な成分の差分の熱膨張に挙げ通常サンプルとターゲット プレートの間重要な並列性トレランスを維持するために継続的なフィードバックとリモートで制御される配置ツールで行われます。従来のポリマーの格子が必要ですサンプルを加熱圧力剪断平板衝撃実験方式の場合の自由表面で横方向粒子速度を監視するために高温耐熱金属グレーティングに置き換えられます、ターゲットのプレート。高批ずみ速度結合圧せん断プレート影響構成では、特別な考慮が必要など、加熱サンプルの特定の実験的スキームで用いることができる影響の速度に制限を追加できますまた、実験結果の明確な解釈を防ぐためを板の前面と背面のターゲットの音響インピー ダンスを用いた計算で温度に依存可能性があります。最後に、他の実験的方式、光学窓、サンプル、接着層、および/または高温19で維持するためにますます困難になるコーティング間の公差を持つターゲット プレートが必要な。
上記実験課題を軽減するために、既存単段ガス-銃ケース ウェスタン リザーブ大学 (CWRU)7,30,31,32 にあるカスタム適応にしました.これらの変更を有効にする許可する高温に通常および/または結合された圧せん断プレート衝突実験、焼成前に、1000 ° C を超える温度まで加熱する耐熱サボのフロント エンドで開催された薄い金属試料実施。高温プレートへの影響研究採用従来のアプローチのほとんどと対照をなしてこのメソッドは上記の実験課題のいくつかを軽減するために示されています。たとえば、このアプローチはうまくリモート チルト調整30の必要性や実験中の傾斜変化を監視するための追加の光学素子なし未満 1 ミリ ラジアンの角度を達成するために利用されています。第二に、ためターゲット プレートは周囲温度の下では、このメソッドは不要特別な高温抵抗力があるホログラフィック グレーティング反射器の必要性斜め衝突実験で横方向粒子速度の測定のためさらに、高い衝撃速度はターゲットを降伏のリスクなし利用できるプレートと実験の結果の解釈の複雑さを減らします。追加するには、このアプローチを活用して選択サンプル素材の私たちの関係を提供する高温逆ジオメトリ平板衝撃実験を行うことできます。これらは入手できますインピー ダンス整合技術を介して、またはさらに、真空ファン アンロード33,34 中サンプル衝撃速度の変化に関する情報を運ぶサンプルの表面・裏面からの解析.高温圧力-断プレート影響構成では、このアプローチにより、広い温度と塑性変形の範囲、および 107/s によって最大ひずみレートまで調査される薄膜の動的非弾性極薄板試験片16,27,29の厚さ。
上記で説明した典型的な高温平板衝撃実験を実行するために必要なプロトコルを紹介します。これは現在の技術を使用して得られた代表的な結果に専用のセクションでされます。最後に、結果の検討が結論の前に表示されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
方法およびプロトコル上記詳細高温逆ジオメトリ通常平板衝撃実験を正しく実行するための手順。このアプローチでは、ケース ウェスタン リザーブ大学、抵抗ヒーター コイル軸と回転自由度を収容するために既存のガス銃の高圧 (逆子) 最後に砲身に独自の変更を行います。抵抗ヒーター コイル システムは、焼成前に (を超える 640 ° C)、融点近くまで加熱するヒーター耐サボのフロント エ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、米国エネルギー省を介して、管理科学学術提携省 (・ デ ・ NA0002919 ・ デ ・ NA0001989 ・この研究での財政支援を承認したいと思います。最後に、著者は現在および将来の捜査に受けて活動の支援とのコラボレーションのロスアラモス国立研究所に感謝したいと思います。
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).
