Yüksek sıcaklık Normal yürütülmesi de basınç-makaslama plaka etkisi deneyler makat uç Sabot kalorifer sistemi ile kombine
Summary
Burada, yüksek sıcaklık ters normal plaka etkisi ve kombine basınç-makaslama plaka etkisi yürütmek için yeni bir yaklaşım detaylı bir protokol mevcut. Yaklaşım ısıya dayanıklı bir sabot ön uç istenilen sıcaklık için düzenlenen bir örnek ısıtmak için bir makat uç direnç bobin ısıtıcı kullanımı içerir.
Abstract
Normal ve/veya kombine basınç-makaslama plaka etkisi deneyler kadar 1000 ° C sıcaklıklarda test için yeni bir yaklaşım sunulmaktadır. Birkaç özel deneysel sorunlar benzer deneyler yaparken karşı karşıya azaltıcı malzemeleri termomekanik aşırı altında dinamik davranışı sondalama doğru amaçlı yüksek sıcaklık plaka-etkisi deneyler yöntem sağlar geleneksel plaka etkisi yaklaşımı kullanarak. Özel uyarlamalar makat sonuna kadar bir tek kademeli gaz tabancası Case Western Reserve Üniversitesi’nde yapılmaktadır; Bu uyarlamalar stratejik yüksek tolerans sağlarken varolan namlusunu çiftleşmek için tasarlanmıştır SAE 4340 çelikten bir uzantısı hassas işlenmiş parça dahil geçişli ve kama yuvası için maç. Uzatma parça bir dikey silindirik kalorifer-hangi bir ısıtıcı montaj evler de, içerir. Bir direnç bobin ısıtıcı kafa, sıcaklığa kadar 1200 ° C, yüksekliğe özgürlüklerin Aksiyel/dönme derece ile dikey bir kök bağlı olduğu; Bu ince metal numuneler ısıya dayanıklı bir sabot düzgün istediğiniz test sıcaklıklara çapı arasında ısıtmalı ön uç düzenlenen sağlar. (Bu durumda, örnek) el ilanı plaka hedef sonunda silah varil yerine makat sonunda Isıtma tarafından birkaç kritik deneysel sorunlar engellenebilir. Bu içerir: 1) hedef plaka uyum hedef sahibi derleme; çeşitli bileşenlerinin termal genişlemesi nedeniyle Isıtma sırasında ciddi değişiklikler 2) tanılama öğeleri nedeniyle ortaya çıkan sorunları (i.e., polimer sanal ızgaralar ve optik sondalar) olmak çok yakın ısıtmalı hedef derlemeye; 3) hedef plakaları nerede örnek arasında çok önemli toleransları bağ katmanı, optik bir penceresi ve yüksek sıcaklıklarda korumak için giderek daha zor hale pencere için ortaya çıkan sorunlar; 4) durumunda of sıkıştırma-makaslama plaka etkisi deneyler, yüksek sıcaklığa dayanıklı kırınım ızgaralar hedef ücretsiz yüzeyde enine parçacık hız ölçme gereksinimini kombine; ve 5) sınırlamalar empoze üzerinde çarpma hızı zaman profil yumuşatıcı ve muhtemelen sınırlayıcı hedef plakaları verimli termal nedeniyle karşı ölçülen ücretsiz yüzey hız kesin yorum için gerekli. Yukarıda belirtilen uyarlamalar kullanarak, biz örnek sıcaklık aralığı, ticari saflıkta alüminyum üzerine ters geometri normal plaka etkisi deneylerin sonuçlarını bir dizi mevcut. Örnek sıcaklıklar artan yumuşatma malzemeden işaret etmektedir etkilenen durumda, parçacık hızları azalan bu deneyler gösteri (sonrası verim akışı stres azalma).
Introduction
Mühendislik uygulamalarında malzemeler çok çeşitli statik veya dinamik deformasyon ve erime noktası yakınındaki odasından değişen sıcaklıklarda yüksek düzeyde ile birleştiğinde doğada koşullarına tabi. Bu termomekanik büyük altında malzeme davranışı büyük ölçüde değişebilir; Böylece, neredeyse bir yüzyılı aşkın süredir, çeşitli deneyler dinamik yanıt ve/veya diğer özellikleri rejimler1,2,3 yükleme altında kontrol ederken malzeme davranış sondalama doğru amaçlı geliştirilmiştir , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. düşük orta gerilim oranları (10-6-10 0/s) olarak, yüklenen metaller için servo-hidrolik ya da hassas vida malzeme yanıt okumak için kullanılan evrensel test etme makineleri tabi çeşitli yükleme modları ve deformasyon düzeyde. Ama uygulanan yük artış oranları Orta gerilim oranları (i.e., > 102/s), deneysel diğer teknikleri mekanik yanıt yoklama için gerekli hale. Örneğin, 103/s oranları 5 × 10’a kadar yükleme,4/s tam boyutlu veya Split-Hopkinson basınç çubukları Etkinleştir8,15yapılacak bu tür ölçümleri küçültülmüş.
Geleneksel olarak, hafif gaz-silah ve/veya patlama tahrik plakası etkisi deneyler dinamik esnememe ve spallation gibi diğer olgu çalışma veya çok yüksek gerilim oranları ile oluşan dönüşüm faz için kullanılmıştır (105-10 7/s)16,17,18,19,20,21,22veya yüksek basınç ve dinamik yükleme oluşur. Alışıldığı, başlangıçta sonunda makat-gaz-gun, sonra seyahat namlu uzunluğu ve bir dikkatli bir şekilde hizalanmış sabit hedef plaka ile çarpışmak için yapılan bir sabot tarafından taşınan bir el ilanı plaka lansmanı plaka etkisi deneyler dahil etkisi odası. Etkisi sonucu olarak normal ve/veya kombine basınç ve yamultma vurguluyor el ilanı/hedef arayüzü, hangi Plakaların boyuna ve enine boyuna ve/veya kombine stres dalgalar olarak mekansal boyutları gezinir oluşturulur. Bu dalgalar hedef plaka arka yüzeyde varış genellikle dalgaboyu teknikleri izlenir hedef plaka anlık ücretsiz yüzey parçacık hızını etkiler. Ölçülen parçacık hız zaman geçmiş karşı yorumlayabilmek izin vermek için uçak-dalgalar etkisi yüzeyi açık bir paralel ile etkisi14,23oluşturulması gereklidir. Eski, etkisi emin olmak için bir etkisi tilt açılı bir milli-Taliban12,24, düzlük yüzeylerin etkisi ile sırasına birkaç mikrometre5,25‘ den daha iyi olmalıdır.
Plaka etkisi deneyler araştırmalar termomekanik aşırı26,27,28,29genişletmek için malzeme davranış sağlayan Orta basınç buhar kazanlar içerecek şekilde adapte olması. Bu uyarlamalar genellikle ek bir indüksiyon bobini, ya da gaz tabancası hedef sonuna bir direnç ısıtıcı öğesinin içerir; Bu uyarlamalar deneysel olarak mümkün olduğu gösterilmiştir rağmen yaklaşım dikkatli dikkat edilmesi gereken noktalar gerektiren özel deneysel sorunlar doğal olarak yol açar. Bu deneysel komplikasyonlar bazıları diferansiyel termal genleşme hedef sahibi derleme ve/veya hizalama fikstür çeşitli bileşenlerinin gerçek zamanlı olarak hizalama ayarları gerektirir hedef (örnek) plaka ısıtma iken, genellikle örnek ve hedef plaka arasında çok önemli parallelism en büyük ölçüde dayanıklılık sağlamak için sürekli geribildirim araçlarla uzaktan kumandalı hizalama ile yaptı. Basınç-makaslama plaka etkisi deneysel düzeni söz konusu olduğunda, örnek Isıtma geleneksel polimer ızgaralar gerektirir ücretsiz yüzey enine parçacık hızlı izlemek için yüksek sıcaklığa dayanıklı Metalik kafes bezi tarafından yerine hedef plaka. Yüksek baskı hızı basınç-makaslama plaka etkisi yapılandırma, nerede özel hususlar-ebilmek var olmak gerekli kombine gibi Ayrıca, Isıtma örnek sınırlamalar içinde deneysel bazı programları, istihdam çarpma hızı ekleyebilirsiniz deneysel sonuçlar kesin yorumu önlemek için hangi ön ve arka hedef akustik empedans kullanarak hangi tabaklar hesaplanır sıcaklık bağımlı olabilir. Son olarak, diğer deneysel düzenleri için hangi optik bir pencere, toleranslar örnek, bağ katmanı ve/veya yüksek sıcaklık19, korumak için giderek daha zor hale kaplamalar arasında hedef plakalı gerektirir.
Yukarıda belirtilen deneysel sorunları hafifletmek için varolan tek kademeli gaz-Case Western Reserve Üniversitesi (CWRU)7,30,31,,32 bulunan silah için özel uyarlamalar yapmış . Bu değişiklikler ince metal numuneler ısıya dayanıklı bir sabot yüksek sıcaklık normal ve/veya kombine basınç-makaslama plaka etkisi deneyler olmak izin aşan 1000 ° C, ateş önce ısıya ısıtmalı ön uç düzenlenen etkinleştirmek yürütülen. Aksine en yüksek sıcaklık plaka etki çalışmaları için istihdam geleneksel yaklaşımlar, birkaç yukarıda açıklanan deneysel sorunları hafifletmek için bu yöntem gösterilmiştir. Örneğin, bu yaklaşım feasibly uzak tilt ayarlama30ihtiyacını veya deneme sırasında tilt değişiklikleri izlemek için ek optik öğeleri olmadan bir milli Taliban tilt açıları elde etmek için kullanılmıştır. Hedef plaka ortam sıcaklığı altında kalır, ikinci olarak, bu yöntem özel yüksek sıcaklığa dayanıklı holografik kafes bezi ihtiyacını eğik etkisi deneylerde enine parçacık hız ölçümü için gerektirmez; Ayrıca, daha yüksek etkisi hızları-ebilmek var olmak kullanmak hedef verimli riski plaka ve böylece, deneysel sonuçların yorumlanması karmaşıklığı azaltmak. Eklemek için bu yaklaşım bize-Up ilişkiler için bir seçim örnek malzeme sağlayan yüksek sıcaklık ters-geometri normal plaka etkisi deneyler gerçekleştirmek için kullanılabilir. Bunlar empedans Uyarlayıcıları teknikleri veya buna ek olarak, rarefaction fan yapılan değişikliklerle ilgili bilgileri örnek şok hızı için boşaltma33sırasında,34 taşımaya örnek arka yüzeyinden bir analizini elde edilebilir . Yüksek sıcaklık kombine basınç-makaslama plaka etkisi yapılandırmada, bu yaklaşım en çok geniş bir sıcaklık ve plastik deformasyon aralığı ve 107/s bağlı olarak en fazla zorlanma-gore belirlenmesi için ince filmlerin dinamik esnememe sağlar. ince numune16,27,29kalınlığı.
Yukarıda tartışılan bir tipik yüksek sıcaklık plaka etkisi deney yapmak için gerekli protokolleri sunacak. Bu mevcut tekniği kullanarak elde temsilcisi sonuçları bölümünde adanmış tarafından takip edilecektir. Son olarak, sonuçları bir tartışma bir sonuca önce sunulacak.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yöntemi ve iletişim kuralı düzgün bir ters geometri normal plaka etkisi deneyi yüksek sıcaklıklardaki yerine getirmek için kullanılan yordam yukarıda ayrıntılı ifade etti. Bu yaklaşım, namlu Case Western Reserve Üniversitesi bir direnç ısıtıcı bobini Aksiyel ve dönme serbestlik derecesi ile evine, varolan gaz silahı yüksek basınç (makat) sonunda özel değişiklikler yapmak. Direnç ısıtıcı bobin sistemi ateş önce ince alüminyum numuneler, düzenlenen ısıtıcı dayanıklı bir sabot er…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar ABD Enerji Bakanlığı aracılığıyla yönetim bilim Akademik İttifak DOE/bu araştırma içinde NNSA (DE-NA0001989 ve DE-NA0002919) mali desteği kabul etmek istiyorum. Son olarak, yazarlar Los Alamos Ulusal Laboratuvarı mevcut ve gelecekteki araştırmalarda geçiren çabaları desteklemek üzere işbirliği için teşekkür etmek istiyorum.
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).
