本文介绍了一种用于开展高温逆向正向平板撞击以及压力-剪切复合平板撞击的新方法的详细实验方案。该方法采用枪膛端电阻线圈加热器，将固定在耐热弹托前端的样品加热至所需温度。
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本文内容
摘要
摘要
一种用于在高达1000 °C的测试温度下开展常规或组合式压力-剪切平板撞击实验的新方法被提出。该方法可实现高温条件下的平板撞击实验，旨在研究材料在极端热力耦合条件下的动态行为，同时克服了采用传统平板撞击方法进行类似实验时所面临的一系列特殊实验挑战。在凯斯西储大学的一级气炮炮尾端进行了定制化改造，包括采用SAE 4340钢精密加工制成的延伸部件，其结构经过精心设计，可与现有炮管匹配，并在孔径和键槽方面实现高公差配合。该延伸部件包含一个垂直圆柱形加热井，用于容纳加热组件。一个电阻线圈加热头（最高温度可达1200 °C）连接在具有轴向/旋转自由度的垂直杆上，可使固定在耐热弹托前端的薄金属试样在整个直径范围内均匀加热至目标测试温度。通过在炮管的炮尾端（而非靶端）加热飞板（本实验中即样品），可避免若干关键性实验难题，包括：1）由于靶 holder 组件各部分热膨胀导致加热过程中靶板对准发生严重偏移；2）因诊断元件即，聚合物全息光栅和光学探针）过于靠近加热的目标组件；3）对于带有光学窗口的目标板，样品、粘结层与窗口之间的关键公差在高温下越来越难以维持；4）在组合压缩-剪切平板冲击实验中，需要耐高温的衍射光栅以测量目标自由表面横向粒子速度；5）由于边界目标板的热软化及可能发生的屈服，对冲击速度的限制影响了自由表面速度-时间曲线的明确解析。通过采用上述改进措施，本文展示了在一系列商业纯度铝的反向几何正交平板冲击实验中获得的结果，实验覆盖了不同样品温度条件。这些实验结果显示，随着样品温度升高，冲击状态下的粒子速度降低，表明材料发生软化（屈服后流动应力下降）。
引言
在工程应用中，材料会经历各种各样的条件，这些条件可能是静态或动态的，同时伴随着从室温到接近熔点的温度范围内的大范围变形。在这些极端的热力耦合条件下，材料的行为可能发生显著变化；因此，近一个世纪以来，已开发出多种实验方法，旨在研究材料在受控加载条件下的动态响应及其他行为特征1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14。对于在低至中等应变率（10-6-1....
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方案
1. 样品与靶材的制备
注意：在以下实验方案中，我们将详细说明进行反向几何正板冲击实验所需样品和靶材的制备步骤。在此装置中，飞片（同时也是样品）被固定在弹托前端，通过单级气体炮发射，并撞击位于气体炮靶室内的静止靶板。下文所述典型的飞片与靶板组件结构如图1所示。
- 将纯度为99.999%的商用多晶铝棒切割成圆盘，后续将用作飞片（样品）。
注意：可使用低速锯进行切割，以防止工件产生高温和残余应力。 - 在车床上对样品圆盘进行端面加工和外圆车削，使其直径为76 mm，厚度为5.6 mm。
- 在样品圆盘上，沿直径为62 mm的螺栓圆周均匀钻三个直径为5 mm的孔，后续用于将样品固定在弹托上。
- 对样品板的两面进行研磨，以实现在整个样品直径范围内平面度和平行度公差接近10 µm。
- 使用商用研磨机和相对较粗的磨料颗粒（10 - 20 µm）对样品板表面进行粗研磨。
注意：此步骤中可施加配重，直至研磨表面呈现均匀的暗灰色，表明圆盘直径范围内表面均匀。 - 使用乙醇仔细清洗研磨后的样品，以去除任何残留颗粒和矿物油。然后，在抛光布上使用1 µm金刚石抛光膏对样品板的两个表面进行抛光。
- 在单色绿光光源下，通过与待测表面接触的光学平晶观察光带，检查样品的平面度
- 使用商用研磨机和相对较粗的磨料颗粒（10 - 20 µm）对样品板表面进行粗研磨。
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结果
在凯斯西储大学（CWRU），使用了一台孔径为82.5 mm、长度为6 m的单级气体炮，该气体炮能够将质量为0.8 kg的弹丸加速至最高700 m/s的速度，用于开展本实验。图5展示了CWRU改造后的气体炮装置的照片。发射前，定制设计的弹托置于加热器延伸段内，如图6所示。该延伸段设有垂直加热井，使电阻线圈加热器可沿弹托运动路径自由进出。该加热线圈可在真空条件下通过自由辐射将固定在弹托前端的飞片加热至所需的测试温度。该弹托经过专门设计，可在承载加热飞片的同时，最大限度减少热量从飞片向弹托本体的传导，从而降低因弹托本体热膨胀可能导致的卡滞风险。图7以示意图形式展示了该定制弹托的设计。该设计的关键部件是陶瓷绝缘管，由完全烧结的硅酸铝制成，因其具有较低的热导率、低热膨胀系数以及相较于其他商用可加工陶瓷更优异的耐久性而被选用。当达到所需测试温度后，加热头手动移出弹丸运动路径，并收纳于加热井内。在气体炮发射前.......
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讨论
上述方法与方案详细说明了在高温条件下正确执行反向几何结构常规平板撞击实验的步骤。在本方法中，我们对凯斯西储大学现有气枪的高压（后膛）端枪管进行了定制化改造，以容纳一个具有轴向和旋转自由度的电阻加热线圈。该电阻加热线圈系统可在发射前将固定在耐热弹托前端的薄铝试样加热至接近熔点的温度（超过 640 °C）。通过结合使用加热器外壳适配装置与耐热弹托，可在无需采用常规方法中典型所需的特殊实验考虑的情况下，开展高温平板撞击实验，例如在加热过程中为保持靶板与飞板平行而需进行的带实时反馈的远程倾斜调节。总体而言，与常规方法相比，新方法显著减少了实验方案中的步骤数量。
在实验方案部分，我们详细描述了以下步骤：1）样品和靶材的制备，其中飞片和靶板需经过精密加工、研磨和抛光，以满足平面波生成所需的平行度和平整度公差，确保波前与冲击面具有足够的平行性；2）组装定制的耐高温弹托，该弹托能够固定加热后的样品板，同时减少热量向弹托本体及枪管的传导。此外，弹托配备一个键结构，可与枪管内现有的键槽配合，防止弹托组件在沿枪管运动过程中发生旋转。最后，在步骤3至5中，我们详细说明了实验前样品板与靶板的对准、飞片（样品.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢美国能源部通过科学管理学术联盟（Stewardship Science Academic Alliance）DOE/NNSA项目（项目编号：DE-NA0001989 和 DE-NA0002919）为本研究提供的经费支持。最后，作者感谢洛斯阿拉莫斯国家实验室在当前及未来研究工作中开展合作并给予支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 99.999% 商业纯度多晶铝 | Goodfellow | AL007970 | 飞片（样品）材料 |
| H13 工具钢 | 凯斯西储大学制造中心 | N/A | 样品 holder 的材料 |
| 溶液处理 &及年龄对Inconel 718合金的影响 | 高温金属 | N/A | (1.005/1.015)" 直径 × 24"靶板材料 |
| 光刻胶 S1805 | MicroChem | N/A | 全息光栅用光刻胶材料 |
| 开发者 CD-26 | MicroChem | N/A | 用于全息光栅光刻胶的显影剂 |
| 铝6063管 | McMaster-Carr | 4568T19 | 目标组件中环形材料 |
| 黑色Delrin®缩醛树脂棒（4-1/2" 直径） | McMaster-Carr | 8576K81 | 靶组件中Delrin支架的材料 |
| 白色 Delrin® 聚甲醛树脂棒（1/4" 直径 | McMaster-Carr | 8572K51 | 靶组件中Delrin销钉的材料 |
| 铝6061管 | McMaster-Carr | 9056K24 | 抛射体组件主体材料 |
| 铝合金6061棒材 | McMaster-Carr | 8974K88 | 弹丸组件中帽盖的材料 |
| 聚四氟乙烯板 | McMaster-Carr | 8711K98 | 关键材料 |
| LAVA-FF - 氧化铝硅酸盐圆盘 | 技术产品 | CWR-033116-1 | |
| LAVA-FF - 硅酸铝管 | 技术产品 | ALR11515 | |
| 氧化铝盘头槽形螺栓 | Ceramco | A83200PANSLT0.500 | |
| 409 N70 Buna-N O型圈 | O形圈商店 | B70409 | |
| Loctite Hysol 9412 胶粘剂 | Loctite | 83107 | |
| 高温水泥 | OMEGA Engineering | OB-300 | |
| 超快固化环氧树脂 | 埃尔斯沃思 | 4001 | |
| 聚酯薄膜片 | McMaster-Carr | 8567K94 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
