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。
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Protocol
1. サンプル材料の準備を対象と
注: 次のプロトコルで逆ジオメトリ通常平板衝撃実験で後で使用されるサンプルとターゲットの材料を準備するために必要な手順説明いたします。このセットアップで、サボの前面で開催チラシ プレート (またサンプル)、される単一段階ガス銃を介して起動とガス銃のターゲット部屋に入って静止ターゲット プレートに影響を与える。図 1に概略次のプロトコルで説明されている一般的なチラシとターゲット板アセンブリを示します。
- チラシ版 (サンプル) として後で使用されるディスクに 99.999% の純度多結晶アルミニウム棒をセクションします。
注: これが高温とワークの残留応力を防ぐために低速の鋸を使用して行うことができます。 - 顔し、直径 76 mm、厚さ 5.6 mm 旋盤をサンプル ディスクをオンにします。
- 3 つの平板穴サボにサンプルを確保する後で使用されるサンプル ディスク上 62 mm 直径の大胆な円の直径 5 mm をドリルします。
- サンプルの直径上約 10 μ m の平面度と並列処理耐性を達成するために、サンプル プレートの両側を挽きます。
- 比較的粗い粒子サイズ (10-20 μ m) の商業ラッピング マシンを使ってサンプル プレート面に大まかなラップを実行します。
注: 重量はラップ面がディスクの直径方向の均一性を示すも鈍い灰色にまで、この手順で追加できます。 - 慎重にエタノールを使用して任意の残留粒子とミネラル オイルを削除するラッピング サンプルをクリーンアップします。その後、研磨布で 1 μ m ダイヤモンド ペーストを使用してサンプル プレートの両方の面を磨きます。
- 16緑単色光源の下で興味の表面に接触オプチカル フラットによる光の帯を観察することによってサンプルの平坦度をチェックします。
注: サンプルの表面の光の帯の曲率を観察することによって、図 2に示すように直径方向のバンドの数を数えて平坦度を定量化することができます。- 3 バンドが点灯する場合次のステップに移動やあまり見られているサンプル直径約 2 μ m します。 それ以外の場合、手順を繰り返します 1.4.1 - 1.4.3 3 光バンドまで以上の平坦性が実現できることを示します。
- 比較的粗い粒子サイズ (10-20 μ m) の商業ラッピング マシンを使ってサンプル プレート面に大まかなラップを実行します。
- 1.1-1.3 ターゲット プレートを製造するための手順を繰り返します。ディスクに析出硬化 (高強度) の合金の棒 (テーブルの材料) をセクションし、マシンを直径 25 mm、7 mm の厚さにします。最後に、約 10 μ m のフラット両側を挽きます。
- 表面も鈍い灰色外観を達成するまで鉱物油の 15 μ m のアルミナの粉末を使用してラッピング マシンのターゲット プレートの両方の面をラップします。
注: ダイヤモンドス ラリーの同等の粒子サイズは、リフレクション高速除去速度とより良い表面を達成するために使用できます。また、重みを使用できます。 - 1.4.2 のステップを繰り返します。
- 1.4.3 のステップを繰り返すことによってターゲット プレートの平坦度をチェックします。1 光バンド以上が発生した場合は、次の手順に進みます。そうでなければ、1.4.1 - 1.4.3 1 光バンド以上を達成するまでの手順を繰り返します。ホログラフィック回折格子が必要な場合 1.5.4 をステップ、それ以外の場合 1.6 手順に進みます。
- 表面も鈍い灰色外観を達成するまで鉱物油の 15 μ m のアルミナの粉末を使用してラッピング マシンのターゲット プレートの両方の面をラップします。
- 手順 1.1-1.3 アルミのリングを作製する同様の手順を利用します。
- リングに外側と内側直径 41 mm と 32 mm のアルミニウム管をそれぞれセクションし、7 mm の厚さに側面に直面します。
- 直径 34.5 mm のボルト円の 6 の 3 mm 径スロット サブアレイをドリルします。これらは後で家 6 電圧バイアス銅ピン、インパクト時の傾斜測定を可能にするが。
- 研削、ラップ、クリーンアップ、および 1.4 の手順で詳細な手順を使用してアルミニウム リングの両方の面を磨きます。
- 図 3に示すようにリグをセキュリティ保護するフラットの 2 部分のエポキシの混合物を使用してアルミのリングに平らなターゲット プレートを遵守します。一晩常温で硬化するエポキシを許可します。
注: 2 つの部分は、そっとターゲットとリングへの応用圧力は外側に漏れからエポキシを防止できるようにをきつく締められる手である 3 本のネジを使用してフラット スチール ステージに固定されます。- 放射状のスロットから、またはアセトンを使用して板の表面から、残った接着剤を削除します。
- POM リング ターゲット プレート/アルミニウム リング アセンブリに挿入します。
注: にポンポン ディスクをマウント後されます-回転自由度とターゲット ホルダーに銃バレル内テスト物質の配置をできます。 - POM リングの内側のステップで六つの放射状のスロットの位置をマークし、印を付けた位置に六つの厚さを介して穴をドリルします。
- セクション 6 銅ピン 15 AWG のスプールからエナメル銅線の長さ 〜 50 ミリメートルと削除エナメル絶縁層の 2 つから。対称パターンのスロットにピンを押して: 地上ピンが 2 つ、円の反対側の場所に配置されます。スロットを介してピンをプッシュし、約 2 mm のリングの面から外側に突出を残します。
注意: ピン傾斜角を測定するため使用され、トリガー信号を提供します。 - 余分な高速硬化性エポキシ樹脂を用いた POM リングの後部表面に銅のピンの曲がった端を遵守します。
- アルミニウム リングと POM リングの内側の壁の間のギャップを密封するのに低粘度 2 つの部分のエポキシの混合物を使用します。一晩常温で硬化するエポキシを許可します。
- アルミのリングの表面から突き出た銅ピンの余分な 2 ミリメートルを削除します。余分なピン回転工具で最初のセクションとアルミのリングの表面にフラッシュ ピンがほぼまで湿 300 粒の砂紙を使用して表面に残り、砂。
- ラップ、きれいにし 1.4.1-1.4.3 の手順を繰り返すことによってアセンブリ全体を磨きます。周回遅れとなったアセンブリ全体が 2-3 光バンド内にフラットであることを確認します。
- POM リングの裏面に 6 銅ピンの両端をはんだ付けし、4 6.35 mm 直径ポンポン ピンを使用してターゲット ホルダーに POM リングをマウントします。
2. カスタム耐熱サボのアセンブリ
- 図 4に示すように、耐熱性のサボのアセンブリ構成部品を収集します。
- アルミ キャップの下端にアイボルトを取り付けるし、シールの保護キャップの溝に o リングと、PTFE のキーします。
注: キーと o リングは、チルトと銃バレルの下の旅行の間にサボの回転を防ぐために使用されます。- キャップの底の穴を通って熱電対ワイヤを引き、熱電対ワイヤ コネクタをします。
- バック エンドと完全に火力アルミナ珪酸塩岩溶岩 2 パーツ クイック設定エポキシを使用してアルミ チューブのフロント エンドにキャップを接着します。
- 熱電対プローブを 76.2 mm 直径 H13 工具鋼合金試料ホルダーの穴に通して引っ張る。
- 高温のセメント、または相当の高温接着剤を使用しての溶岩チューブのフロント エンドに H13 サンプル ホルダーを遵守します。
- ディスクのまわり 25 mm 直径 3 mm と厚い溶岩 H13 ホルダーの内側の板厚 19 mm 直径の同心円の穴の上に座っている高温のセメントを適用します。室温で一晩乾燥して高温のセメントを許可します。
- H13 サンプル ホルダー 3 アルミナ ネジを使用してサンプルを確保し、1.4.3 で説明されているプロトコルを使用して、サンプルの平坦度が変わらないことを確認します。
3. ガス銃内テスト物質のアセンブリ
- サンプルとイソプロピル アルコールでターゲットの表面をきれいにしそれぞれの表面に一面の鏡を保護するテープを使用します。
- ネジ締め、3 軸モーション ステージ、押出棒上記銃衝撃チャンバー内バレルし、ステージ上に精密光学プリズムを運ぶプリズム ホルダーを取り付けます。
- 銃のバレルをロープを引き出し、アルミ キャップにアイボルトを介してサボにロープを取り付けます。
- 影響の部屋の方を向いてサンプルと砲身にサボに、サンプルに直面して対象室にターゲット ・ ホルダー ・ アセンブリを置きます。
- ターゲット上の最初表面ミラーがサンプルに最初表面ミラーに整列するまで 4 つのポンポンの位置決めピンを調整することによって、ターゲットの位置を合わせます。
- 拡散電球と反射ミラーを使用してサンプルとターゲット プレートの間並列処理の大まかな配置を実行します。すべてのアライメント プリズム上のサーフェスから電球の単一の連続的な反射のイメージを見ることができるまでは、ステージを調整します。
- 細かい配置を達成するために自動コリメータ24を使用します。
- 画像サンプルに最初表面ミラーから反射と反射プリズムの表面・裏面の十字架像が整列するまで、ステージを調整します。
- ターゲット アセンブリをプリズムの表面・裏面からの十字の反射イメージがターゲットに最初表面ミラーから反映イメージと整列するまで、ターゲット ホルダーの位置決めネジを回して調整します。
- サンプルとターゲットから最初表面ミラーを削除します。反射ミラー、プリズム、プリズム ホルダー、調整段階衝撃チャンバーから削除もできます。
- ロープを用いたガス銃の砲尾までサボを引き上げ、キャップからロープを取り外します。
- まま 〜 2.5 mm サボとヒーターの頭部間距離し、それに応じて骨盤に向かってサボのバックの動きを防ぐネジの長さを調整します。
- 熱電対を温度診断モニターに接続します。
注: 温度モニター端に熱電対ワイヤー バレルの内部、フィードスルーを使用して真空のパイプを通って置かれています。
4. 配置とレーザーを用いた診断の配置
- 接眼プローブ ホルダーの裏側の穴に 2 つのねじアンカーを入れてください。入射角度を変更する自由を有効に POM に到達するまでは、アンカーを 2 本のネジを締めます。
- 接眼プローブ ホルダーの下部に板厚穴を開け、ねじ円筒磁石上に固定します。
- アルミ管を通って光ファイバー接眼プローブをプル、余分な高速セット エポキシ プローブ ・ ヘッドとアルミ チューブの先端の周りを適用することによってアルミニウム管にプローブを接着します。できるだけ管にフォワードとしてのプローブ ・ ヘッドを押し込みますが、エポキシからプローブ レンズを残すようにしてください。余分な高速セット エポキシは硬化するまで待ちます。
- すべて光ファイバー探傷/TDI 干渉計31光の接眼を接続し、ターゲットの裏面を目指すターゲット ホルダーに接眼アセンブリを配置します。
- レーザーをオンに、この場合 2 w エルビウム光ファイバー結合レーザ、して 0.2 0.4 W の電源。次に、適切な光結合を実現し、集録信号の最適化まで接眼アセンブリの取り付けネジを使用して接眼プローブの位置を調整します。
- オシロ スコープに信号の最適化まで、参照およびドップラー シフトした光の強度に合わせて比可変カプラーを調整します。
注: 横方向の動きの診断が必要な場合は 4.5 4.6 の手順をご覧ください。 - ポンポン接眼ホルダーの背面に 2 つのねじアンカーを穴に入れて、彼らは POM に触れるまでアンカーを 2 本のネジを締めます。
- 接眼プローブ ホルダーの下部に板厚穴を開け、ねじ円筒磁石上に固定します。
- アルミ管を通って光ファイバー コリメータ プローブを引き、余分な高速セット エポキシ プローブ ・ ヘッドとアルミ チューブの先端の周りを適用することによってアルミニウム管にプローブを接着します。できるだけ管にフォワードとしてのプローブ ・ ヘッドを押し込みますが、エポキシからプローブ レンズを残すようにしてください。余分な高速セット エポキシは硬化するまで待ちます。
- 2 つのアセンブリを作成し、影響のチャンバーに入れて 4.4 で上記の手順を繰り返します。
- 磁石と受信光ファイバコリメータの角度の位置を調整、最初順序の強度回折ビームの電力モニターで測定までポンポン ホルダーに 2 本のネジを最適化します。
- パワー モニターを外し、すべてファイバー TDI 干渉計31に 2 つの受信のコリメータを接続します。
5. 高温逆ジオメトリ ノーマル/圧力-シアー プレート衝突実験の実行
- 影響の部屋の入り口に 4 つのクランプを締めてプライマリのフランジを固定し、セカンダリのフランジにボルトで固定、ポリエステル フィルムを使用してチャンバーを閉じます。
- ~ 207 kPa にシール圧力を高めるし、フランジのネジを締めて骨盤端ガス銃を閉じます。
- 骨盤端真空ポンプをオンにし、ターゲット商工会議所最後の真空ポンプの電源を入れます。
- 木靴サボの前後の圧力差によって引き起こされる商工会議所の方の動きがないことを確認します。商工会議所は圧力に避難を待って未満 100 ミリトール。
- サボのレーザー ベース振幅への影響速度計測システムを入れます。
- マーク位置の下にヒーターを移動し、ヒーターをオンにします。目的試料温度に達するまでは、100 ° C 単位のヒーターの温度を上げます。
- 加圧焼成 ~ 1103 kpa ダンプ室と選択したに応じて所望のレベル負荷室速度に影響を与えます。また、衝撃チャンバーにサボ キャッチャーを保護します。
- ヒーターの電源を切り、すぐにヒーター上方に向かって移動ヒーターも。試料表面でサボ熱電対によって診断モニターが測定した温度表示温度を記録します。
- すぐにシール バルブを開き、リリース焼成ダンプの部屋一度シール圧力降下がゼロに。
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Representative Results
82.5 mm の穴、6 m 長さ CWRU 加速 0.8 kg 発射速度 700 m/s までには現在の実験で使用されたことができるシングル ステージのガス銃。図 5は CWRU に変更したガスガンの施設の写真を示します。焼成前に内ヒーター延長部分は、図 6に示すようにカスタム設計されたサボにあります。延長部分を運ぶヒーターもサボのパスを通過して抵抗コイル ヒーターを有効に垂直。このヒーター コイルにより、目的のテスト温度を真空下で無料放射を介して加熱するサボの前面で開催チラシ プレートです。サボはサボの体の可能な熱膨張によるサボの発作のリスクを軽減するサボの体にフライヤー プレートからの熱流を軽減しつつ加熱フライヤー プレートを運ぶために設計カスタムです。カスタム サボ設計概略図 7に示します。設計の鍵は、完全に焼成アルミナ珪酸塩、低熱伝導率、低熱膨張、他の市販のマシナブル セラミックスと比較して優れた弾力性に選択から作られたセラミック絶縁管です。目的のテスト温度を達成すると、一度ヒーターの頭部は手動で弾丸のパスから移動し、ヒーター井戸の内で収容されます。ガス銃を発射直前サンプルの温度はフライヤー プレートの前面に接続されている熱電対プローブを介して記録されます。この実験では、投射物の速度はおよそ 100 m/s、また、一定の加速を仮定すると、それがかかるだけで、ターゲットに到達する投射物の 2 番目の 10 分の 1、したがって、発射の直前に記録された温度は、影響で初期試料温度の目安と思われます。次に、焼成プロトコルが実行されます。骨盤位でシール圧力大気圧に達すると、発射圧力が焼成ダンプにダンプの部屋の負荷室と砲身の間のシールが後方変位を維持するピストン。これにより、急速に砲尾から外側の流れし、サボを起動する高圧ガス。サボ、砲身の長さを移動し、衝撃チャンバーで静止ターゲット プレートに影響を与える。
カスタム設計されたサボを通常または動きの軸を尊重し傾斜チラシ プレートができます。図 8および図 9模式的プレートを表示、逆、通常と斜体影響構成、それぞれ;ただし、逆平板衝撃構成だけは、本稿で説明されます。図 10は、これらの実験で使用される典型的な管理対象者アセンブリの写真を示しています。回転自由度は、チラシ プレート ターゲット プレートの正確な配置を有効にします。アライメントは、図 11に模式的に示すように、オートコリメータと組み合わせて精密加工プリズムを使用してを実行です。配置の間に、オートコリメータから平行ビームをプリズム、ターゲット、およびチラシ プレートの表面から反映します。3 番目のビームをプリズムの内面を反映します。反射されたビームのままチラシとターゲット プレートの表面は、互いに平行である場合にのみ平行プリズムの後部の表面に垂直になります。来るで平行ビームは表面が整列することを示すオートコリメータのレチクルの単一画像を形成する、収束します。
逆平板衝撃方式、影響では、法線方向の応力、前線 (ただし、打撃面に平行に縦方向の応力波としてプレートの空間次元を旅するフライヤー/ターゲット インターフェイスで生成されます。平坦性、および並列処理の許容値が満たされている)。影響では、電圧バイアス印加ピンと地面へのパスを作成するサボによって運ばれる金属チラシ プレート接触します。短絡ピンからの信号は傾斜集録回路を介して監視、デジタル、オシロ スコープで記録されます。これらの信号は、衝撃だけでなく、傾斜面で最大の傾きについて定量的な情報を提供し、さらに通常の運動の診断からの記録信号を開始するオシロ スコープのトリガー パルスを提供します。本研究では通常の-自社製すべての光ファイバーによる結合し、横変位干渉計 (図 12) ターゲットの自由表面運動を監視するために使用します。図 13は、成功した逆ジオメトリ通常平板衝撃実験中に記録された生のデータを示しています。このプロットのデータは、上記プロトコルが正しく実行されていることを確認するユーザーを有効にします。傾斜同期捕捉回路によって提供される信号は、赤で表示されます。この実験のため偏りのある最初と最後の電圧ピンの短絡の間の時間の差は約 180 ns、衝撃時に接触の最初と最後の点の間の距離が約 18 μ m であることを示します (つまり投射物100 m/s で走行)、インパクトで最大傾斜計測した 34.5 mm ボルト サークルだった約 0.52 mrad。配置プロトコルが十分に実行されなかった場合はるかに大きい傾斜時間を観察するとカップル mrad は衝撃波プロファイルを巻き込もうがより大きい傾斜レベルは無料の表面で測定しました。成功した実験の別の表示は、最初の短絡ピンとターゲット プレートの自由表面で縦方向の波の到着時間の違いです。ターゲット プレートが弾性に影響を与える一定の速度で旅で生成された応力波。本研究で使用される合金の棒、縦方向の波の速度は約 5820 m/s、したがってターゲットは、7 mm の厚さを知ることを示唆、縦波が衝撃後約 1.2 μ s を到着する必要があります。図 13は、長手方向の応力波の到着は通常の運動の診断から得られる信号の急速なビート周波数と振幅変動によって示されます。長手方向の応力波の到着が遅れた大きなチルト、ターゲット プレートや不適切なターゲット アセンブリの準備の非弾性があります。
両方が事前に加熱されたフライヤーとターゲット プレートは、インパクト時の弾塑性変形を受けることができる一般的な通常衝撃圧縮平板衝撃実験の粒子速度線図と応力の模式図を図 14に示します。一軸性ひずみ下におけるターゲット プレートのすべてのストレス/粒子速度状態の軌跡は、フライヤーのためのすべてのストレス/粒子速度州の軌跡が黒い曲線で表される間、原点を通過する黒い曲線で表される発射速度で粒子速度軸を交差します。発射速度で粒子速度軸を交差する赤色の曲線は、サンプルの状態の軌跡に対する温度の影響の可能性を説明するものです。室温のサンプルに対して衝撃のためサンプル/ターゲット インターフェイスでターゲット板からアンロード状態 (1) に移動次のターゲット板の長手方向のインピー ダンスと等しい斜面をダッシュ-ドット線 (ローリー線) 読み込まれた状態 (3)状態 (3)、サンプル プレートにアンロード状態 (2) 読み込まれた状態 (3) に次の (3) の状態でサンプルの縦方向のインピー ダンスと等しい斜面とローリー ラインから移動しながらの材料。これらの 2 つの行の交差部分は、サンプル/ターゲット インターフェイスでこの実験中にインピー ダンス整合を達成可能な最大の応力と速度状態を明らかにします。さらに、ターゲットの自由表面での状態は粒子の速度サンプル/ターゲット インターフェイスの影響で応力/粒子速度状態プレート、この (4) の状態として表示されます。下縦音響インピー ダンスを持つサンプルに対して影響を与える、これはどのようにわずかな変更を示しています従って、サンプル/ターゲット インターフェイスの (3) から (5) と (4) から (6) のターゲットの自由表面でその結果、達成可能な状態に変化をもたらすだろうサンプルの縦方向の音響インピー ダンスにはターゲット プレートの自由表面での粒子の速度を監視することで検出です。
ノートでは、ターゲットの自由表面での粒子の速度は、少なくとも 2 回サンプル/ターゲット インターフェイスで粒子速度が、その結果、サンプルでストレス状態を塑性波伝ぱ速度の関数としてこの要因変更/7を用いてターゲット インターフェイス
どこ
として表される不連続化する時間間隔は、 
、h は (2.5 x 10 の10 /s)、オシロ スコープのサンプリング レートの逆
L がターゲット板の厚さと
平均応力依存速度です時に無料の表面で測定したターゲット板の塑性伝播の。
と
ターゲット プレートの密度と弾性縦波速度は、それぞれと
は、ターゲット プレートの自由表面で測定された粒子の速度。さらに、測定の自由表面粒子から速度高原 ((3) の状態)、チラシ (サンプル) の縦方向の音響インピー ダンスに対応する速度を推定する32
図 15では、通常の運動の診断から得られた自由表面粒子速度トレースを示しています。このトレースは当初比較的急激な上昇速度への影響、実験期間の間持続するチラシとターゲット プレートの間のインピー ダンス マッチから生じる高原に続いてのダイナミクスに関連を明示します。一方、ショック高原で速度はターゲットとフライヤーのプレートの間のインピー ダンス マッチに関連して動的強度やターゲット プレート素材の初期のプラスチック流れに直接初期速度上昇が関連しています。図は、明らかに温度の上昇, 可能な熱軟化および/または単調減少縦インピー ダンスの関数として波面と粒子速度の高原で徐々 に減少の粒子速度を示しています温度と試料。
興味深い結果は、図 16、ショーから得られる通常の自由表面粒子速度トレース逆幾何学商業純度多結晶マグネシウムに対して垂直平板衝撃実験で見ることができます。同様に、図 15図 16(、) は単調減少の粒子速度 (すなわち617, 630 ° C)、このレベルを超えた温度で 23-610 ° C、しかしの範囲内の温度の増加とともにショック高原を示しています、この傾向の逆転を明確に観察できます。粒子の速度の増加を示唆しているサンプル材料の衝撃インピー ダンスの増加また、この衝撃インピー ダンスの増加、温度の上昇の関数として減少させる材料の弾性定数と仮定すると場合、降伏耐力および/またはサンプル材料の塑性係数の増加を示唆しています。相関を図 16(b) 粒子速度トレースの最初の上昇を通じて粒子速度レベルの増加によって衝撃高原で粒子速度の増加を伴うことを見ることができます見て慎重に、サンプル材料の初期塑性中サンプル/ターゲット インターフェイスでのストレス レベル。後の試験片の衝撃面の断面の顕微鏡写真を図 17に示します。画像は、温度の上昇の結果として組織に 2 つの顕著な効果を示します。まず、画像は登熟不良増加の試料温度を期待されているを見る。ただし、画像はまた表機能や穀物を切って有限幅を持つ線として現れる双子バンドの形成の変化を示します。23-500 ° C までの温度に対応する画像を見て慎重に、温度の上昇とともにツイン バンドの明確な減少が観察されます。ただし、高温で (すなわち610、617, 630 ° C) これらのツイン バンドの再出現が観察される、ツイン バンド形成がこの温度範囲の最後に好まれていることを示唆しています。ツイン バンドの形成とすべりの競争メカニズムを通して、マグネシウムにおける塑性変形を収容それは説得力のある最高温度テスト_ケースで観測された支持されたツイン バンド編成がスリップがより困難になっていることを示唆しています。このような状況です。
図 1: 典型的なフライヤー プレートとターゲット板アセンブリのスケマティック。この図は、単純な現在実験の構成で使用されているフライヤーとターゲット板アセンブリの概略図を示しています。これらの部品を準備するための詳細なプロトコル手順 1.1 1.7 で詳細に説明します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 平坦度測定法の写真。この図は、フラット緑単色光の下で関心のある表面に光を置くことによってプレートの平坦度測定を示します。直径方向のバンドの数をカウントすることによって、サンプル、または (b) の表面に光の帯の曲率を観察することによってすることができます平坦性は定量化された (、)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: リグをセキュリティ保護するフラットの写真。この図はターゲット プレートとアルミのリングが優しくターゲットとリングへの応用圧力が漏れるからエポキシを防止できるようにをきつく締められる手である 3 本のネジを使用してフラット スチール ステージに固定されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: サボのデザインのコンポーネントの写真。この図では、カスタムの耐熱サボのアセンブリの構成部品を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: ガス銃施設 CWRU 。この図は、ケース ウエスタン リザーブ大学の単段ガス銃の施設の写真を示しています。カスタム設計された暖房システム既存の砲身とする仲間と有効必要サボに付与する温度条件は赤で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 暖房システムの概略図。この図では、高圧単段ガス砲に接続されている暖房システムの概略図を示しています。カスタム拡張機能の部分では、住宅の軸と回転自由度幹開催抵抗ヒーター コイル ヒーターも組み込まれています。このコイルは、発射と、線を移動でき、熱薄い金属片は焼成前に、1000 ° C を超える温度にサボの前面で開催。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7: 耐熱性のサボのスケマティック。この図は、現在の実験の構成で使用されるサボの模式図を示しています。アルミナ珪酸塩管温水薄い金属片から木靴サボの体の可能な熱膨張による砲身内の発作の危険性を最小限に抑えるサボ ボディへの熱流を軽減に役立ちます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8: 高温逆構成通常平板衝撃実験の概略図。フライヤー加熱プレートを運ぶサボは砲身を推進、ターゲット アセンブリと衝突します。影響では、ターゲット プレートと flush 周回ピンはトリガー パルスを提供し、カスタム構築された PDV を介してターゲット プレートの自由表面運動を監視しながら、診断を傾けます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9: 典型的な対称斜め平板衝撃実験の概略図。この構成では、フライヤー プレートは影響影響を与える表面の法線を尊重し運動の通常と横の両方のコンポーネントを提供する運動の軸に点で傾斜します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 10: 典型的なターゲット ・ ホルダ ・ アセンブリの写真。この図は、いずれかの標準または斜体の平板衝突試験に使用される典型的な管理対象ホルダ ・ アセンブリを示しています。ポンポン ピンを介してターゲット ホルダー中心のターゲット アセンブリを接続し、回転自由度に正確な位置合わせを有効にします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 11: プリズム配置スキーム。この図は、オートコリメータと組み合わせて高精度直角プリズムを用いたチラシとターゲット板の配置方法の例を示しています。3 番目のビーム平行ビーム (赤色で表示)、オートコリメータで反射プリズム、ターゲット、およびチラシ プレートの表面、プリズムの内面の反映しています。(黒で示されている) 反射されたビームは、フライヤーとターゲット プレート面が互いに平行で、プリズムの後部の表面に垂直な並列処理を維持します。今後の平行ビーム収束、オートコリメータのレチクルの単一画像を形成します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 12: すべて光ファイバー ベースのカスタムの模式図を組み合わせて通常と横方向変位干渉計システム。この構成では、ターゲット プレートの正常な動きを監視し、複数の順序を作成する対象の自由表面でホログラフィック ・ グレーティングを照らすに回折ビーム青に示すように、変更された PDV を使用します。これらの梁 (通常最初の注文) を繊維に結合し、組み合わせてターゲット プレートの横方向の動きに比例してビート周波数のバリエーションを作成できます、これは赤で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 13: 典型的な垂直平板からの生データに影響を与える実験です。この図は、典型的な逆ジオメトリ通常平板衝撃実験時に得られる記録された信号を示しています。赤で信号はインパクト時のアルミのリングに接続されている短絡電圧バイアス印加ピンから取得を示します。最初と最後の短絡ピン間の時間の差の影響で、最大傾斜の見積もりを与えるし、ピンを短絡するの順序ができるように傾斜面に関する見積もりを有効にします。黒の信号は、私たちは正常な動き、診断から得に示すように、ここでビートの周波数変化に関連するターゲット プレートの自由表面の正常な動き。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 14: 応力逆構成通常平板衝撃実験の粒子速度線図と。この図は、応力高温逆ジオメトリ平板衝撃実験の粒子速度線図とを示しています。曲線を中心とした起源の詳細すべての応力状態を等方性ターゲット プレートの達成の軌跡常温試料の元 V0詳細ですべての軌跡曲線状態また、赤色の曲線に対しVoを交差する増加温度の影響の可能性を示すためのものです。室温サンプルに対する影響は、ターゲット プレート移動アンロード状態 (1) から読み込まれた状態 (3) 一方、予熱したサンプルに対して影響する場合、ターゲットが (1) の状態から州に移動 (5)、その結果、自由表面をシフト(4) から (6) の粒子速度状態。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 15: 現在の実験構成の通常の自由表面速度レコード。この図は、通常の運動の診断から得られた自由表面粒子速度トレースを示しています。このトレースは当初比較的急激な上昇速度への影響、実験期間の間持続するチラシとターゲット プレートの間のインピー ダンス マッチから生じる高原に続いてのダイナミクスに関連を明示します。ショックが進化するにつれて、初期速度上昇はフライヤー/ターゲット インターフェイスでアル サンプルでストレスに直接関連、ターゲットとチラシの間ショック高原で速度はインピー ダンスに関連に対しマッチ プレート。全体的にみて、表示して、全体で増加する温度と粒子速度を減少し、現在の荷重条件下で試料の熱軟化の可能性が示唆されました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 16。商業純度多結晶マグネシウムの実験から得られた通常の自由表面粒子速度トレースします。(a) しかし 610 ° C の部屋からまでの温度衝撃高原で粒子速度を単調減少を示しています高温 (617, 630 ° C)、傾向を逆転。(b) 粒子速度の増加も粒子速度トレースの最初の上昇で明らかであることを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 17。試験片のポスト影響の断面のマイクロ イメージ。画像は、温度の上昇の結果としてサンプルの微構造に及ぼす 2 つの顕著な効果を示します。まず、画像表示サンプル温度の上昇とともに登より興味深いは、表機能や穀物を切って有限幅を持つ線として現れる双子バンドの形成の変化。23 – 500 ° C、ツイン バンド形成の減少に至る温度を観察できる、ただし、温度としては、増加このポイントを超えて (すなわち、610、617, 630 ° C) ツイン バンドの再出現が明瞭に観察。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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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 エンドで開催された薄いアルミ片をできます。住宅耐熱性サボと相まって適応ヒーターを使用すると、高温プレート衝突実験など従来のアプローチを利用する場合は一般的な特別な実験的考慮事項を必要とせず行った、リモコンの必要性傾斜加熱プロセス中にターゲットとフライヤーの板の平行度を維持するためのリアルタイムのフィードバックと調整。全体的にみて、新しいアプローチは、従来のアプローチと比較した場合にプロトコル セクションの手順の数を激減させます。
実験的プロトコルのセクションで詳細に必要な手順: 1) サンプルとターゲット材料の準備、どこのチラシとターゲット板は加工慎重に、周回して、磨かれに並列性と平坦度許容範囲内に必要な前面衝撃表面に十分に平行平面波の生成2) アセンブリ カスタム耐熱木靴サボの体に、砲身に熱流を軽減しつつ加熱サンプル プレートを確保することができるのです。さらに、サボ銃で既存のキー方法にどの仲間バレル銃バレルの長さの下の旅行の間に全体のサボ アセンブリの回転を防ぐために、キーを家します。最後に、手順 3-5 詳細に説明して、実験を行う前にサンプルとターゲット プレートの配置のためのプロトコル加熱フライヤー プレート (サンプル) と、実験の実行。以降のセクションでは図 1で提供される生のデータからプロトコルの精度を検証可能性がある方法を示した。最後に、本成功した高温垂直平板からの結果衝突実験サンプル/ターゲット インターフェイスだけでなく、温度依存の縦波音響ストレス/粒子速度の状態の測定を可能にします。サンプル材料のインピー ダンス。
近い将来、サボのデザインに適切な調整は、このメソッドはさらに高い温度プレート衝突実験は、近くに高融点の材料の材料挙動を調査での使用を可能にするを有効にするのに期待します。溶ける温度。このアプローチの多様性を与え、全面的な材料挙動を検討するいくつかの異なる実験的構成が使用されます。たとえば、リバース形状平板衝突試験適当に衝撃波の測定を行うような高温速度を評価する圧力剪断プレート衝突実験を実行できますが温度の増加で金属大ひと超高剪断速度で動的非弾性。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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