Summary
在这里, 我们提出了一个新的方法来进行高温反向正常板冲击, 并结合压力和剪切板冲击的详细协议。该方法包括使用臀端电阻线圈加热器, 以加热在耐热的穿甲弹的前端举行的样品, 以达到预期的温度。
Abstract
提出了一种在1000摄氏度的试验温度下进行常规和/或联合压力-剪切板冲击实验的新方法。该方法使高温板撞击实验旨在探索材料在热力学极值下的动态行为, 同时减轻在进行类似实验时面临的几个特殊实验挑战。采用传统的板材冲击法。在西储大学的情况下, 对单级气枪的臀端进行自适应改装;这些改装包括由 SAE 4340 钢制成的精密加工延伸件, 它的战略设计是配合现有的枪管, 同时提供高公差匹配孔和键槽。延伸件包含一个垂直圆筒加热器-好, 安置加热器汇编。电阻线圈加热器头, 能够达到1200摄氏度的温度, 连接到一个垂直的阀杆, 具有轴向/旋转自由度;这使得在耐热的穿甲弹的前端举行的薄金属试样被均匀地加热到所需的试验温度。通过加热飞行板 (在这种情况下, 样品) 在枪筒的臀端, 而不是在目标端, 可以避免几个关键的实验挑战。这些指标包括: 1) 由于目标支架组件的几个成分的热膨胀, 在加热过程中靶板的对准发生了严重的变化;2) 由于诊断元素 (i.、聚合物全息光栅和光学探针) 太靠近加热目标组件而产生的挑战;3) 在具有光学窗口的目标板上出现的挑战, 在高温下, 试样、粘结层和窗口之间的关键公差变得越来越难以维持;4) 在组合压剪板撞击实验中, 需要用耐高温衍射光栅测量目标自由表面的横向粒子速度;5) 由于热软化和可能产生的边界目标板, 对测量的自由表面速度与时间剖面的明确解释所需的冲击速度施加限制。通过利用上述的适应性, 我们提出了一系列的反几何法平板撞击实验的结果, 对商业纯铝在一系列的样品温度。这些实验表明, 在受冲击状态下, 颗粒速度减小, 这表明材料软化 (后屈服流应力降低) 随试样温度的增加。
Introduction
在工程应用中, 材料受多种条件的限制, 其性质可以是静态的或动态的, 再加上高度的变形和温度, 从房间到靠近熔点的位置不等。在这些热力学极端之下材料行为可能剧烈地变化;因此, 近一个世纪以来, 在受控加载机制1、2、3的情况下, 开发了几个实验, 旨在探讨材料行为的动力响应和/或其他特性。,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. 对于负载在低到中间应变率 (10-6-100 /秒) 的金属, 采用伺服液压或精密螺杆万能试验机研究了各种加载方式下的材料反应, 并变形水平。但是, 随着应用应变率的增加超过了中间应变率 (i., > 102/秒), 其他实验技术就成为必要的, 以探测机械反应。例如, 在 103/秒的装货率高达 5 x 104/秒的全尺寸或小型化的拆分-霍普金森压力杆, 使此类测量可以做8,15。
传统上, 轻型气体枪和/或爆炸驱动的板块撞击实验已经被用来研究动态不适应性和其他现象, 如散裂, 或相变发生的非常高的应变率 (105-107/秒)16,17,18,19,20,21,22, 或组合的高压和动态负载。通常情况下, 板块撞击实验涉及发射一个飞行板, 最初在气枪的臀端, 然后沿着枪管的长度向下移动, 并与精心对准的固定靶板碰撞撞击室。由于撞击, 在飞行物/目标界面上产生了正常和/或联合的压力和剪切应力, 它通过板块的空间尺寸作为纵向和/或组合纵向和横向应力波。这些波在靶板后表面的到达会影响目标板的瞬时自由表面粒子速度, 这通常通过干涉技术进行监测。为了允许对测量的粒子速度和时间历史的解释, 有必要在撞击14,23产生与撞击表面平行的平面波。为确保前者, 撞击必须发生在小于一毫弧度12、24的顺序上, 其平面度的撞击面比两个千分尺5、25更佳。
板块撞击实验已经适应了包括加热元素, 使调查的材料行为延伸到热力学极端26,27,28,29。这些适应通常包括增加一个感应线圈, 或一个电阻加热器元件的目标端的气枪;虽然这些适应已经证明在实验上是可行的, 但这种方法内在地导致了特殊的实验挑战, 需要仔细考虑。其中一些实验性的并发症包括在加热目标 (样品) 板时, 目标保持器组件和/或校准夹具的不同成分的热膨胀, 这需要实时校准调整,通常采用带有连续反馈的遥控对准工具, 以保持样品和目标板之间的关键并行公差。在压力-剪切板冲击试验方案中, 加热试样需要用耐高温金属光栅代替传统的高分子光栅, 以监测在自由表面的横向粒子速度。靶板。此外, 加热的样品可以增加限制的冲击速度, 可以在某些实验方案, 如在高应变率联合压力和剪切板冲击配置, 在那里可能需要特殊的考虑为了防止对实验结果的明确解释, 利用可能是温度依赖性的前后靶板的声学阻抗计算。最后, 对于需要具有光学窗口的目标板的其他实验方案, 试样、粘结层和/或涂层之间的公差在高温下变得越来越难维持19。
为纾缓上述实验挑战, 我们已对位于西储大学 (CWRU)7、30、31、32 的现有单级气枪进行自订改装..这些修改使在耐热弹托的前端举行的薄金属试样被加热到超过1000年°c 的温度, 在射击之前, 这允许高温正常和/或联合压力-剪切板冲击实验是进行。与用于高温板撞击研究的大多数常规方法相比, 这种方法已被证明可以缓解上述几个实验难题。例如, 这种方法已经被利用来实现小于一毫弧度的倾斜角, 而不需要进行远倾角调整30, 或者在实验期间监测倾斜变化的额外光学元件。其次, 由于目标板在环境温度下保持不变, 这种方法不需要特殊的耐高温全息光栅来测量斜撞击实验中的横向粒子速度;此外, 可以利用更高的冲击速度, 而不会产生目标板的风险, 从而降低实验结果解释的复杂性。添加时, 这种方法可用于执行高温逆向几何正常板撞击实验, 为选择样品材料提供了我们的关系。这些可以通过阻抗匹配技术获得, 或者另外, 从样品的后表面对稀疏风扇进行分析, 在卸载33、34 期间对试样冲击速度的变化进行相关信息..在高温联合压力-剪切板冲击构型中, 这种方法使薄膜的动态不适应性能够被广泛的温度和塑性变形范围所研究, 应变率可达 107/秒, 取决于薄试样的厚度16,27,29。
我们将介绍执行上述典型的高温板撞击实验所需的协议。接下来将有一节专门介绍使用现有技术获得的代表性结果。最后, 对结果的讨论将在结论之前提出。
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Protocol
1. 样品和靶材准备
注: 在下面的协议中, 我们将详细说明准备样品和目标材料所需的步骤, 稍后将在反向几何法板撞击实验中使用。在这个设置, 一个传单板 (也样品), 在一个穿甲弹的前面举行, 将通过一个单一的阶段气体枪发射, 并作出冲击的固定目标板放置在气体枪的目标室。下面的协议中描述了一个典型的传单和目标板组件, 如图 1所示。
- a 节99.999% 商业纯度多晶铝棒成圆盘后, 将用作传单板 (样品)。
注: 这可以通过使用低速锯, 以防止高温和残余应力在工件。 - 将车床上的样品盘转到直径76毫米, 厚度为5.6 毫米。
- 在样品盘上钻三均布孔5毫米直径为62毫米直径的粗圆形, 稍后将用于将样品固定在穿甲弹上。
- 研磨两侧的样品板, 以达到平整度和平行公差的近10µm 直径的样品。
- 使用具有相对粗粒度 (10-20 µm) 的商用研磨机在样品板表面上进行粗圈。
注意: 可以在这个步骤中添加一个重量, 直到重叠曲面达到均匀的灰色, 表示磁盘直径的均匀性。 - 用乙醇清洗研磨样品, 去除残余颗粒, 矿物油。然后, 用1µm 金刚石膏在抛光布上抛光样品板的两面。
- 在绿色单色光源16下, 通过与感兴趣表面接触的光学平面观察光带, 检查样品的平整度。
注意: 平整度可以通过观察样品表面的光带的曲率来量化, 或者通过计算直径的带数, 如图 2所示。- 移动到下一步, 如果在样本直径上看到3个光带或更少, 表明平坦度约为2µm. 否则, 重复步骤 1.4.1-1.4.3, 直到3光带或更好的实现。
- 使用具有相对粗粒度 (10-20 µm) 的商用研磨机在样品板表面上进行粗圈。
- 重复步骤 1.1-1.3, 以制造目标板块。a 节将沉淀硬化 (高强度) 合金棒 (材料表) 放入圆盘中, 然后将其加工成直径为25毫米, 厚度为7毫米。最后, 研磨两边平到大约10µm。
- 将目标板上的两个表面都用15µm 氧化铝粉在矿物油上, 直到表面达到甚至暗淡的灰色外观。
注: 金刚石浆料的等效粒径可用于获得更快的去除率和更好的表面沉思。此外, 还可以使用权重。 - 重复步骤1.4.2。
- 通过重复步骤1.4.3 检查目标板的平整度。如果观察到1波段或更好, 则继续下一步。否则, 重复步骤 1.4.1 1.4.3 直到1光波段或更好的实现。如果需要全息光栅, 请继续步骤 1.5.4, 否则跳到步骤1.6。
- 将目标板上的两个表面都用15µm 氧化铝粉在矿物油上, 直到表面达到甚至暗淡的灰色外观。
- 利用步骤 1.1-1.3 中描述的类似过程来制造铝环。
- 一节铝管的内外直径为41毫米和32毫米, 分别成环, 然后面对两侧厚度为7毫米。
- 钻六3毫米直径槽均布在34.5 毫米直径螺栓圈子。这些将在稍后的房子六电压偏置铜引脚, 这将使倾斜测量将在冲击。
- 使用步骤1.4 中详细的步骤, 研磨、圈、清洁和抛光铝环的两面。
- 在平坦的固定钻机上使用两部分环氧树脂混合物将平板目标板粘在铝环上, 如图 3所示。允许环氧树脂在室温下过夜。
注: 这两部分是固定在一个平坦的钢阶段使用三螺丝, 这是轻轻地手收紧, 使施加的压力, 目标和环防止环氧树脂泄漏向外。- 使用丙酮从径向槽或板材表面除去任何遗留的粘合剂。
- 将目标板/铝环组件插入 POM 环中。
注: POM 磁盘稍后将安装到一个具有旋转自由度的目标持有者, 这将使测试材料在枪管内的对准。 - 将六径向插槽的位置标记为 POM 环的内部步骤, 并在标记的位置钻取六个穿过厚度的孔。
- 第6节从 15 AWG 漆包线的线轴上的铜销, 长度为50毫米, 并从其中两个中取下漆包线层。按对称模式将针脚按在插槽中: 两个接地销放置在圆的相对位置。将引脚通过插槽, 并留下大约2毫米凸出向外从环的表面。
注: 引脚用于测量倾斜角度并提供触发信号。 - 将铜销的弯曲端固定在 POM 环的后表面, 使用超快的环氧树脂。
- 使用低粘度的两个部分环氧树脂混合物密封的缝隙之间的铝环和内壁的 POM 环。允许环氧树脂在室温下过夜。
- 卸下从铝环表面凸出的多余的2毫米铜销。第一节用旋转工具将多余的针脚, 然后用湿300砂砂纸将剩余的沙子放到表面, 直到针脚几乎冲向铝环的表面。
- 通过重复步骤 1.4. 1-1. 4.3, 对整个程序集进行清理和抛光。确保整个研磨组件在 2-3 光带内平整。
- 在 pom 环的后表面焊接六铜销的两端, 并将 pom 环安装到目标持有者身上, 使用四6.35 毫米直径 pom 针脚。
2. 自定义耐热穿甲弹的组装
- 收集耐热穿甲弹的组件组件, 如图 4所示。
- 在铝盖的底部附加一个吊环, 并在瓶盖的凹槽上固定密封 O 形环和聚四氟乙烯键。
注: 钥匙和 O 形环是用来防止在飞行过程中, 在枪筒中的穿甲弹的倾斜和旋转。- 将热偶导线通过盖子底部的孔, 并将热偶导线固定在连接器上。
- 将瓶盖粘附到后端, 并将全烧成硅酸铝熔岩管的前端的铝管用两部分快速设置环氧树脂。
- 在76.2 毫米直径 H13 工具-钢合金试样持有者的孔中拉热耦合探头。
- 采用高温水泥或等效高温胶粘剂, 将 H13 试样夹持到熔岩管的前端。
- 将高温水泥涂在25毫米直径和3毫米厚的熔岩盘上, 坐在 H13 支架的内穿透厚度 19 mm 直径同心孔的顶部。允许高温水泥在室温下过夜。
- 使用三氧化铝螺钉将样品固定在 H13 样品架上, 并确保样品的平整度不会因使用1.4.3 中描述的协议而改变。
3. 气体枪内测试材料的装配
- 用异丙醇清洗样品的前表面和靶面, 然后使用胶带将第一面镜子固定在每个表面。
- 螺钉拧紧一个3轴运动舞台上的一个挤压杆上方的枪管内的撞击室, 并附上棱镜持有人携带一个精密的光学棱镜到舞台上。
- 拉一根绳子穿过枪管, 并通过铝帽上的吊环把绳子连接到穿甲弹上。
- 将穿甲弹放入枪管中, 样品朝向撞击室, 并将目标保持器组件置于所面向样品的靶腔内。
- 通过调整四 POM 定位销对齐目标位置, 直到目标上的第一面镜像与示例上的第一面镜像对齐。
- 使用扩散灯泡和反射镜对样品和目标板之间的平行度进行粗对齐。调整舞台, 直到一个单一的连续反射图像的灯泡可以看到从所有的表面上对齐棱镜。
- 使用自动准直器24实现精细对准。
- 调整舞台, 直到从棱镜的后表面反射的图像与样品上的第一面镜反射的图像对齐。
- 通过在目标保持架上转动定位螺钉来调整目标组件, 直到从棱镜的后表面反射的十字图像与目标上的第一面镜面反射的图像对齐。
- 从示例和目标中移除第一面镜像。还可以从撞击室中取下反射镜、棱镜、棱镜架和调整阶段。
- 用绳子把穿甲弹拉到气枪的臀端, 然后从帽上取下绳子。
- 在穿甲弹和加热器头之间保持2.5 毫米的距离, 相应地调整螺钉的长度, 防止穿甲弹的背部运动朝向臀位。
- 将热偶连接到温度诊断监视器。
注: 温度监控端上的热偶导线通过真空管在馈内。
4. 激光诊断的排列和对准
- 将两个螺纹锚放在调焦探头支架背面的孔中。拧紧两个螺钉通过锚, 直到他们到达 POM, 使自由改变入射光束的角度。
- 在调焦探头架的底部钻一个穿过厚度的孔, 并将其固定在螺纹圆柱磁铁上。
- 将光纤调焦探头通过铝管, 并将探头粘附到铝管上, 在探头头和铝管尖端周围应用超快环氧。尽量将探头头向前推入管内, 但一定要使探头透镜远离环氧树脂。等待, 直到额外的快速设置环氧树脂硬化。
- 将光学调焦连接到全光纤 NDI/TDI 干涉仪31, 并将调焦组件放在目标支架上, 瞄准目标的后表面。
- 打开激光, 在这种情况下, 2W 铒光纤耦合激光器, 0.2-0.4 W 功率。接下来, 使用调焦组件上的螺钉调整调焦探头的位置, 直到达到适当的光耦合, 并优化获得的信号。
- 调整可变比耦合器, 以匹配参考和多普勒移动光的强度, 直到在示波器显示的信号优化。
注: 如果需要横向运动诊断, 请参阅步骤 4.5-4.6。 - 将两个螺纹锚放在 POM 调焦支架背面的孔中, 然后拧紧两个螺钉, 直到它们接触 pom。
- 在调焦探头架的底部钻一个穿过厚度的孔, 并将其固定在螺纹圆柱磁铁上。
- 将光纤准直探头通过铝管拉出, 并将探头和铝管的尖端环氧贴在铝管上。尽量将探头头向前推入管内, 但一定要使探头透镜远离环氧树脂。等待, 直到额外的快速设置环氧树脂硬化。
- 在4.4 重复上述步骤, 使两个组件, 并把它们放在撞击室。
- 调整接收光纤准直器的位置和角度, 用磁铁和两个螺钉对 POM 持有人, 直到功率监视器测量的一阶衍射光束的强度得到优化。
- 断开电源显示器并将两个接收准直器连接到全光纤 TDI 干涉仪31。
5. 高温反几何法/压力-剪切板冲击试验的执行
- 通过拧紧撞击室入口处的四个夹具来保证主法兰的安全, 然后使用螺栓固定在辅助法兰上的聚酯薄膜关闭腔室。
- 将密封压力提高到207帕, 然后通过拧紧法兰中的螺钉关闭在臀端的气枪。
- 打开臀端真空泵, 然后打开目标室端真空泵。
- 确保不存在的穿甲弹的运动, 由前部和背部之间的压力差, 由穿甲弹。等待, 直到房间被疏散到压力小于 100 mTorr。
- 打开基于激光振幅的穿甲弹冲击速度测量系统。
- 将加热器移至标记位置, 然后打开加热器。将加热器的温度提高100摄氏度, 直到达到所需的样品温度。
- 将点火转储室加压至1103帕, 并根据所选的撞击速度将所需的荷载室达到所期望的水平。另外, 把穿甲弹捕手固定在撞击室里。
- 关闭加热器, 并立即将加热器向上移动到加热器-好的。记录在样品表面用穿甲弹热电偶测量的温度诊断显示器上显示的温度。
- 一旦密封压力降到零, 立即打开密封阀, 释放点火转储室。
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Representative Results
在进行目前的实验时, 82.5 毫米口径, 6 米长, 单级气炮在 CWRU 能够加速0.8 公斤弹丸以加速至700米/秒。图 5显示了 CWRU 上改装的气枪设施的照片。在射击之前, 定制设计的穿甲弹是存放在加热器扩展件, 如图 6所示。该延伸件携带一个垂直加热器-良好的使电阻线圈加热器进出的路径的穿甲弹。这种加热器线圈, 使所持的传单板在前面的穿甲弹, 通过自由辐射加热, 在真空下, 以预期的测试温度。该穿甲弹是定制的设计, 以携带加热的传单板, 同时减轻热流从传单板进入穿甲弹身体, 从而减轻了扣押的风险, 由于可能的热膨胀的穿甲弹的身体。自定义的穿甲弹设计显示在图 7中的示意图。该设计的关键是陶瓷绝缘子管, 由完全烧制氧化铝, 选择其低导热性, 低热膨胀, 和优良的韧性相比, 其他商用可加工陶瓷。一旦达到所需的测试温度, 加热器头就会被手动移出弹丸的路径, 并存放在加热器中。在发射气体枪之前, 样品的温度是通过连接到传单板前面的热电偶探头记录的。对于这个特殊的实验, 弹丸的速度大约是100米/秒, 而且, 假设恒定加速度, 弹丸到达目标只需1/10 秒, 因此, 在射击之前记录的温度是被认为是一个很好的估计初始样品温度的影响。接下来, 执行发射协议。当膛内的密封压力达到大气压时, 发射压力被倾倒到点火转储室, 在负载室和枪管之间保持密封的活塞向后偏移。这使得高压气体能迅速从臀位向外流动, 并发射穿甲弹。弹托沿着枪管的长度向下移动, 并被制成撞击室的固定靶板。
定制设计的穿甲弹使传单板是正常的或倾斜的运动轴。图 8和图 9分别显示了反向法线和斜板撞击构型;然而, 在本手稿中只描述了反法线板冲击构型。图 10显示了在这些实验中使用的典型目标持有者组件的照片。旋转自由度使目标板精确对准飞片板。对齐是使用精密加工的棱镜与自准直一起执行的, 如图 11所示。在对准过程中, 平行光束从自准直反射到棱镜、靶和飞片的表面;第三束反射出棱镜的内部表面。反射光束保持平行, 如果和仅当传单和目标板块表面平行, 并垂直于棱镜的后表面。接下来的平行光束将会聚在自准直的十字线上形成一个单一的图像, 表示曲面是对齐的。
对于反向正常板撞击方案, 在撞击时, 在飞行物/目标界面上产生正常应力, 该接口通过板块的空间尺寸作为纵向应力波, 其前端平行于撞击面 (前提是平整度和平行公差已满足)。撞击时, 电压偏压的针脚接触到由穿甲弹运载的金属飞板, 从而形成了通往地面的道路。短路针脚的信号通过倾斜采集电路进行监控, 数字化, 然后通过示波器进行记录。这些信号提供了关于撞击最大倾角以及倾斜平面的定量信息, 另外还提供了示波器的触发脉冲, 以开始从正常的运动诊断中记录信号。在本研究中, 采用内置的全光纤组合的普通和横向位移干涉仪来监测目标的自由表面运动 (图 12)。图 13显示了在成功的逆向几何正常板块撞击实验中记录的原始数据。此图中的数据使用户能够确认上面所述的协议已正确执行。红色显示的是倾斜采集电路提供的信号。在这个实验中, 第一个和最后一个电压偏压销的短路时间之间的时差约为 180 ns, 这表明在撞击过程中第一个和最后一个接触点之间的距离是大约18µm (鉴于弹丸以100米/秒的距离行驶, 因此在34.5 毫米螺栓圈上测量的最大撞击量约为 0.52 mrad。如果对齐协议的执行不令人满意, 则会观察到更大的倾斜时间, 并且大于一对 mrad 的倾斜级别可以卷绕在自由表面测量的激波剖面。另一个成功的实验表明, 第一个短路针和纵向波到达目标板的自由表面之间的时间不同。当目标板块保持弹性时, 撞击产生的应力波以恒定的速度行进。对于本研究所用的合金棒, 纵波的速度约为5820米/秒, 从而知道目标的厚度, 7 毫米, 表明纵波在撞击后应到达大约1.2 µs。在图 13中, 纵向应力波的到达标志着由正常运动诊断所获得的信号的快速跳动频率和振幅变化。纵向应力波的延迟到达可能表示大倾角、不适应性目标板或不正确的目标装配准备。
图 14显示了一般正常冲击压缩板撞击实验的应力与粒子速度图的示意图, 在这种试验中, 预加热的飞片和目标板都能经受冲击时的弹塑性变形。在单轴应变下, 目标板的所有应力/粒子速度状态的轨迹均由通过原点的黑色曲线表示, 而飞片的所有应力/粒子速度状态的轨迹由黑色曲线表示。粒子速度轴与弹丸速度相交。粒子速度轴与弹丸速度相交的红色曲线, 旨在说明温度对样品的状态轨迹可能产生的影响。对于室温样品的影响, 在样品/目标界面上, 目标板块从未加载状态 (1) 移动到加载状态 (3), 后面划线点线 (罗利线) 与目标板的纵阻抗相等的斜率材料在状态 (3), 而样品板从被卸载的状态 (2) 移动到被装载的状态 (3), 跟随罗利线与样品的纵阻抗相等的斜率在状态 (3)。这两条线之间的交集揭示了在样品/目标界面实验过程中通过阻抗匹配可实现的最大应力和速度状态。此外, 在样品/目标界面上的应力/粒子速度状态影响粒子速度状态在目标板的自由表面, 这显示为状态 (4)。对具有较低纵向声学阻抗的样本的影响, 将导致从 (3) 到 (5) 的样本/目标界面上的可实现状态发生变化, 因此, 在目标的自由表面由 (4) 到 (6), 因此, 这表明如何轻微变化在样品的纵声阻抗通过监测靶板自由表面的粒子速度来检测。
注意, 粒子速度在目标的自由表面至少两次的粒子速度在样品/目标界面, 但这一因素改变作为一个函数的速度, 塑料波传播, 因此, 应力状态在样品/目标接口估计使用7
其中
, discritzed 时间间隔表示
为, 其中 h 是示波器采样速率的逆 (2.5 x 1010 /秒), 
其中 L 是目标板的厚度, 
是平均应力依赖速度的塑料传播在目标板测量在自由表面的时间 。
, 分别
是靶板的密度和弹性纵波波速, 
是靶板自由表面的实测粒子速度。此外, 从测量的自由表面粒子速度对应的速度高原 (状态 (3)), 纵向声学阻抗的传单 (样本) 可以估计使用32
图 15显示了从正常运动诊断获得的自由表面粒子速度轨迹。这一轨迹最初表现出与撞击动力学相关的速度的相对急剧上升, 其次是由于在实验期间持续的飞行器和目标板块之间的阻抗匹配而产生的高原。初始速度上升直接关系到靶板材料的动态强度和初始塑性流动, 而激波场的速度与目标和飞片之间的阻抗匹配有关。这个数字清楚地显示, 波锋和粒子速度高原上的粒子速度逐渐减少, 这是温度升高的函数, 暗示可能的热软化和/或单调递减的纵向阻抗样品材料与温度。
一个更有趣的结果可以在图 16中看到, 它显示了从反几何上得到的正常的自由表面粒子速度轨迹, 该实验是在商业纯度多晶镁上进行的。同样, 对于图 15,图 16(a) 显示了在激波平台上单调减少的粒子速度, 温度在 23-610 ˚C 的范围内, 但是, 在温度超过这个水平 (即617, 630 ˚C),这一趋势的逆转可以清楚地看到。粒子速度的增加表明试样材料的冲击阻抗增加, 而且假设材料的弹性常数随着温度的升高而减小, 然后增加激波阻抗, 在此的情况下, 建议增加的屈服强度和/或塑料模数的样品材料。仔细看图 16(b) 可以看出, 在激波高原上, 粒子速度的增加伴随着粒子速度轨迹在初始上升过程中的粒子速度水平的增加, 这与试样/目标界面在样品材料初始塑性过程中的应力水平。图 17显示了测试后试样撞击面剖面的显微照片。由于温度的升高, 图像对显微组织产生了两个显著的影响。首先, 图像显示晶粒成熟, 样品温度增加, 这是预期的。然而, 这些图像也显示了双波段形成的变化, 它表现为表格特征或线, 宽度有限, 切割通过晶粒。仔细查看与23至500˚C 温度相对应的图像, 随着温度的升高, 双波段明显减少。然而, 在更高的温度 (即, 610, 617, 630 ˚C) 重新出现这些双波段被观察, 这表明, 双带形成是青睐的后端的这个温度范围。由于镁的塑性变形是通过双带编队和滑移的竞争机制来容纳的, 所以在最高测试温度情况下观察到的双波段的形成是合理的, 这表明滑动变得更加困难。在这种情况下。
图 1: 典型的飞行板和目标板组件示意图.此图显示了在当前实验配置中使用的传单和目标板组件的简单示意图。在步骤 1.1-1.7 中详细介绍了用于准备这些部件的深度协议。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 平面度测量方法的照片.该图显示了在绿色单色光下, 将光学平面放在感兴趣的表面上, 使板材平整度测量。平整度可以通过观察试样表面的光带的曲率来量化 (a), 或者 (b) 通过计算直径的带数。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 平面固定钻机的照片.该图显示目标板和铝环被固定在一个扁平的钢舞台上, 使用三个螺钉轻轻地收紧, 使目标和环上施加的压力防止环氧泄漏。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 在穿甲弹设计中的部件照片.该图显示了自定义耐热木托的组装组件。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: CWRU 的气枪设施.这张图显示了在西储大学的情况下, 单级气体枪设施的照片。红色显示的是定制设计的加热系统, 它与现有的枪管, 并使理想的温度条件传授给穿甲弹。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6: 加热系统示意图.该图显示了高压单级气炮膛内附加的加热系统示意图。该自定义扩展件包含一个加热器-井, 它在阀杆上装有电阻加热器线圈, 具有轴向和旋转自由度。该线圈可以与弹丸和热薄金属标本在弹托前举行, 以超过1000年°c 的温度, 在射击之前。请单击此处查看此图的较大版本.
图 7: 耐热穿甲弹的示意图.这个数字显示了在当前实验配置中使用的穿甲弹的示意图。氧化铝硅酸盐管有助于减轻热量从热的薄金属试样到穿甲弹的身体, 从而减少扣押的风险, 在枪筒内由于可能的热膨胀的穿甲弹身体。请单击此处查看此图的较大版本.
图 8: 高温反向配置示意图正常板撞击实验.携带加热飞片板的穿甲弹被推下枪管, 使其与目标总成相撞。撞击时, 与目标板重叠的针脚提供触发脉冲和倾斜诊断, 而目标板的自由表面运动通过定制的 PDV 来监控。请单击此处查看此图的较大版本.
图 9: 典型对称斜板冲击试验示意图.在这个配置中, 一个传单板是倾斜的运动轴, 它在冲击提供的运动的正常和横向组成部分的正常的影响表面。请单击此处查看此图的较大版本.
图 10: 典型的目标持有者组件的照片.该图显示了用于正常或斜板撞击实验的典型目标保持器组件。中心中显示的目标组件通过 POM 引脚连接到目标持有者, 旋转自由度使精确对准得以进行。请单击此处查看此图的较大版本.
图 11: 棱镜对准方案.此图显示了使用高精度直角棱镜与自准直结合的传单和目标板的对准方案的说明。平行光束 (以红色显示) 从自准直反射出棱镜、靶材和飞片的表面, 第三束反射棱镜的内部表面。反射光束 (黑色显示) 保持平行, 因为传单和目标板块表面是平行的, 并与棱镜的后表面垂直。即将到来的平行光束会聚在自准直的十字线上形成一个单一的图像。请单击此处查看此图的较大版本.
图 12: 自定义所有基于光纤的组合法线和横向位移干涉仪系统示意图.这种配置使用一个修改后的 PDV, 以蓝色显示, 既监视目标板的正常运动, 又照亮目标的自由表面的全息光栅, 创建多阶衍射光束。这些光束 (通常是一阶) 可以耦合回纤维, 并结合起来创造跳动频率变化成正比的横向运动的目标板块, 这是以红色显示。请单击此处查看此图的较大版本.
图 13: 从典型的正常平板撞击实验中得到的原始数据.这个数字显示了在典型的逆向几何正常板块撞击实验中获得的记录信号。红色显示的信号是在撞击过程中与铝环相连的短路电压偏置销。第一个和最后一个短路销之间的时间差异给出了冲击最大倾角的估计, 而针脚的短路顺序使得对倾斜平面的估计成为可能。黑色显示的信号从我们的正常运动诊断, 这里的节拍频率变化是有关的自由表面的正常运动的目标板块。请单击此处查看此图的较大版本.
图 14: 反向配置正常板撞击实验的应力与粒子速度图.该图显示了高温反几何法平板撞击实验的应力与粒子速度图。以原点为中心的曲线详细描述了各向同性目标板所能达到的所有应力状态的轨迹, 而起始于 V0的曲线详细说明了室温下试样材料所有状态的轨迹, 此外, 红色曲线相交 Vo的意思是显示温度升高可能产生的影响。在对室温样品的影响下, 目标板块从未加载状态 (1) 移动到加载状态 (3), 而如果对预加热的样本进行撞击, 则目标将从状态 (1) 移动到状态 (5), 因此, 将自由曲面移到粒子速度状态从 (4) 到 (6)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 15: 当前实验配置的正常自由表面速度记录.该图显示了从正常运动诊断获得的自由表面粒子速度轨迹。这一轨迹最初表现出与撞击动力学相关的速度的相对急剧上升, 其次是由于在实验期间持续的飞行器和目标板块之间的阻抗匹配而产生的高原。当激波演化时, 初始速度上升直接关系到 Al 试样中的应力, 而激波场的速度与目标和飞片之间的阻抗匹配有关。总体而言, 该图显示了在不断增加的温度下, 粒子速度的下降, 这表明在当前加载条件下试样材料可能的热软化。请单击此处查看此图的较大版本.
图16。在商业纯度多晶镁上进行的实验获得了正常的自由表面颗粒速度迹.(a) 在激波平台上显示从房间到610˚C 的温度单调下降的粒子速度, 然而在较高的温度 (617, 630 ˚C), 趋势是逆转的。(b) 表明粒子流速的增加在粒子速度迹的初始上升中也很明显。请单击此处查看此图的较大版本.
图17。后撞击试样的截面的微型图像.由于温度的升高, 图像对试样的显微组织有两个显著的影响。首先, 图像显示晶粒成熟, 样品温度增加, 但更有趣的是在双带形成的变化, 这表现为表格的特点或线的有限宽度, 切割通过谷物。对于温度范围从 23-500 ˚C, 可以观察到双波段的形成下降, 但是, 随着温度的增加超过这一点 (即 610, 617, 630 ˚C) 的双带重新出现明显观察。请单击此处查看此图的较大版本.
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Discussion
上述方法和协议详细说明了在高温下正确执行反向几何正常板撞击实验的程序。在这种方法中, 我们对火炮枪管进行自定义修改, 在现有气体枪的高压 (臀) 端的情况下, 西预备队大学, 以房子的电阻式加热器线圈轴向和旋转自由度。电阻式加热器线圈系统, 使薄铝试样, 持有在加热器的前端, 耐高温弹, 加热到接近熔化温度 (超过640°c), 在射击之前。利用加热器壳体适应与耐热弹托结合, 进行了高温板撞击实验, 不需要特殊的实验考虑, 这在使用常规方法时是典型的, 如, 需要进行远程倾斜调整, 实时反馈, 以保持目标和传单板在加热过程中的平行度。总的来说, 与传统方法相比, 新方法大大减少了协议部分的步骤数目。
在实验性的协议部分, 我们详细的步骤: 1) 样品和目标材料的准备工作, 其中的传单和目标板是仔细加工, 研磨和抛光, 在平行和平整度公差所需的产生与撞击面足够平行的前平面波;2) 组装自定义耐热的木弹, 能够确保加热的样品板, 同时减轻热流到穿甲弹的身体, 和枪管。另外, 穿甲弹房子钥匙, 队友到现有的钥匙方式在枪桶防止整个穿甲弹装配的自转在它的旅行下在枪桶的长度期间。最后, 在步骤3-5 中, 我们详细介绍了在进行实验之前对样品和目标板进行对准的协议, 加热了飞行板 (样本) 和实验的执行。在后面的部分中, 我们演示了如何从图 1中提供的原始数据中验证协议的准确性。最后, 我们提出了成功的高温正常板撞击实验的结果, 使测量的应力/粒子速度状态在样品/目标界面, 以及, 温度相关的纵向声学样品材料的阻抗。
在不久的将来, 随着对穿甲弹设计的适当调整, 这种方法有望实现更高的温度板撞击实验, 这将使其能够在近距离探测高熔点材料的动态材料行为方面发挥作用。熔化温度。考虑到这种方法的通用性, 将使用几种不同的实验配置来研究跨板的动态材料行为。例如, 高温逆向几何板块撞击实验可以适当地设计来测量金属在升温时的冲击波速度, 而压力-剪切板撞击实验可以进行评估大应变和超高剪切速率下的动态不适应性。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者希望通过管理科学学术联盟 NNSA (DE-NA0001989 和 DE-NA0002919) 在进行这项研究时承认美国能源部的财政支持。最后, 作者要感谢洛斯阿拉莫斯国家实验室的合作, 以支持目前和今后的调查工作。
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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