采用臀端穿甲弹加热系统进行高温常压联合压力-剪切板冲击试验
2018年8月7日
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。
一个非常有趣的问题是：金属的动态剪切阻力如何响应压力和施加的应变速率的变化？动态材料表征领域以及其他领域中的这一重要问题可以通过这种技术来解决，该技术还可以减轻传统方法中存在的几个实验变化源。虽然这种方法主要用于研究材料的高温抗压和/或抗剪切性，但它也可以应用于动态滑移和剥落等研究。
凯斯西储大学的气枪是单级的，长 6 米，口径 82.5 毫米。一个部分包含对该实验的枪的定制修改。修改在此原理图上表示。
加热系统与现有的枪管配合，因此固定在定制耐热 sabot 前部的样品可以加热到超过 1000 摄氏度的所需温度。其他修改位于目标腔室末端。在那里，光子多普勒测速仪探头精确测量目标板背面的速度。
触发和倾斜诊断信号来自目标板前表面的电压偏置引脚。第一步是为实验创建样本和目标。使用高纯度多晶铝创建样品。
等距孔用于固定样品。现在检查表面平整度。将样品与光学平面接触，然后将两者置于绿色单色光源下。
观察根据表面特征弯曲和间隔的光带。如果在整个样品直径上可以看到三个或更少的光带，则表面足够平坦。该实验还需要一个靶板和铝环。
用沉淀硬化合金棒制作靶板。将戒指从铝管上切开，并在抛光前在其上钻六个等距槽。将目标板和铝环放在一起，以产生与此类似的组件。
接下来，将组件安装在目标固定环上。完成后，组件将包括用于连接触发器和倾斜诊断电路的铜针。将戒指安装在靶支架上。
收集耐热 sabot 的组件。这些包括样品架、样品和氧化铝螺钉。它还包括氧化铝硅酸盐熔岩管和铝体管及其帽。
现在使用盖子。盖子有一个吊环螺栓。它的凹槽有一个密封 O 形圈和 PTFE 键。
将热电偶线穿过其底部。使用环氧树脂将盖子粘附到铝管的背面。在铝管的前面是环氧树脂熔岩管。
将热电偶线从盖子上穿过试管拉到样品架上，然后将样品架粘附在熔岩管上。水泥干燥后，用氧化铝螺钉将样品固定在样品架上。在继续之前，请确保样品前表面的平整度没有改变。
现在开始在冲击室使用气枪。将三轴运动平台安装在枪管上方的杆上。将带有精密光学对准棱镜的棱镜支架连接到载物台上。
接下来，在样品板上贴上第一个表面镜。然后将 sabot 和枪管放置，使样品朝外。在靶室中，将第一个表面镜放在靶上，并将靶架组件放置到位。
小心地旋转棱镜，使其位于目标板和样品板及其镜子之间。使用扩散球对板进行粗略对齐。调整载物台以获得来自棱镜所有表面的灯泡的单个连续反射图像。
继续在自动准直器的帮助下实现精细对准。拧紧目标支架上的所有定位螺钉，并拆下运动平台、棱镜和镜子。将 sabot 移动到气枪的后膛端，并将热电偶连接到温度监视器。
此时设置多普勒测速仪。这需要将光纤聚焦器探头环氧树脂浸入铝管中。将光学聚焦器连接到全光纤 NDI TDI 干涉仪。
现在将调焦器组件带到目标支架上。这个在目标房间外进行演示。使用后部附带的量来支撑调焦器。
将调焦器对准目标的后表面。打开激光器并使用调焦器组件上的螺钉调整调焦器探头位置。在实现适当的光耦合和信号优化后停止。
调整可变比率耦合器以匹配参考和多普勒频移光的强度，以优化信号。所有准备工作完成后，密封后膛目标室并将枪管抽空至 100 毫托以下。将加热器移动到位并打开它。
以 100 摄氏度的增量提高其温度，以达到所需的样品温度。对燃烧场和装载室加压。此外，请务必将 sabot catcher 固定在冲击室上。
一切就绪后，关闭加热器并立即将其向上移向加热器井。记录样品表面热电偶的温度。从这里继续正常的射击顺序。
这是在典型的反向几何法板冲击实验中记录的电压随时间变化的一个例子。红色走线是来自基于电压的引脚的触发信号。第一个和最后一个销钉的触发时间之间的差异允许估计冲击时的最大倾斜。
纵波到达背面。黑色信号是使用光子多普勒测速仪对自由表面进行法向运动诊断的结果。该图是一定温度范围下的自由法向表面速度。
数据符号从黑色到红色，代表最冷到最热的初始样品温度。最初的急剧上升与铝样品在激波演变时与目标界面处的应力有关。平台期是样品和目标之间的阻抗匹配的结果。
请注意，最高自由表面速度与最低温度相关，并且速度随着温度的升高而降低。这表明样品在不同测试条件下可能会发生热软化。图 16 中可以看到一个更有趣的结果，它显示了对商业纯度多晶镁进行的反向几何法向板冲击实验获得的法向自由表面粒子速度轨迹。
结果显示，随着温度的升高，激波平台的粒子速度在 23 至 610 摄氏度范围内单调降低。然而，在超过这个水平的温度下，即 617 和 630 摄氏度，可以清楚地观察到这种趋势的逆转。粒子速度的增加表明样品材料的冲击阻抗增加。
此外，假设材料的弹性常数随着温度的升高而降低，那么在这种情况下，冲击阻抗的增加表明样品材料的屈服强度和/或塑性模量增加。可以看出，在激波平台处粒子速度的增加伴随着粒子速度轨迹初始上升过程中粒子速度水平的增加，这与样品材料初期塑性期间样品目标界面的应力水平相关。图 17 显示了后测试样品冲击表面横截面的显微照片。
这些图像显示了温度升高对微观结构的两个明显影响。首先是随着样品温度的升高而使谷物成熟。这些图像还显示了双波段形成的变化。
仔细观察对应于 23 至 500 摄氏度温度范围的图像，观察到随着温度的升高，双频带明显减少。然而，在更高的温度下，即 610、617 和 630 摄氏度，观察到这些双频带的重新出现，这表明在该温度范围的后端有利于双频带的形成。如果测试材料已经组装好，一旦掌握，这项技术可以在大约 5 到 6 小时内完成。
在尝试此过程时，请务必记住在准备样品材料时要小心谨慎，以便充分满足平面度和平行度公差。按照此程序，还可以执行类似的方法，例如斜板冲击和压力剪切板冲击，从而能够在各种加载速率和模式下探测动态材料行为。观看此视频后，您应该对如何进行高温板冲击实验有很好的了解，这使您能够缓解传统方法中存在的几个实验挑战。
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概述
本文介绍了一种新的用于进行高温反向正常板状冲击和复合压力-剪切板状冲击的协议。该方法利用后膛端电阻线圈加热器来达到所需的样品温度。
关键研究组成部分
科学领域
- 动态材料表征
- 高温抗压性
- 材料的剪切抗性
背景
- 金属的动态剪切抗性受压力和应变速率的影响。
- 传统方法有多个实验变异源。
- 该技术旨在减轻这些变异。
- 它还可以应用于动态滑动和脱壳的研究。
研究目的
- 调查金属的动态剪切抗性。
- 开发一种减少实验变异的方法。
- 探索高温对材料行为的影响。
使用的方法
- 使用气枪进行冲击测试。
- 根据特定实验需求修改气枪。
- 使用电阻线圈加热器对样品进行加热。
- 在受控压力和温度条件下进行测试。
主要结果
- 证明了新测试方法的可行性。
- 提供了关于金属动态剪切抗性的见解。
- 显示了研究动态滑动和脱壳的潜在应用。
结论
- 新方法为材料表征提供了可靠的方法。
- 它解决了传统测试方法的局限性。
- 未来的研究可以扩展这一技术用于各种材料。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables dynamic material characterization under thermomechanical extremes, supporting target validation in high-temperature environments. By mitigating experimental variations in conventional plate impact approaches, it improves predictive confidence in material behavior assessments. The technique aids in de-risking mechanistic hypotheses for materials intended for extreme-condition applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates thermodynamic and mechanical hypotheses under combined pressure-shear conditions.
- Operational Value: Enables reproducible testing of material responses at elevated temperatures up to 1000°C.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative free surface velocity measurements for assessing dynamic strength.
- Operational Value: Supports assay standardization through precise thermal control and diagnostic alignment.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by linking microstructural evolution to macroscopic mechanical response.
- Operational Value: Enables continuity from discovery-scale testing to preclinical evaluation of material performance.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions within early discovery for hypothesis testing, advancing to screening via standardized thermal-mechanical assays, and informing translational decisions through predictive mechanical profiling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of pressure-shear interactions in material systems.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for comparative material evaluation.
- Analytics: Enables statistical analysis of velocity profiles to infer yield strength and plastic modulus trends.
- Translational Research: Connects thermal exposure history to mechanical performance for risk-adjusted advancement.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform for thermomechanical characterization across material classes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in high-temperature material behavior, reduction of mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of thermomechanical testing.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions, capital efficiency, reduced late-stage failure risk in extreme environments.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of materials based on thermomechanical stability.
Implementation Considerations
- Expertise in dynamic material characterization and high-temperature experimental techniques.
- Access to single-stage gas gun systems with precision machining capabilities.
- Requirement for optical diagnostics such as photonic doppler velocimetry and alignment systems.
- Need for thermal monitoring and control infrastructure to maintain sample temperature uniformity.
- Adaptation considerations for various sample geometries and material systems beyond aluminum and magnesium.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:44
The Customized Single-stage Gas-gun
1:37
Sample and Target Material Preparation
2:55
Assembly of the Custom Heat-resistant Sabot
3:54
Assembly of the Test Materials Within the Gas-gun
5:07
Arrangement and Alignment of the Laser-based Diagnostics
6:01
Execution of High Temperature Reverse Geometry Normal Impact Experiments
6:48
Results: The Free Normal Surface Velocity vs. Time for a Range of Temperatures
10:01
Conclusion
