Durchführung von erhöhter Temperatur Normal und kombinierte Druck-Shear Platte folgen Experimente über eine Verschluss-End Sabot-Heizsystem

Eine Frage von großem Interesse ist: Wie reagiert der dynamische Schubwiderstand von Metallen auf Änderungen des Drucks und der aufgebrachten Dehnungsraten? Diese wichtige Frage im Bereich der dynamischen Materialcharakterisierung und andere könnten durch diese Technik beantwortet werden, die auch mehrere experimentelle Variationsquellen abschwächt, die im konventionellen Ansatz vorhanden sind. Obwohl diese Methode in erster Linie für Untersuchungen der Hochtemperatur-Druck- und/oder Scherfestigkeit von Materialien konzipiert wurde, kann sie auch für Studien wie dynamischen Schlupf und Abplatzung eingesetzt werden.

Die Gaspistole an der Case Western Reserve University ist einstufig, hat eine Länge von sechs Metern und eine Bohrung von 82,5 Millimetern. In einem Abschnitt befindet sich eine spezielle Modifikation der Waffe für dieses Experiment. Die Modifikationen sind in diesem Schaltplan dargestellt.

Ein Heizsystem passt zu dem vorhandenen Gewehrlauf, so dass die Probe, die an der Vorderseite des speziell angefertigten hitzebeständigen Sabots gehalten wird, auf die gewünschten Temperaturen von über 1000 Grad Celsius erhitzt werden kann. Weitere Modifikationen befinden sich am Ende der Zielkammer. Dort misst eine photonische Doppler-Velocimeter-Sonde präzise die Geschwindigkeit der Rückseite der Zielplatte.

Trigger- und Tilt-Diagnosesignale kommen von den spannungsvorgespannten Stiften auf der Vorderseite der Zielplatte. Der erste Schritt besteht darin, die Probe und das Ziel für das Experiment zu erstellen. Erstellen Sie die Proben aus hochreinem polykristallinem Aluminium.

Die Löcher mit gleichem Abstand dienen zur Sicherung der Probe. Überprüfen Sie nun die Ebenheit der Oberfläche. Bringen Sie die Probe in Kontakt mit einer optischen Fläche und positionieren Sie die beiden unter einer grünen monochromatischen Lichtquelle.

Beobachten Sie Lichtbänder, die je nach Oberflächenmerkmalen gekrümmt und beabstandet sind. Die Oberfläche ist ausreichend flach, wenn drei oder weniger helle Bänder über den Probendurchmesser sichtbar sind. Für das Experiment werden außerdem eine Zieltafel und ein Aluminiumring benötigt.

Stellen Sie die Zielplatten aus ausscheidungsgehärtetem Legierungsstab her. Schneiden Sie den Ring von einem Aluminiumrohr ab und bohren Sie sechs gleich große Schlitze hinein, bevor Sie ihn polieren. Setzen Sie die Zielplatte und den Aluminiumring zusammen, um eine ähnliche Baugruppe herzustellen.

Montieren Sie anschließend die Baugruppe auf dem Zielhalterring. Wenn dies erledigt ist, enthält die Baugruppe Kupferstifte für den Anschluss an die Auslöser- und Neigungsdiagnoseschaltung. Montieren Sie den Ring auf dem Zielhalter.

Sammelt die Bestandteile des hitzebeständigen Sabots. Dazu gehören der Probenhalter, die Probe und die Aluminiumoxidschrauben. Es enthält auch das Aluminiumoxid-Silikat-Lavagesteinsrohr und das Aluminium-Körperrohr mit seiner Kappe.

Arbeiten Sie nun mit der Kappe. Die Kappe hat eine Ringschraube. Die Rillen haben einen dichtenden O-Ring und einen PTFE-Schlüssel.

Führen Sie einen Thermoelementdraht durch die Unterseite. Verwenden Sie Epoxidharz, um die Kappe auf die Rückseite des Aluminiumrohrs zu kleben. An der Vorderseite des Aluminiumrohrs befindet sich das Epoxidharz des Lavagesteins.

Ziehen Sie den Thermoelementdraht von der Kappe durch die Röhrchen zum Probenhalter und kleben Sie den Probenhalter an die Lavaröhre. Nachdem der Zement getrocknet ist, befestigen Sie die Probe mit den Aluminiumoxidschrauben am Probenhalter. Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass sich die Ebenheit der Vorderseite der Probe nicht verändert hat.

Beginnen Sie nun mit der Gaspistole an der Aufprallkammer zu arbeiten. Montieren Sie einen dreiachsigen Bewegungstisch an einer Stange über dem Gewehrlauf. Befestigen Sie am Tisch einen Prismenhalter mit einem optischen Präzisionsausrichtungsprisma.

Kleben Sie dann einen ersten Oberflächenspiegel über die Probenplatte. Positionieren Sie dann den Sabot und den Gewehrlauf mit der Probe nach außen. Setzen Sie in der Zielkammer einen ersten Oberflächenspiegel auf das Ziel und setzen Sie die Zielhalterbaugruppe ein.

Drehen Sie das Prisma vorsichtig so, dass es sich zwischen dem Ziel- und der Probenplatte und ihren Spiegeln befindet. Verwenden Sie eine diffuse Glühbirne, um eine grobe Ausrichtung der Platten durchzuführen. Stellen Sie den Tisch so ein, dass ein einzelnes kontinuierliches Reflexionsbild der Glühbirne von allen Oberflächen des Prismas erhalten wird.

Anschließend erreichen Sie die Feinausrichtung mit Hilfe eines automatischen Kollimators. Ziehen Sie alle Positionierungsschrauben am Zielhalter fest, und entfernen Sie den Bewegungstisch, das Prisma und die Spiegel. Bewegen Sie den Sabot an das Verschlussende der Gaspistole und verbinden Sie das Thermoelement mit dem Temperaturmonitor.

Richten Sie an dieser Stelle das Doppler-Velocimeter ein. Dazu ist eine Glasfaser-Okularauszugsonde erforderlich, die in ein Aluminiumrohr epoxidiert ist. Verbinden Sie den optischen Okularauszug mit einem vollfaseroptischen NDI-TDI-Interferometer.

Bringen Sie nun die Okularauszugseinheit zum Zielhalter. Dieser befindet sich zur Demonstration außerhalb der Zielkammer. Verwenden Sie den angebrachten Betrag an der Rückseite, um den Okularauszug zu stützen.

Richten Sie den Okularauszug auf die Rückseite des Ziels. Schalten Sie den Laser ein und stellen Sie die Position der Okularauszugssonde mit den Schrauben an der Okularauszugseinheit ein. Stoppen Sie, nachdem Sie die richtige Lichtkopplung und Signaloptimierung erreicht haben.

Passen Sie den Koppler mit variablem Verhältnis an die Intensität des Referenz- und Doppler-verschobenen Lichts an, um das Signal zu optimieren. Nachdem alle Vorbereitungen abgeschlossen sind, verschließen Sie die Verschlusszielkammer und evakuieren Sie den Gewehrlauf auf weniger als 100 Millitorr. Bringen Sie die Heizung in Position und schalten Sie sie ein.

Erhöhen Sie die Temperatur in Schritten von 100 Grad Celsius, um die gewünschte Probentemperatur zu erreichen. Den Brennabraum und die Ladekammern unter Druck setzen. Achten Sie auch darauf, den Sabot-Fänger an der Aufprallkammer zu befestigen.

Wenn alles an seinem Platz ist, schalten Sie die Heizung aus und bewegen Sie sie sofort nach oben in Richtung der Heizungsschacht. Erfassen Sie die Temperatur des Thermoelements an der Probenoberfläche. Von hier aus geht es weiter mit der normalen Schussfolge.

Dies ist ein Beispiel für die aufgezeichnete Spannung als Funktion der Zeit während eines typischen Experiments zum Aufprall der normalen Platte mit umgekehrter Geometrie. Die rote Kurve ist das Triggersignal von den spannungsbasierten Pins. Die Differenz zwischen den Auslösezeiten des ersten und des letzten Stifts ermöglicht eine Abschätzung der maximalen Neigung beim Aufprall.

Eine Longitudinalwelle erreicht die hintere Fläche. Das schwarze Signal ist das Ergebnis einer normalen Bewegungsdiagnostik der freien Oberfläche mit dem Photonen-Doppler-Velozimeter. Dieses Diagramm zeigt die Oberflächengeschwindigkeit der freien Normalnormalen für einen Temperaturbereich.

Die Datensymbole gehen von schwarz bis rot und stellen die kühlsten bis zu den wärmsten Temperaturen der Ausgangsprobe dar. Der anfängliche starke Anstieg hängt mit der Spannung der Aluminiumprobe an ihrer Grenzfläche zum Ziel zusammen, wenn sich der Schock entwickelt. Das Plateau ergibt sich aus der Impedanzübereinstimmung zwischen der Probe und dem Ziel.

Beachten Sie, dass die höchste Geschwindigkeit der freien Oberfläche mit der niedrigsten Temperatur verbunden ist und die Geschwindigkeiten mit steigender Temperatur abnehmen. Dies deutet auf eine mögliche thermische Erweichung der Probe unter den verschiedenen Testbedingungen hin. Ein interessanteres Ergebnis ist in Abbildung 16 zu sehen, die die normale Partikelgeschwindigkeitskurve der freien Oberfläche zeigt, die aus normalen Plattenaufprallexperimenten mit umgekehrter Geometrie erhalten wurde, die an polykristallinem Magnesium mit kommerzieller Reinheit durchgeführt wurden.

Die Ergebnisse zeigen monoton abnehmende Teilchengeschwindigkeiten am Schockplateau mit steigenden Temperaturen im Bereich von 23 bis 610 Grad Celsius. Bei Temperaturen jenseits dieses Niveaus, also 617 und 630 Grad Celsius, ist jedoch eine Umkehr dieses Trends deutlich zu beobachten. Diese Erhöhung der Teilchengeschwindigkeit deutet auf eine Erhöhung der Stoßimpedanz des Probenmaterials hin.

Unter der Annahme, dass die elastischen Konstanten des Materials in Abhängigkeit von steigender Temperatur abnehmen, deutet eine Erhöhung der Stoßimpedanz in diesem Fall auf eine Erhöhung der Streckgrenze und/oder des plastischen Moduls des Probenmaterials hin. Es ist ersichtlich, dass die Zunahme der Teilchengeschwindigkeit am Schockplateau mit einer Zunahme der Teilchengeschwindigkeit während des anfänglichen Anstiegs der Teilchengeschwindigkeitskurve einhergeht, was mit den Spannungsniveaus der Zielgrenzfläche der Probe während der beginnenden Plastizität des Probenmaterials korreliert. Abbildung 17 zeigt Schliffbilder von Querschnitten der Aufpralloberfläche von Proben nach dem Versuch.

Die Bilder zeigen zwei spürbare Effekte auf das Gefüge als Folge der steigenden Temperatur. Die erste ist die Getreidereifung mit steigender Probentemperatur. Die Bilder zeigen auch eine Veränderung der Zwillingsbandformationen.

Betrachtet man die Bilder, die Temperaturen von 23 bis 500 Grad Celsius entsprechen, so zeigt sich eine deutliche Abnahme der Zwillingsbänder mit steigender Temperatur. Bei höheren Temperaturen, d.h. 610, 617 und 630 Grad Celsius, wird jedoch ein Wiederauftreten dieser Zwillingsbanden beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Zwillingsbandbildung am späten Ende dieses Temperaturbereichs begünstigt wird. Wenn die Testmaterialien bereits zusammengebaut sind, kann diese Technik nach der Beherrschung in etwa fünf bis sechs Stunden durchgeführt werden.

Wenn Sie dieses Verfahren ausprobieren, ist es wichtig, bei der Vorbereitung der Probenmaterialien die richtige Sorgfalt walten zu lassen, damit die Ebenheits- und Parallelitätstoleranzen angemessen eingehalten werden können. Nach diesem Verfahren können auch ähnliche Verfahren wie der Schrägplattenschlag und der Druckscherplattenschlag durchgeführt werden, die es ermöglichen, dynamisches Materialverhalten bei verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten und -modi zu untersuchen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ein Plattenaufprallexperiment mit erhöhter Temperatur durchführen, das es Ihnen ermöglicht, mehrere experimentelle Herausforderungen zu mildern, die beim herkömmlichen Ansatz auftreten.