通常の温度の上昇を実施し、尾端サボ ヒーター システムを介して圧力剪断平板衝突試験を組み合わせる

非常に興味深い問題は、金属の動的せん断抵抗が圧力と印加ひずみ速度の変化にどのように反応するかということです。動的材料特性評価分野やその他の分野におけるこの重要な問題は、この手法によって対処でき、従来のアプローチに存在するいくつかの実験的変動源も軽減できます。この方法は、主に材料の高温圧縮および/またはせん断抵抗の研究のために設計されましたが、動的スリップやスポールなどの研究にも適用できます。

ケース・ウェスタン・リザーブ大学のガスガンは、長さ6メートル、口径82.5ミリメートルの単段式です。1つのセクションには、この実験のための銃のカスタム変更が収められています。この回路図では、変更点を示しています。

加熱システムは既存の砲身と嵌合するため、カスタム耐熱サボの前面に保持されているサンプルを摂氏1000度を超える所望の温度に加熱できます。追加の変更は、ターゲットチャンバーの端にあります。そこでは、フォトニックドップラー速度計プローブがターゲットプレートの裏面の速度を正確に測定します。

トリガーとチルトの診断信号は、ターゲットプレートの前面にある電圧バイアスピンから供給されます。最初のステップは、実験のサンプルとターゲットを作成することです。高純度の多結晶アルミニウムを使用してサンプルを作成します。

等間隔の穴は、サンプルを固定するためのものです。次に、表面の平坦度を確認します。サンプルを光学フラットに接触させてから、2つを緑色の単色光源の下に置きます。

表面の特徴に応じて湾曲し、間隔が空けられた光の帯を観察します。サンプル直径全体に見える光のバンドが3つ以下の場合、表面は十分に平坦です。実験には、ターゲットプレートとアルミニウムリングも必要です。

ターゲットプレートは、析出硬化合金棒から作製します。リングをアルミチューブから切り離し、6つの等間隔のスロットをドリルで開けてから研磨します。ターゲットプレートとアルミリングを合わせると、このような組み立てになります。

次に、アセンブリをターゲットホルダーリングに取り付けます。完了すると、アセンブリには、トリガーとチルト診断回路に接続するための銅ピンが含まれます。リングをターゲットホルダーに取り付けます。

耐熱サボの部品を集めます。これらには、サンプルホルダー、サンプル、アルミナネジが含まれます。また、アルミナケイ酸塩溶岩チューブとキャップ付きのアルミニウムボディチューブも含まれています。

次に、キャップを操作します。キャップにはアイボルトが付いています。その溝にはシーリングOリングとPTFEキーがあります。

熱電対ワイヤをその底に通します。エポキシを使用して、キャップをアルミチューブの背面に接着します。アルミチューブの前面に溶岩石チューブをエポキシで固定します。

熱電対ワイヤーをキャップからチューブを通ってサンプルホルダーに引っ張り、サンプルホルダーを溶岩チューブに接着します。セメントが乾いたら、アルミナネジでサンプルをサンプルホルダーに固定します。先に進む前に、サンプルの前面の平坦度が変化していないことを確認してください。

次に、衝撃チャンバーでガスガンの作業を開始します。砲身の上のロッドに3軸モーションステージを取り付けます。精密な光学アライメントプリズムを備えたプリズムホルダーをステージに取り付けます。

次に、サンプルプレートの上に最初の表面ミラーをテープで貼り付けます。次に、サボと砲身をサンプルを外側に向けて配置します。ターゲットチャンバーで、ターゲットに最初の表面ミラーを置き、ターゲットホルダーアセンブリを所定の位置に置きます。

プリズムを慎重に回転させて、ターゲットプレートとサンプルプレート、およびそれらのミラーの間に置きます。拡散電球を使用して、プレートの大まかな位置合わせを行います。ステージを調整して、プリズムのすべての表面から電球の単一の連続反射画像を実現します。

オートコリメータの助けを借りて細かい位置合わせを達成し続けます。ターゲットホルダーのすべての位置決めネジを締め、モーションステージ、プリズム、ミラーを取り外します。サボをガスガンの尾部に移動し、熱電対を温度モニターに接続します。

この時点で、ドップラー速度計をセットアップします。これには、アルミニウムチューブにエポキシ化された光ファイバーフォーカサープローブが必要です。オプティカルフォーカサーを全光ファイバーNDI TDI干渉計に接続します。

次に、フォーカサーアセンブリをターゲットホルダーに持っていきます。これは、デモンストレーション用のターゲットチャンバーの外にあります。後部に付属している量を使ってフォーカサーを支えます。

フォーカサーをターゲットの裏面に向けます。レーザーをオンにし、フォーカサーアセンブリのネジを使用してフォーカサープローブの位置を調整します。適切な光結合と信号の最適化を達成した後、停止します。

可変比カプラーを基準光とドップラーシフト光の強度に合わせて調整し、信号を最適化します。すべての準備が完了したら、砲尾のターゲットチャンバーを密閉し、砲身を100ミリトール未満に排気します。ヒーターを所定の位置に移動し、電源を入れます。

所望のサンプル温度に達するために100°Cの増分で温度を上げます。発射ダンプとロードチャンバーを加圧します。また、サボキャッチャーをインパクトチャンバーに固定してください。

すべてが整ったら、ヒーターの電源を切り、すぐにヒーターウェルに向かって上に移動します。サンプル表面での熱電対の温度を記録します。ここからは、通常の発射シーケンスを続けます。

これは、典型的な逆形状のノーマルプレート衝撃実験中に、時間の関数として記録された電圧の例です。赤いトレースは、電圧ベースのピンからのトリガー信号です。最初と最後のピンのトリガー時間の差により、衝撃時の最大傾きを推定できます。

縦波が裏面に到着します。ブラック信号は、光子ドップラー速度計を使用した自由表面の法線運動診断の結果です。このプロットは、ある温度範囲の自由垂直表面速度のものです。

データ シンボルは黒から赤に変化し、最も低いサンプル温度から最も暖かいサンプル温度までを表します。最初の急激な上昇は、衝撃が進行するにつれて、アルミニウムサンプルがターゲットとの界面で応力を受けることに関係しています。プラトーは、サンプルとターゲットの間のインピーダンス整合から生じます。

自由サーフェス速度が最も高いと温度が最も低くなり、温度が上がると速度が減少することに注意してください。これは、さまざまな試験条件下でサンプルが熱軟化する可能性があることを示唆しています。より興味深い結果は、商業的な純度の多結晶マグネシウムに対して行われた逆形状の通常のプレート衝撃実験から得られた通常の自由表面粒子速度トレースを示す図16に見ることができます。

その結果、衝撃台地での粒子速度は、摂氏23度から610度の範囲で温度が上昇するにつれて単調に減少することが示されています。ただし、このレベルを超える温度、つまり摂氏617度と630度では、この傾向の逆転がはっきりと観察できます。この粒子速度の増加は、サンプル材料の衝撃インピーダンスの増加を示唆しています。

さらに、温度の上昇の関数として材料の弾性定数が減少すると仮定すると、この場合の衝撃インピーダンスの増加は、サンプル材料の降伏強度および/または塑性弾性率の増加を示唆しています。衝撃プラトーでの粒子速度の増加は、粒子速度トレースの初期上昇全体にわたる粒子速度レベルの増加を伴い、これはサンプル材料の初期の塑性におけるサンプルターゲット界面の応力レベルと相関していることがわかります。図17は、試験後の試験片の衝撃面の断面の顕微鏡写真を示しています。

この画像は、温度の上昇の結果として微細構造に2つの顕著な影響があることを示しています。1つ目は、サンプル温度の上昇に伴う穀物の熟成です。画像は、ツインバンドの形成の変化も示しています。

23°Cから500°Cまでの温度に対応する画像を注意深く見ると、温度が上昇するにつれてツインバンドが明らかに減少していることが観察されます。しかし、より高い温度、すなわち摂氏610度、617度、および摂氏630度では、これらのツインバンドの再出現が観察され、この温度範囲の後半でツインバンドの形成が促進されることを示唆しています。試験材料がすでに組み立てられている場合、習得すれば、この手法は約5〜6時間で完了します。

この手順を試行する際には、平坦度と平行度の公差を適切に満たすことができるように、サンプル材料の準備に適切な注意を払うことを忘れないでください。この手順に従って、斜めプレート衝撃や圧力せん断プレート衝撃などの同様の方法も実行でき、さまざまな負荷速度とモードで動的材料挙動をプローブできます。このビデオを見れば、従来のアプローチで生じていたいくつかの実験上の課題を軽減できる高温プレート衝撃実験の実施方法について十分に理解できるはずです。