Artykuł metodologiczny

Przeprowadzanie eksperymentów z uderzeniami w płytę ciśnieniowo-ścinającą w podwyższonej temperaturze za pomocą systemu nagrzewnicy Sabot po stronie zamka

DOI:

10.3791/57232

⸱

7 sierpnia 2018

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Case Western Reserve University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj prezentujemy szczegółowy protokół nowego podejścia do przeprowadzania podwyższonej temperatury, odwrotnego normalnego uderzenia płyty, oraz połączonego uderzenia płyty ciśnieniowej i ścinającej. Podejście to polega na zastosowaniu grzałki cewki rezystancyjnej po stronie zamka w celu podgrzania próbki trzymanej na początku żaroodpornego sabotu do żądanej temperatury.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiono nowatorskie podejście do przeprowadzania normalnych i/lub kombinowanych eksperymentów z uderzeniami płyt ciśnieniowo-ścinających w temperaturach testowych do 1000 °C. Metoda ta umożliwia eksperymenty z uderzeniami płyt w podwyższonej temperaturze, mające na celu zbadanie dynamicznego zachowania materiałów w ekstremalnych warunkach termomechanicznych, przy jednoczesnym złagodzeniu kilku specjalnych wyzwań eksperymentalnych napotykanych podczas wykonywania podobnych eksperymentów przy użyciu konwencjonalnego podejścia uderzeniowego płyty. Na końcu zamka jednostopniowego pistoletu gazowego na Uniwersytecie Case Western Reserve dokonywane są niestandardowe adaptacje; Adaptacje te obejmują precyzyjnie obrobiony element przedłużający wykonany ze stali SAE 4340, który jest strategicznie zaprojektowany, aby pasował do istniejącej lufy pistoletu, zapewniając jednocześnie wysoką tolerancję dopasowania do otworu i rowka wpustowego. Przedłużka zawiera pionową cylindryczną studnię grzejną, w której znajduje się zespół grzałki. Rezystancyjna głowica grzewcza z cewką, zdolna do osiągania temperatur do 1200 °C, jest przymocowana do pionowego trzpienia o osiowych/obrotowych stopniach swobody; Umożliwia to równomierne podgrzewanie cienkich próbek metalu umieszczonych na przednim końcu żaroodpornego sabotu na całej średnicy do żądanych temperatur testowych. Poprzez podgrzanie płytki ulotki (w tym przypadku próbki) na końcu zamka lufy pistoletu zamiast na końcu tarczy, można uniknąć kilku krytycznych wyzwań eksperymentalnych. Należą do nich: 1) poważne zmiany w ustawieniu tarczy celowniczej podczas nagrzewania spowodowane rozszerzalnością cieplną kilku składników zespołu uchwytu tarczy; 2) wyzwania wynikające z tego, że elementy diagnostyczne (tj. polimerowe siatki holograficzne i sondy optyczne) znajdują się zbyt blisko podgrzewanego zespołu docelowego; 3) wyzwania, które pojawiają się w przypadku płytek docelowych z oknem optycznym, gdzie kluczowe tolerancje między próbką, warstwą wiązania i okienkiem stają się coraz trudniejsze do utrzymania w wysokich temperaturach; 4) w przypadku połączonych doświadczeń z uderzeniami płyt ściskano-ścinających, potrzeba zastosowania odpornych na wysokie temperatury siatek dyfrakcyjnych do pomiaru poprzecznej prędkości cząstek na swobodnej powierzchni tarczy; oraz 5) ograniczenia nałożone na prędkość uderzenia niezbędne do jednoznacznej interpretacji zmierzonej swobodnej prędkości powierzchniowej w funkcji profilu czasowego ze względu na zmiękczenie termiczne i możliwe uginanie się ograniczających płyt docelowych. Wykorzystując wyżej wymienione adaptacje, przedstawiamy wyniki serii eksperymentów z odwróconą geometrią normalnego uderzenia płyty na aluminium o czystości komercyjnej w zakresie temperatur próbki. Eksperymenty te pokazują malejące prędkości cząstek w stanie zderzenia, co wskazuje na mięknienie materiału (spadek naprężenia przepływu po plastyczności) wraz ze wzrostem temperatury próbki.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W zastosowaniach inżynieryjnych, materiały są poddawane różnorodnym warunkom, które mogą być statyczne lub dynamiczne, w połączeniu z wysokimi poziomami deformacji i temperaturami od pokojowego do bliskiego temperatury topnienia. W tych ekstremach termomechanicznych zachowanie materiału może się drastycznie różnić; W związku z tym, w ciągu prawie stu lat, opracowano kilka eksperymentów mających na celu zbadanie dynamicznej reakcji i/lub innych cech zachowania materiału w kontrolowanych reżimach obciążenia1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. W przypadku metali obciążonych z niskimi i średnimi prędkościami odkształcania (10-6-10 0 /s) do badania reakcji materiału poddanego różnym trybom obciążenia i poziomom odkształcenia zastosowano serwohydrauliczne lub precyzyjne maszyny wytrzymałościowe do. Ale gdy zastosowane szybkości odkształcania rosną powyżej pośrednich szybkości odkształcania (tj. >102/s), konieczne stają się inne techniki eksperymentalne w celu zbadania odpowiedzi mechanicznej. Na przykład przy szybkościach obciążenia od 103/s do 5 × 104/s pełnowymiarowe lub zminiaturyzowane pręty ciśnieniowe Split-Hopkinson umożliwiają wykonanie takich pomiarów8,15.

Tradycyjnie, eksperymenty z lekkimi pistoletami gazowymi i/lub eksplozywnie napędzanymi płytami były wykorzystywane do badania dynamicznej nieelastyczności i innych zjawisk, takich jak spalacja lub przemiana fazowa, które występują przy bardzo wysokich szybkościach odkształcania (105-10 7/s)16,17,18,19,20,21,22, czyli kombinacje wysokich ciśnień i dynamicznego obciążenia. Zwyczajowo, eksperymenty z uderzeniami w płyty polegają na wystrzeleniu płyty ulotkowej przenoszonej przez sabot początkowo na końcu zamka pistoletu gazowego, która następnie przemieszcza się w dół lufy pistoletu i jest zmuszana do zderzenia ze starannie ustawioną nieruchomą płytą celowniczą w komorze uderzeniowej. W wyniku uderzenia na granicy faz ulotka/tarcza generowane są normalne i/lub połączone naprężenia ciśnieniowe i ścinające, które przemieszczają się przez wymiary przestrzenne płyt jako podłużne i/lub połączone podłużne i poprzeczne fale naprężeń. Docieranie tych fal do tylnej powierzchni tarczy celowniczej wpływa na chwilową prędkość cząstek na powierzchni swobodnej tarczy docelowej, która jest zwykle monitorowana za pomocą technik interferometrycznych. Aby umożliwić interpretację zmierzonej prędkości cząstek w funkcji historii w czasie, konieczne jest, aby fale płaskie z czołem równoległym do powierzchni uderzenia były generowane przy uderzeniu14,23. Aby zapewnić to pierwsze, uderzenie musi nastąpić przy kącie nachylenia uderzenia mniejszym niż jeden miliradian12,24, przy powierzchniach uderzenia o płaskości lepszej niż kilka mikrometrów5,25.

Eksperymenty z uderzeniami płyt zostały dostosowane do elementów grzejnych, które umożliwiają badanie zachowania materiału aż do ekstremów termomechanicznych26,27,28,29. Adaptacje te zwykle polegają na dodaniu cewki indukcyjnej lub rezystancyjnego elementu grzejnego do docelowego końca pistoletu gazowego; Chociaż wykazano, że adaptacje te są eksperymentalnie wykonalne, podejście to z natury prowadzi do szczególnych wyzwań eksperymentalnych, które wymagają starannego rozważenia. Niektóre z tych eksperymentalnych komplikacji obejmują różnicową rozszerzalność cieplną różnych składników zespołu uchwytu tarczy i/lub uchwytu wyrównującego podczas podgrzewania płytki docelowej (próbki), co wymaga regulacji wyrównania w czasie rzeczywistym, zwykle wykonywanych za pomocą zdalnie sterowanych narzędzi do wyrównywania z ciągłym sprzężeniem zwrotnym w celu utrzymania kluczowej tolerancji równoległości między próbką a płytą docelową. W przypadku schematu eksperymentalnego uderzenia płyty ciśnieniowo-ścinającej, podgrzewanie próbki wymaga zastąpienia konwencjonalnych siatek polimerowych kratami metalowymi odpornymi na wysokie temperatury w celu monitorowania poprzecznej prędkości cząstek na swobodnej powierzchni płytki docelowej. Co więcej, podgrzanie próbki może spowodować dodatkowe ograniczenia prędkości uderzenia, które można zastosować w niektórych schematach eksperymentalnych, takich jak konfiguracja udarności płyty o wysokim współczynniku odkształcania o połączonym ciśnieniu i ścinaniu, gdzie mogą być wymagane specjalne względy, aby zapobiec jednoznacznej interpretacji wyników eksperymentalnych, które są obliczane na podstawie impedancji akustycznej przedniej i tylnej tarczy docelowej, która może być zależna od temperatury. Wreszcie, w przypadku innych schematów eksperymentalnych, które wymagają płytki docelowej z oknem optycznym, tolerancje między próbką, warstwą wiązania i/lub powłokami stają się coraz trudniejsze do utrzymania w wysokich temperaturach19.

Aby złagodzić wyżej wymienione wyzwania eksperymentalne, dokonaliśmy niestandardowych adaptacji do istniejącego jednostopniowego pistoletu gazowego znajdującego się na Case Western Reserve University (CWRU)7,30,31,32. Modyfikacje te umożliwiają podgrzanie cienkich próbek metalowych trzymanych na przednim końcu żaroodpornego sabotu do temperatury przekraczającej 1000 °C przed wypaleniem, co pozwala na przeprowadzenie eksperymentów z uderzeniem w płytę ciśnieniową w wysokiej temperaturze i/lub kombinowanej. W przeciwieństwie do większości konwencjonalnych podejść stosowanych do badań zderzeń płyt o podwyższonej temperaturze, wykazano, że metoda ta łagodzi kilka wyzwań eksperymentalnych opisanych powyżej. Na przykład, podejście to zostało wykorzystane do uzyskania kątów nachylenia mniejszych niż jeden miliradian bez konieczności zdalnej regulacji nachylenia30 lub dodatkowych elementów optycznych do monitorowania zmian nachylenia podczas eksperymentu. Po drugie, ponieważ płyta docelowa pozostaje w temperaturze otoczenia, metoda ta nie wymaga stosowania specjalnych odpornych na wysokie temperatury siatek holograficznych do pomiaru prędkości poprzecznych cząstek w eksperymentach z ukośnymi uderzeniami; Dodatkowo, wyższe prędkości uderzenia mogą być wykorzystane bez ryzyka uzyskania płytki docelowej, a tym samym zmniejszyć złożoność interpretacji wyników eksperymentalnych. Należy dodać, że podejście to można wykorzystać do przeprowadzania eksperymentów z odwróconą geometrią płyty w wysokiej temperaturze, które zapewniają relacje Us-Up dla wybranego materiału próbki. Można je uzyskać za pomocą technik dopasowywania impedancji lub dodatkowo analizy wentylatora rozrzedzającego z tylnej powierzchni próbki, który przenosi informacje dotyczące zmian prędkości uderzenia próbki podczas rozładunku33,34. W konfiguracji udarności płyty ciśnieniowo-ścinającej o podwyższonej temperaturze, podejście to umożliwia badanie dynamicznej nieelastyczności cienkich warstw do szerokiego zakresu temperatur i odkształceń plastycznych oraz szybkości odkształceń do 107/s w zależności od grubości cienkiej próbki16,27,29.

Przedstawimy protokoły niezbędne do przeprowadzenia typowego eksperymentu z uderzeniem w płytę o podwyższonej temperaturze, omówionego powyżej. Następnie zostanie poświęcona reprezentatywnym wynikom uzyskanym przy użyciu niniejszej techniki. Na koniec przed wnioskami zostanie przedstawiona dyskusja na temat wyników.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie próbki i materiału docelowego

UWAGA: W poniższym protokole szczegółowo opiszemy kroki niezbędne do przygotowania próbki i materiałów docelowych, które zostaną później wykorzystane w eksperymencie z odwróconą geometrią normalnego uderzenia płyty. W tej konfiguracji tabliczka ulotkowa (również próbka), umieszczona z przodu sabotu, zostanie wystrzelona za pomocą jednostopniowego pistoletu gazowego i uderzy w nieruchomą płytę celowniczą umieszczoną w komorze celowniczej pistoletu gazowego. Typowy zespół ulotki i tarczy celowniczej opisany w poniższym protokole jest pokazany schematycznie w Rysunek 1.

  1. Przekrój pręta z polikrystalicznego aluminium o czystości 99,999% na dyski, które później zostaną wykorzystane jako płytki ulotkowe (próbki).
    UWAGA: Można to zrobić za pomocą piły wolnoobrotowej, aby zapobiec wysokim temperaturom i naprężeniom szczątkowym w obrabianym przedmiocie.
  2. Tarcze próbek należy obrócić i obrócić na tokarce do średnicy 76 mm i grubości 5,6 mm.
  3. Wywierć trzy równomiernie rozmieszczone otwory o średnicy 5 mm w pogrubionym okręgu o średnicy 62 mm na dyskach z próbkami, które później posłużą do przymocowania próbek do sabotu.
  4. Zmielić obie strony płytek próbek, aby uzyskać tolerancję płaskości i równoległości wynoszącą prawie 10 μm na średnicy próbek.
    1. Wykonać zgrubne zakładkowanie na powierzchniach płytki próbki za pomocą komercyjnej maszyny do docierania o stosunkowo grubych cząstkach (10 - 20 μm).
      UWAGA: Na tym etapie można dodawać obciążnik, aż docierane powierzchnie osiągną równomierny matowy szary, wskazując jednorodność na całej średnicy dysku.
    2. Ostrożnie oczyść docierane próbki za pomocą etanolu w celu usunięcia wszelkich pozostałości cząstek i oleju mineralnego. Następnie wypoleruj obie powierzchnie płytek próbek za pomocą pasty diamentowej o grubości 1 μm na ściereczce polerskiej.
    3. Sprawdź płaskość próbek, obserwując pasma światła przez płaszczyznę optyczną stykającą się z powierzchnią będącą przedmiotem zainteresowania pod zielonym monochromatycznym źródłem światła16.
      UWAGA: Płaskość można określić ilościowo, obserwując krzywiznę jasnych pasm na powierzchni próbki lub zliczając liczbę pasm na średnicy, jak pokazano na Rysunek 2.
      1. Przejść do następnego kroku, jeśli na średnicy próbki widoczne są 3 lub mniej pasm światła, co wskazuje na płaskość około 2 μm. W przeciwnym razie powtarzaj kroki 1.4.1 - 1.4.3, aż do uzyskania 3 lub więcej jasnych pasm.
  5. Powtórz kroki 1.1 - 1.3, aby wyprodukować płyty docelowe. Przeciąć pręt ze stopu utwardzanego wydzieleniowo (o wysokiej wytrzymałości) (tabela materiałów) na krążki, a następnie obrobić je do średnicy 25 mm i grubości 7 mm. Na koniec zmielić obie strony płasko do około 10 μm.
    1. Docierać obie powierzchnie tarcz docelowych na docierarce za pomocą proszku tlenku glinu o grubości 15 μm w oleju mineralnym, aż powierzchnie uzyskają równomierny matowy szary wygląd.
      UWAGA: Można użyć równoważnej wielkości cząstek zawiesiny diamentowej, aby osiągnąć szybsze tempo usuwania i lepszą odblaskową powierzchnię. Dodatkowo można użyć obciążników.
    2. Powtórz krok 1.4.2.
    3. Sprawdź płaskość tabliczek docelowych, powtarzając krok 1.4.3. Jeśli zaobserwuje się 1 pasmo świetlne lub lepsze, przejdź do następnego kroku. W przeciwnym razie powtarzaj kroki 1.4.1 - 1.4.3, aż do uzyskania 1 pasma światła lub lepszego. Jeśli konieczne są siatki holograficzne, przejdź do kroku 1.5.4, w przeciwnym razie przejdź do kroku 1.6.
  6. Zastosuj podobną procedurę, jak opisano w krokach 1.1 - 1.3, aby wyprodukować aluminiowy pierścień.
    1. Rurę aluminiową o średnicy zewnętrznej i wewnętrznej należy podzielić odpowiednio na pierścienie, a następnie skierować boki na grubość 7 mm.
    2. Wywierć sześć rowków o średnicy 3 mm rozmieszczonych w równych odstępach na kołku śrubowym o średnicy 34.5 mm. Później będą one wyposażone w sześć miedzianych pinów spolaryzowanych napięciem, które umożliwią wykonywanie pomiarów nachylenia przy uderzeniu.
    3. Szlifuj, docieraj, czyść i poleruj obie powierzchnie aluminiowych pierścieni, korzystając z procedur opisanych w kroku 1.4.
  7. Przyklej płaską płytkę celowniczą do aluminiowego pierścienia za pomocą dwuczęściowej mieszanki epoksydowej na płaskim zestawie zabezpieczającym, jak pokazano na Rysunek 3. Pozostaw żywicę epoksydową do utwardzenia przez noc w temperaturze pokojowej.
    UWAGA: Obie części są przymocowane do płaskiego stalowego stolika za pomocą trzech, które są delikatnie dokręcane ręcznie, tak aby nacisk wywierany na cel i pierścień zapobiegał wyciekaniu żywicy epoksydowej na zewnątrz.
    1. Usuń resztki kleju z promieniowych szczelin lub z powierzchni płytek za pomocą acetonu.
    2. Włóż płytę docelową/aluminiowy pierścień do pierścienia POM.
      UWAGA: Tarcza POM zostanie później zamontowana na uchwycie tarczy o obrotowych stopniach swobody, co pozwoli na wyrównanie badanych materiałów w lufie pistoletu.
    3. Zaznacz położenie sześciu promieniowych rowków na wewnętrznym stopniu pierścienia POM i wywierć sześć otworów o dużej grubości w zaznaczonych miejscach.
    4. Przekrój 6 miedzianych kołków ze szpuli emaliowanego drutu miedzianego 15 AWG o długości ~ 50 mm i usuń emaliowaną warstwę izolacyjną z dwóch z nich. Wciśnij kołki w szczeliny w symetryczny sposób: dwa kołki uziemiające są umieszczone w przeciwnych miejscach kołka. Wciśnij kołki przez szczeliny i pozostaw około 2 mm wystające na zewnątrz z powierzchni pierścienia.
      UWAGA: Kołki służą do pomiaru kąta nachylenia i dostarczają sygnał spustowy.
    5. Przyklej wygięte końce miedzianych kołków do tylnej powierzchni pierścienia POM za pomocą bardzo szybkowiążącej żywicy epoksydowej.
    6. Użyj dwuskładnikowej mieszanki epoksydowej o niskiej lepkości, aby uszczelnić szczelinę między aluminiowym pierścieniem a wewnętrzną ścianką pierścienia POM. Pozostaw żywicę epoksydową do utwardzenia przez noc w temperaturze pokojowej.
  8. Usuń nadmiar 2 mm miedzianych kołków wystających z powierzchni aluminiowego pierścienia. Najpierw pokrój nadmiar kołków za pomocą narzędzia obrotowego, a następnie przeszlifuj pozostałą część do powierzchni za pomocą mokrego papieru ściernego o ziarnistości 300, aż kołki będą prawie równo z powierzchnią aluminiowego pierścienia.
    1. Obierz, wyczyść i wypoleruj cały zespół, powtarzając kroki 1.4.1-1.4.3. Upewnij się, że cały docierany zespół jest płaski z dokładnością do 2-3 pasków świetlnych.
    2. końce sześciu miedzianych kołków na tylnej powierzchni pierścienia POM i zamontuj pierścień POM do uchwytu docelowego za pomocą czterech kołków POM o średnicy 6.35 mm.

2. Montaż niestandardowego Sabota żaroodpornego

  1. Zbierz elementy montażowe żaroodpornego sabotu, pokazane na Rysunek 4.
  2. Przymocuj oczkową na dolnym końcu aluminiowej nasadki i zabezpiecz pierścień uszczelniający o przekroju okrągłym oraz klucz PTFE w rowkach nasadki.
    UWAGA: Klucz i O-ring służą do zapobiegania przechylaniu się i obracaniu sabotu podczas jego ruchu w dół lufy pistoletu.
    1. Przeciągnij przewód termopary przez otwór w dolnej części nasadki i przymocuj przewód termopary do złącza.
  3. Przyklej nasadkę do tyłu, a w pełni wypaloną rurkę lawowo-krzemianową z tlenku glinu do przedniego końca aluminiowej rurki za pomocą dwuczęściowej szybkowiążącej żywicy epoksydowej.
  4. Przeciągnij sondę termopary przez otwór w uchwycie na próbkę ze stopu stali narzędziowej H13 o średnicy 76.2 mm.
  5. Przyklej uchwyt próbki H13 do przedniego końca rurki lawowej za pomocą cementu wysokotemperaturowego lub równoważnego kleju wysokotemperaturowego.
  6. Nałożyć cement wysokotemperaturowy wokół krążka lawy o średnicy 25 mm i grubości 3 mm umieszczonego na wierzchu wewnętrznego koncentrycznego otworu o średnicy 19 mm w uchwycie H13. Pozostaw cement o wysokiej temperaturze do wyschnięcia przez noc w temperaturze pokojowej.
  7. Przymocować próbkę do uchwytu próbki H13 za pomocą trzech z tlenku glinu i upewnić się, że płaskość próbki nie ulega zmianie, stosując protokół opisany w ppkt 1.4.3.

3. Montaż materiałów testowych w pistolecie gazowym

  1. Oczyść przednią powierzchnię próbki i celu alkoholem izopropylowym, a następnie użyj taśmy, aby przymocować lustra pierwszej powierzchni do powierzchni każdego z nich.
  2. Przykręć 3-osiowy stage ruchu do pręta wytłaczającego nad lufą pistoletu w komorze uderzeniowej i przymocuj uchwyt pryzmatu z precyzyjnym pryzmatem optycznym do stolika.
  3. Przeciągnij linę przez lufę pistoletu i przymocuj linę do sabotu za pomocą oczkowej na aluminiowej nasadce.
  4. Umieść sabot w lufie pistoletu z próbką skierowaną w stronę komory uderzeniowej i umieść zespół uchwytu tarczy w komorze celowniczej skierowanej w stronę próbki.
  5. Wyrównaj położenie celu, regulując cztery kołki pozycjonujące POM, aż lustro pierwszej powierzchni na celu zostanie wyrównane z lustrem pierwszej powierzchni na próbce.
    1. Wykonaj zgrubne wyrównanie równoległości między próbką a płytkami docelowymi za pomocą dyfuzyjnej żarówki i lustra odblaskowego. Dostosuj stolik, aż ze wszystkich powierzchni pryzmatu wyrównującego będzie widoczny pojedynczy ciągły odbity obraz żarówki.
  6. Użyj automatycznego kolimatora24, aby uzyskać dokładne wyrównanie.
    1. Dostosuj stolik, aż odbity obraz krzyża od tylnej powierzchni pryzmatu zrówna się z obrazem odbitym od lustra pierwszej powierzchni na próbce.
    2. Wyreguluj zespół tarczy, obracając pozycjonujące na uchwycie tarczy, aż odbity obraz krzyża z tylnej powierzchni pryzmatu zrówna się z obrazem odbitym od lustra pierwszej powierzchni na tarczy.
  7. Usuń lustra pierwszej powierzchni z próbki i celu. Wyjmij również lustro odblaskowe, pryzmat, uchwyt pryzmatu i stopień regulacji z komory uderzeniowej.
  8. Pociągnij sabot do końca zamka pistoletu gazowego za pomocą liny, a następnie zdejmij linkę z nasadki.
  9. Pozostawić ~ 2,5 mm odstępu między sabotem a głowicą grzałki i odpowiednio wyregulować długość zapobiegających ruchowi wstecznemu sabotu w kierunku zamka.
  10. Podłącz parę termiczną do monitora diagnostycznego temperatury.
    UWAGA: Przewód pary termicznej na końcu monitora temperatury został wprowadzony do lufy przez rurę próżniową za pomocą przepustu.

4. Rozmieszczenie i wyrównanie diagnostyki laserowej

  1. Umieść dwie gwintowane kotwy w otworach z tyłu uchwytu sondy wyciągu okularowego. Dokręć dwie przez kotwy, aż dotrą do POM, aby umożliwić swobodną zmianę kąta padania wiązki.
    1. Wywierć otwór o dużej grubości w dolnej części uchwytu sondy wyciągu okularowego i przymocuj go do gwintowanego magnesu cylindrycznego.
    2. Przeciągnij sondę wyciągu okularowego światłowodu przez aluminiową rurkę i przyklej sondę do aluminiowej rurki, nakładając bardzo szybko utrwaloną żywicę epoksydową wokół głowicy sondy i końcówki aluminiowej rurki. Wciśnij głowicę sondy jak najbardziej do przodu w tubus, ale upewnij się, że soczewka sondy nie jest dostępna z dala od żywicy epoksydowej. Poczekaj, aż bardzo szybko wiążąca żywica epoksydowa stwardnieje.
    3. Podłączyć wyciąg okularowy do całkowicie światłowodowego interferometru NDI/TDI31 i umieścić wyciąg okularowy na uchwycie tarczy, kierując się w stronę tylnej powierzchni tarczy.
  2. Włącz laser, w tym przypadku laser sprzężony z włóknem erbowym o mocy 2 W, na 0,2-0,4 W. Następnie wyreguluj położenie sondy wyciągu okularowego za pomocą przymocowanych do zespołu wyciągu okularowego, aż do uzyskania prawidłowego sprzężenia światła i optymalizacji uzyskanego sygnału.
  3. Dostosuj sprzęgacz o zmiennym przełożeniu, aby dopasować go do intensywności światła odniesienia i światła przesuniętego dopplerowsko, aż sygnał wyświetlany w oscyloskopie zostanie zoptymalizowany.
    UWAGA: Jeśli potrzebna jest diagnostyka ruchu poprzecznego, zapoznaj się z krokami 4.5 - 4.6.
  4. Umieść dwie gwintowane kotwy w otworach z tyłu uchwytu wyciągu okularowego POM, a następnie dokręć dwie przez kotwy, aż dotkną POM.
    1. Wywierć otwór o dużej grubości w dolnej części uchwytu sondy wyciągu okularowego i przymocuj go do gwintowanego magnesu cylindrycznego.
    2. Przeciągnij sondę kolimatora światłowodowego przez aluminiową rurkę i przyklej sondę do aluminiowej rurki, nakładając wyjątkowo szybko wiążącą żywicę epoksydową wokół głowicy sondy i końcówki aluminiowej rurki. Wciśnij głowicę sondy jak najbardziej do przodu w tubus, ale upewnij się, że soczewka sondy nie jest dostępna z dala od żywicy epoksydowej. Poczekaj, aż bardzo szybko wiążąca żywica epoksydowa stwardnieje.
    3. Powtórz powyższe kroki w ppkt 4.4, aby wykonać dwa zespoły i umieścić je w komorze udarowej.
  5. Dostosuj pozycje i kąty odbierających kolimatorów światłowodowych za pomocą magnesu i dwóch na uchwycie POM, aż intensywność wiązek dyfrakcyjnych pierwszego rzędu mierzonych przez monitory mocy zostanie zoptymalizowana.
  6. Odłącz monitor zasilania i podłącz dwa kolimatory odbiorcze do interferometru TDI w całości światłowodowego31.

5. Wykonywanie eksperymentów z odwróconą geometrią w wysokiej temperaturze, normalną/ciśnieniowo-ścinającą płytą

  1. Zabezpiecz kołnierz główny, dokręcając cztery zaciski przy wejściu do komory uderzeniowej, a następnie zamknij komorę za pomocą folii poliestrowej przykręconej do kołnierza wtórnego.
  2. Zwiększyć ciśnienie uszczelnienia do ~207 kPa, a następnie zamknąć pistolet gazowy na końcu zamka, dokręcając w kołnierzu.
  3. Włącz pompę próżniową po stronie zamka, a następnie włącz docelową pompę próżniową po stronie komory.
  4. Upewnij się, że nie ma ruchu sabotu w kierunku komory spowodowanego różnicą ciśnień między przodem a tyłem sabotu. Poczekaj, aż komora zostanie opróżniona do ciśnienia poniżej 100 mTorr.
  5. Włącz sabotowy system pomiaru prędkości uderzenia oparty na amplitudzie lasera.
  6. Przesuń grzejnik w dół do zaznaczonej pozycji i włącz grzejnik. Zwiększać temperaturę grzałki w krokach co 100 °C, aż do osiągnięcia żądanej temperatury próbki.
  7. Zwiększyć ciśnienie w komorze zrzutowej wypalania do ~1103 kPa, a w komorze załadowczej do pożądanego poziomu w zależności od wybranej prędkości uderzenia. Przymocuj również łapacz sabotu do komory uderzeniowej.
  8. Wyłącz grzejnik i natychmiast przesuń grzejnik do góry w kierunku studzienki grzałki. Zapisz temperaturę wyświetlaną na monitorze diagnostycznym temperatury, mierzoną przez termoparę sabotową na powierzchni próbki.
  9. Natychmiast otwórz zawór uszczelniający i zwolnij komorę zrzutu wypalania, gdy ciśnienie uszczelnienia spadnie do zera.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Jednostopniowe działo gazowe o średnicy 82,5 mm i długości 6 m w CWRU, zdolne do rozpędzania pocisków o masie 0,8 kg do prędkości do 700 m/s, zostało użyte do przeprowadzenia obecnych eksperymentów. Rysunek 5 pokazuje zdjęcie zmodyfikowanego zakładu produkującego broń gazową w CWRU. Przed odpaleniem specjalnie zaprojektowany sabot jest umieszczony w przedłużeniu grzałki, pokazanym na Rysunek 6. Element przedłużający przenosi pion...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Metoda i protokół przedstawione powyżej szczegółowo opisywały procedurę prawidłowego przeprowadzenia eksperymentu z odwróconą geometrią normalnego uderzenia płyty w podwyższonych temperaturach. W ramach tego podejścia dokonujemy niestandardowych modyfikacji lufy pistoletu na końcu wysokiego ciśnienia (zamka) istniejącego pistoletu gazowego na Uniwersytecie Case Western Reserve, aby pomieścić rezystancyjną cewkę grzejną o osiowych i obrotowych stopniach swobody. System rezystancyjnej cewki grzewczej umożliwia podgrzanie c...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy pragną podziękować za finansowe wsparcie Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych za pośrednictwem Stewardship Science Academic Alliance DOE/NNSA (DE-NA0001989 i DE-NA0002919) w prowadzeniu tych badań. Na koniec autorzy chcieliby podziękować Los Alamos National Lab za współpracę na rzecz kontynuowania wysiłków w obecnych i przyszłych badaniach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
99,999% czystości handlowej polikrystaliczne aluminiumGoodfellowAL007970Materiał na tabliczkę ulotki (próbka)
Stal narzędziowa H13Centrum Produkcyjne CWRUNIE DOTYCZYMateriał na uchwyt próbki
Leczenie roztworem i starzenie Stop Inconel 718Metale wysokotemperaturoweNie dotyczy1,005 / 1,015)" Dia x 24 ", Materiał na tabliczkę docelową
Fotorezystor S1805MicroChemN/AMateriał fotorezystu do siatki holograficznej
Developer CD-26MicroChemN/ADeveloper do fotorezystu do siatki holograficznej
Rura aluminiowa 6063McMaster-Carr4568T19Materiał na pierścień w zespole docelowym
Delrin (R) Pręt z żywicy acetalowej (średnica 4-1/2")McMaster-Carr8576K81Materiał na uchwyt Delrin w zespole tarczowym
Biały pręt z żywicy acetalowej Delrin (R) (średnica 1/4")McMaster-Carr8572K51Materiał na kołki Delrin w zespole docelowym
Rura aluminiowa 6061McMaster-Carr9056K24Materiał na korpus w zespole pocisku
Pręt aluminiowy 6061McMaster-Carr8974K88Materiał na nasadkę w zespole pocisku
Arkusz teflonowyMcMaster-Carr8711K98Materiał na klucz
LAVA-FF - tlenek glinu Tarcza silikatowaProdukty techniczneCWR-033116-1
LAVA-FF - Rurka z tlenku glinuProdukty techniczneALR11515
Śruba z rowkowym z tlenku glinuCeramcoA83200PANSLT0.500
409 N70 O-ring Buna-NSklep z o-ringamiB70409
Klej Loctite Hysol 9412Loctite83107
High Cementy temperaturoweOMEGA EngineeringOB-300
Bardzo szybkowiążąca żywica epoksydowaEllsworth4001
Arkusz MylarMcMaster-Carr8567K94
(

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Davies, R. M. A critical study of the Hopkinson pressure bar. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 240, 375-457 (1948).
  2. Kolsky, H. An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading. Proceedings of the Physical Society. Section B. 62, 676(1949).
  3. Gilat, A., Cheng, C. -S. Torsional split Hopkinson bar tests at strain rates above 104s− 1. Experimental Mechanics. 40, 54-59 (2000).
  4. Harding, J., Wood, E., Campbell, J. Tensile testing of materials at impact rates of strain. Journal of Mechanical Engineering Science. 2, 88-96 (1960).
  5. Clifton, R. J., Klopp, R. W. Pressure-shear plate impact testing. Metals handbook. 8, 230-239 (1985).
  6. Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. Mechanical Response of 99.999% Purity Aluminum Under Dynamic Uniaxial Strain and Near Melting Temperatures. International Journal of Impact Engineering. 113, 180-190 (2017).
  7. Wang, T., Zuanetti, B., Prakash, V. Shock Response of Commercial Purity Polycrystalline Magnesium Under Uniaxial Strain at Elevated Temperatures. Journal of Dynamic Behavior of Materials. 3, 497-509 (2017).
  8. Dike, S., Wang, T., Zuanetti, B., Prakash, V. Dynamic Uniaxial Compression of HSLA-65 Steel at Elevated Temperatures. Journal of Dynamic Behavior of Materials. 3, 510-525 (2017).
  9. Okada, M., Liou, N. -S., Prakash, V., Miyoshi, K. Tribology of high speed metal-on-metal sliding at near-melt and fully-melt interfacial temperatures. Wear. 249, 672-686 (2001).
  10. Prakash, V., Clifton, R. J. Fracture Mechanics: Twenty Second Symposium (vol. 1). , Astm Special Technical Publication. (1992).
  11. Prakash, V., Mehta, N. Uniaxial Compression and Combined Compression-and-Shear Response of Amorphous Polycarbonate at High Loading Rates. Polymer Engineering and Science. 52, 1217-1231 (2012).
  12. Lee, Y., Prakash, V. Dynamic fracture toughness versus crack-tip speed relationship at lower than room temperature for high strength 4340VAR structural steels. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 46, 1943-1967 (1998).
  13. Lee, Y., Prakash, V. Dynamic brittle fracture of high strength structural steels under conditions of plane strain. International Journal of Solids and Structures. 36, 3293-3337 (1999).
  14. Yuan, F., Prakash, V., Lewandowski, J. J. Shear yield and flow behavior of a Zirconium-based bulk metallic glass. Mechanics of Materials. 42, 248-255 (2010).
  15. Shazly, M., Prakash, V., Draper, S. Mechanical behavior of Gamma-Met PX under uniaxial loading at elevated temperatures and high strain rates. International Journal of Solids and Structures. 41, 6485-6503 (2004).
  16. Klopp, R., Clifton, R., Shawki, T. Pressure-shear impact and the dynamic viscoplastic response of metals. Mechanics of Materials. 4, 375-385 (1985).
  17. Arvidsson, T. E., Gupta, Y., Duvall, G. E. Precursor decay in 1060 aluminum. Journal of Applied Physics. 46, 4474-4478 (1975).
  18. Gilat, A., Clifton, R. Pressure-shear waves in 6061-T6 aluminum and alpha-titanium. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 33, 263-284 (1985).
  19. Barker, L., Hollenbach, R. Shock wave study of the α⇄ε phase transition in iron. Journal of Applied Physics. 45, 4872-4887 (1974).
  20. Shazly, M., Prakash, V. Shock response of a gamma titanium aluminide. Journal of Applied Physics. 104, 083513(2008).
  21. Yuan, F., Prakash, V., Lewandowski, J. J. Spall strength and Hugoniot elastic limit of a Zirconium-based bulk metallic glass under planar shock compression. Journal of Materials Research. 22, 402-411 (2007).
  22. Yuan, F. P., Prakash, V., Lewandowski, J. J. Spall strength of a zirconium-based bulk metallic glass under shock-induced compress ion-and-shear loading. Mechanics of Materials. 41, 886-897 (2009).
  23. Prakash, V. A pressure-shear plate impact experiment for investigating transient friction. Experimental Mechanics. 35, 329-336 (1995).
  24. Kumar, P., Clifton, R. Optical alignment of impact faces for plate impact experiments. Journal of Applied Physics. 48, 1366-1367 (1977).
  25. Prakash, V. Time-resolved friction with applications to high speed machining: experimental observations. Tribology Transactions. 41, 189-198 (1998).
  26. Frutschy, K., Clifton, R. High-temperature pressure-shear plate impact experiments using pure tungsten carbide impactors. Experimental mechanics. 38, 116-125 (1998).
  27. Frutschy, K., Clifton, R. High-temperature pressure-shear plate impact experiments on OFHC copper. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 46, 1723-1744 (1998).
  28. Zaretsky, E., Kanel, G. I. Effect of temperature, strain, and strain rate on the flow stress of aluminum under shock-wave compression. Journal of Applied Physics. 112, 073504(2012).
  29. Grunschel, S. E. Pressure-shear plate impact experiments on high-purity aluminum at temperatures approaching melt. , Brown University. (2009).
  30. Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. A Novel Approach for Plate Impact Experiments to Determine the Dynamic Behavior of Materials Under Extreme Conditions. Journal of Dynamic Behavior of Materials. 3, 64-75 (2017).
  31. Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. A compact fiber optics-based heterodyne combined normal and transverse displacement interferometer. Review of Scientific Instruments. 88, 033108(2017).
  32. Zuanetti, B., Wang, T., Prakash, V. Mechanical response of 99.999% purity aluminum under dynamic uniaxial strain and near melting temperatures. International Journal of Impact Engineering. 113, 180-190 (2018).
  33. Duffy, T. S., Ahrens, T. J. Compressional sound velocity, equation of state, and constitutive response of shock-compressed magnesium oxide. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 100, 529-542 (1995).
  34. Tan, Y., et al. Hugoniot and sound velocity measurements of bismuth in the range of 11-70 GPa. Journal of Applied Physics. 113, 093509(2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Elevated Temperature Plate ImpactPressure Shear ExperimentsBreech end Sabot HeaterGas Gun ModificationsPhotonic Doppler VelocimeterReverse Geometry ImpactThermal Softening AnalysisHigh Temperature Materials TestingDynamic Material CharacterizationCustom Sabot Assembly

Powiązane artykuły