通过枪膛末端弹托加热系统开展高温常压及高压-剪切耦合平板冲击实验

一个备受关注的问题是：金属的动态剪切抗力如何响应压力和施加应变率的变化？在动态材料表征领域及其他相关领域，这一重要问题可通过本技术得到解决，同时该方法还能有效减少传统方法中存在的多种实验变异来源。尽管该方法主要设计用于研究材料在高温下的压缩和/或剪切抗力，但它也可应用于动态滑移和层裂等其他研究。

凯斯西储大学的气炮为单级气炮，长度为六米，孔径为82.5毫米。其中一段包含针对本实验对气炮进行的定制改装，这些改装在此示意图中展示。

加热系统与现有的枪管相配合，可将固定在定制耐热弹托前端的样品加热至超过1000摄氏度的所需温度。在靶室端还进行了额外的改造，其中配备了一台光子多普勒测速仪探头，用于精确测量靶板背面的运动速度。

触发和倾斜诊断信号来自靶板前表面的电压偏置引脚。第一步是为实验制备样品和靶材。使用高纯度多晶铝制备样品。

等距分布的孔用于固定样品。现在检查表面平整度。将样品与光学平晶接触，然后将两者置于绿色单色光源下。

观察因表面特征而呈现弯曲且间距不等的亮带。若在整个样品直径范围内可见三条或更少的亮带，则表明表面足够平整。本实验还需要一个靶板和一个铝环。

使用沉淀硬化合金棒材加工目标板。从铝管上截取环状部件，钻出六个等间距的槽，然后进行抛光。将目标板与铝环组装在一起，形成类似于此处所示的组件。

接下来将组件安装到靶材支架环上。完成后，该组件将包含用于连接触发和倾斜诊断电路的铜针。将环固定在靶材支架上。

收集耐热弹托的各个组件，包括样品 holder、样品和氧化铝螺丝。此外还包括氧化铝硅酸盐熔岩管以及带端盖的铝制主体管。

现在处理盖子。盖子上有一个吊环螺栓，其凹槽内装有密封用的O形圈和聚四氟乙烯（PTFE）键。

将热电偶导线从其底部穿过。使用环氧树脂将盖子粘附在铝管的后端。在铝管的前端用环氧树脂固定玄武岩管。

将热电偶导线从端盖穿过管道引至样品台，并将样品台粘附到熔岩管上。待水泥干燥后，使用氧化铝螺钉将样品固定在样品台上。在继续操作前，确保样品前表面的平整度未发生变化。

现在开始在冲击室中操作气体枪。在枪管上方的杆上安装一个三轴运动平台。将带有精密光学对准棱镜的棱镜支架固定在该平台上。

接下来，将一个前表面镜贴在样品板上。然后将弹托和枪管定位，使样品朝外。在靶室处，将一个前表面镜放置在靶上，并安装好靶 holder 组件。

小心旋转棱镜，使其位于目标板和样品板及其反射镜之间。使用漫射灯泡对各板进行粗略对准。调节载物台，使棱镜所有表面均反射出灯泡单一且连续的像。

借助自准直仪进行精细对准。拧紧靶座上的所有定位螺钉，并移除运动平台、棱镜和反射镜。将弹托移至气枪的后膛端，并将热电偶连接到温度监测仪上。

此时设置多普勒测速仪。这需要将光纤聚焦探头用环氧树脂固定在铝管内。将光纤聚焦器连接至全光纤式 NDI TDI 干涉仪。

现在将调焦组件移至目标支架。此支架位于靶室外部，用于演示。使用后端的附着部分来支撑调焦组件。

将聚焦器对准靶材的后表面。打开激光器，利用聚焦组件上的螺丝调节聚焦探针的位置。在实现适当的光耦合和信号优化后停止调节。

调节可变分光比耦合器，使参考光与多普勒频移光的强度匹配，以优化信号。完成所有准备工作后，密封靶室，并将枪管抽真空至低于100毫托。将加热器移至指定位置并开启。

以100摄氏度为增量逐步升高温度，直至达到所需的样品温度。对发射废料室和装载室加压。同时务必确保将弹托捕集器固定到撞击室上。

一切准备就绪后，关闭加热器并立即将其向上移动至加热井位置。记录热电偶在样品表面处的温度。随后继续执行正常的烧结程序。

这是典型反向几何法正常平板撞击实验中电压随时间变化的记录示例。红色曲线为基于电压的探针产生的触发信号。第一个和最后一个探针触发时间之间的差异可用于估算撞击时的最大倾斜角。

一束纵波到达背面。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所得到的结果。该图显示了在不同温度下自由表面法向速度的变化情况。

数据符号的颜色从黑色到红色，代表初始样品温度从最低到最高。初始的急剧上升与冲击演化过程中铝样品在靶材界面处所受的应力有关。平台阶段是样品与靶材之间阻抗匹配的结果。

需要注意的是，最高的自由表面速度对应于最低的温度，且速度随温度升高而降低。这表明样品在不同测试条件下可能存在热软化现象。一个更有趣的结果如图16所示，该图显示了对商用纯度多晶镁进行反向几何法正向平板撞击实验所获得的自由表面法向粒子速度时程曲线。

结果显示，在23至610摄氏度的温度范围内，冲击平台区的粒子速度随温度升高呈单调递减趋势。然而，当温度超过此范围，即达到617和630摄氏度时，该趋势出现明显反转。粒子速度的增加表明样品材料的冲击阻抗有所提高。

此外，假设材料的弹性常数随温度升高而降低，则此处冲击阻抗的增加表明样品材料的屈服强度和/或塑性模量有所提高。可以看出，粒子速度在冲击平台阶段的增加伴随着粒子速度曲线初始上升阶段整体速度水平的提升，这与样品材料发生初始塑性变形时样品靶界面处的应力水平相关。图17展示了测试后试样冲击表面横截面的显微照片。

图像显示，随着温度升高，微观结构呈现出两种显著效应。首先是随着样品温度升高而发生的晶粒熟化。图像还显示孪晶带结构发生了变化。

仔细观察对应温度从23至500摄氏度的图像，可发现随着温度升高，孪晶带明显减少。然而，在较高温度下（即610、617和630摄氏度），这些孪晶带重新出现，表明在此温度范围的较高端更有利于孪晶带的形成。如果测试材料已准备就绪，一旦掌握该技术，整个过程大约需要五到六小时即可完成。

在进行该实验操作时，重要的是要注意妥善制备样品材料，以充分满足平面度和平行度的公差要求。在完成本实验步骤的基础上，还可开展类似的方法，例如斜板冲击和压力剪切板冲击实验，从而能够在不同加载速率和加载模式下研究材料的动态力学行为。观看本视频后，您应能够充分掌握如何开展高温板冲击实验，该方法可有效克服传统实验方法中存在的多项技术难题。