DIE INVLOED VAN DIE MATERIAALEIENSKAPPE
OP DIE MEGANIESE VERVORMING
VAN DIE M82-ONTSTEKER.
Cornells Johannes Hermanus Oosthuizen
Verhandeling ingedien ter gedeeltelike vervulling
van die vereistes vir die graad
Magister in Meganiese en Materiaal Ingenieurswese
aan die Skool vir Meganiese en Materiaal
Ingenieurswese van die Potchefstroomse Universiteit
vir Christelike Hoer Onderwys.
Studieleier: Prof J Markgraaff.
Potchefstroom
2004
OPSOMMING
Hierdie studie het dit ten doel gehad om die bydrae van die materiaaleienskappe tot die meganiese vervorming van die M82-ontsteker te bepaal. Die vervorming van die ontsteker gee aanleiding tot die vassit van die ontsteker, na afvuur van die skoot, wat die outomatiese herlaai van die kanon verhoed. Die handhawing van hoe vuurtempo's is 'n vereiste vir hedendaagse wapenstelsels.
Verskillende eienskappe van die materiaal, naamlik mikrostruktuur, treksterkte (by lae en hoe vervormingtempo's), hardhede en loodverspreiding is bepaal.
Ontstekers is uit die materiaal vervaardig en tydens 'n dinamiese proef in die Eagle-wapenstelsel geevalueer. Die ontstekers is na die proef opgemeet, en die metallurgiese en meganiese eienskappe is geevalueer.
Die gevolgtrekking wat gemaak word, is dat die meganiese vervormings wat plaasvind, tydens die afvuur van 'n skoot, nie spesifiek aan die materiaaleienskappe van die ontsteker toegeskryf kan word nie, maar eerder aan die interaksie tussen die hooflading en die ondersteuningstelsel van die ontsteker in die wapen. Die enigste materiaaleienskap wat wel 'n bydrae kan lewer tot die vassit, is die feit dat die CZ124 geelkoperlegering se treksterkte verlaag by hoe vervormingstempo's.
SYNOPSYS
The aim of this study was to determine the contribution of the material properties towards the mechanical deformation of the M82 igniter. This deformation causes the non-extraction of the igniter after a shot has been fired, preventing the automatic reloading of the weapon, causing a low rate of fire. A high rate of fire support is a crucial requirement in modern warfare.
Different characteristics of the material namely; microstructure, tensile tests (at quasi static and high strain rates), hardness and lead distribution were investigated.
Igniter components were manufactured from the investigated material, assembled and tested dynamically at Alkantpan in the Eagle weapon. After the proof the igniters were measured, cut in half and the metallurgy and the mechanical properties were investigated.
The final conclusion reached at the end of the study was that the material properties, except for the fact that the Brass CZ124 tends to have a lower UTS at high strain rates, has no contribution to the mechanical deformation of the igniter. The mechanical deformation of the igniter was caused by an interaction between the main charge and the spindle.
DANKBETUIGINGS
Die volgende persone word hartlik bedank vir hul bydrae tot die suksesvolle voltooiing van hierdie studie.
Schalk Stapelberg, Naschem, vir al die hulp, gesprekke en ondersteuning tydens die projek.
Die lede van die M82 Tegniese Komitee, in besonder Thys Kruger en Friedel Wortmann, met die besprekings van die resultate en uitvoering van die dinamiese proewe te Alkantpan.
Johan Marais, Hoof Meganiese Ingenieur Naschem, vir sy ondersteuning tydens die projek.
Gert Kotze en Bertus Smit, Flamengro, vir die uitvoering van die Eindige Element Analises.
Dr Frans Venter, Naschem, vir sy hulp en ondersteuning. Dr Louwrens Tiedt, Noordwes-Universiteit vir die SEM-werk.
Trevor Cloete, Departement Meganiese Ingenieurswese, Universiteit van Kaapstad vir die uitvoering van die hoe vervormingstempo-toetse.
Dr. Christo Grobler, LIW konsultant, vir die besprekings, die gebruik van sy evaluerings-data en foto's uit die ondersoek.
Professor J Markgraaff van die Noordwes-Universiteit, vir sy bydrae en al die motiverende gesprekke, ten einde hierdie studie te kon voltooi.
My vrou Wilna en kinders, Corne en Estie, vir hulle ondersteuning, selfs al was dit moeilik; baie dankie.
Fanie Postma vir die taalversorging van die dokument.
Laastens, maar nie die minste nie, alle dank en eer aan my God wie my die krag gegee het om hierdie studie te kon aanpak en te kon voltooi!
DIE INVLOED VAN DIE MATERIAALEIENSKAPPE
OP DIE MEGANIESE VERVORMING
VAN DIE M82-ONTSTEKER
INHOUDSOPGAWE
HOOFSTUK1 1 INLEIDING 1 1.1 AGTERGROND 1 1.2 DOELSTELLINGS 6 1.3 O N T P L O O I I N G VAN DIE N A V O R S I N G S V E R S L A G 7 HOOFSTUK2 2 INLEIDING 82.1 INTERNE V E R S L A E VAN VORIGE ONDERSOEKE 8
2.1.1 ONDERSOEKE VANAF 1983 TOT 1999 8
2.1.2 ONDERSOEKE VANAF 2000 13 2.1.2.1 EINDIGE E L E M E N T A N A L I S E S 15 2.1.2.2 LOSVOOR CANDY-BAANPROEF A L K A N T P A N 22 2.2 SAMEVATTING 23 H O O F S T U K 3 3 INLEIDING 25
3.1 ONDERSOEKVAN DIE MATERIAALEIENSKAPPE 25
3.1.1 TREKTOETSE OP ONTSTEKERMATERIAAL 26
3.1.2 MiKROSTRUKTURELE-ONDERSOEKVAN DIE MATERIAALMONSTERS 26
3.2.1 " S P L I T HOPKINSON PRESSURE B A R " EKSPERIMENTELE PROSEDURE
(SHPB) 28 3 . 2 . 1 . 1 K A L I B R A S I E VAN DIE APPARAAT 2 9
3 . 2 . 1 . 2 ULTVOERVAN'N S H P B - E P S P E R I M E N T 3 0 3.2.1.3 " D I R E C T IMPACT HOPKINSON PRESSURE BAR"-EKSPERIMENTELE
PROSEDURE ( D I H B ) 3 1
3 . 3 DLNAMIESE PROEF TE A L K A N T P A N 3 3
3.3.1 S A A M S T E L V A N DIE ONTSTEKERS VIR DIE EAGLE-PROEF 33
3.3.2 PROEFSKEDULE 35 3.4 SAMEVATTING 36 H O O F S T U K 4 4 INLEIDING 3 7 4 . 1 MATERIAALONDERSOEKRESULTATE 3 7 4 . 1 . 1 A/LETALLURGIESEONDERSOEK 3 7 4 . 1 . 1 . 1 C H E M I E S E S A M E S T E L L I N G S V A N GEELKOPERLEGERINGS 3 9
4 . 1 . 1 . 2 MLKROSTRUKTUUR VAN DIE GEELKOPERLEGERINGS 4 0
4 . 1 . 1 . 3 MATERIAALHARDHEDE 4 7 4 . 1 . 1 . 4 LOODVERSPREIDING 4 9 4 . 1 . 2 KWASI-STATIESE TREKTOETSE 5 2 4 . 2 HOEVERVORMINGSTEMPOTOETSE 5 6 4.2.1 " S P L I T HOPKINSON PRESSURE B A R " - T O E T S E 57 4 . 2 . 1 . 1 K A L I B R A S I E VAN DIE S H P B - A P P A R A A T 5 7 4.2.1.2 " S P L I T HOPKINSON PRESSURE BAR"-EKSPERIMENTE EN RESULTATE 62
4.2.2 " D I R E C T IMPACT HOPKINSON PRESSURE B A R " - E K S P E R I M E N T E 63
4 . 2 . 2 . 1 K A L I B R A S I E VAN DIE D I H B - A P P A R A A T 6 3 4.2.2.2 " D I R E C T IMPACT HOPKINSON B A R " - E K S P E I M E N T E EN RESULTATE 64
4.3 DINAMIESE ONDERSOEKRESULTATE 73
4.3.1 G R O E P T W N - LADING 2+2+BB 74
4.3.2 G R O E P T W S - LADING 3 80
4.3.3 GROEP T W U - LADING 3 + B B 83
4.3.4 OPSOMMING EN GEVOLGTREKKING VAN DINAMIESE PROEFRESULTATE. 86
4.4 SAMEVATTING 91 HOOFSTUK5 5 INLEIDING 93 5.1 EVALUASIE 93 5.1.1 MATERIAALEIENSKAPPE 93 5.1.2 ONTSTEKERVERVORMING 94 5 . 2 GEVOLGTREKKING 9 4 5.3 A A N B E V E L I N G V I R V E R D E R E S T U D I E 95 5.4 SAMEVATTING 95 H O O F S T U K 6 6 BRONNELYS 96 BYLAE
BYLAAG 1 : ROUMATERIAALSPESIFIKASIE VAN BUITE KOMPONENTMATERIAAL EN
AANVAARDINGSERTIFIKAAT VAN BUITE KOMPONENT 100
BYLAAG 2 : ALKANTPANPROEFSKEDULE 103
BYLAAG 3 : SHPB EN DIHB-TOETSMETODESEINVERWERKINGSMETODIEK 106
LYS VAN TABELLE
TABEL 1 :
TABEL 2 :
TABEL 3 :
TABEL 4 :
TABEL 5 :
TABEL 6 :
TABEL 7 :
TABEL 8 :
TABEL 9 :
TABEL 10
S E M - A N A L I S E S VAN GEELKOPERLEGERINGS. GEELKOPERLEGERINGKORRELGROOTTES EN HARDHEDE. ONTSTEKERMATERIAAL TREKTOETSRESULTATE 39 41 54GEMIDDELDE EN STANDAARDAFWYKING VAN TREKTOETSRESULTATE 55
H P B EN D I H B - K A L I B R A S I E EN MATERIAALDATA 6 1
MIKROHARDHEDE (VICKERS) VAN ONTSTEKERS WAT BESPREEK WORD.
O P S O M M I N G VAN DINAMIESE PROEFRESULTATE
PROEFSKEDULE 25-27 FEBRUARIE 2003.
AKKURAATHEIDSPENMETINGS MET S H A D O W G R A P H .
ONTSTEKEROPMEETDATAVAN DINAMIESE PROEF.
73 87 104 116 118
LYS VAN FIGURE
F I G U U R 1 : 'n SKEMATIESE DEURSNIT VAN DIE M82-ONTSTEKER WAT DIE VERSKILLENDE
SUBKOMPONENTEAANDUI , 1 F I G U U R 2 : SKEMATIESE SKETS WAT D I E P O S I S I E V A N D I E O N T S T E K E R , O M K R I N G , I N D I E
KANONLOOPSTELSELAANDUI . 3
FIGUUR 3: OOPSLUITERFOTO VAN 'n M 8 2 - O N T S T E K E R V L A M (VLAMLENGTE ±1 .OM) 3
F I G U U R 4 : 'n TlPIESE D R U K T Y D K R O M M E E N E E R S T E A F G E L E I D E VAN DIE BASISDRUK, s o o s
GEMEETIN'n 155MM LADINGKAMER 4
F I G U U R 5 : D I E LOSVOOR/KINGFISHER-SELFAANGEDREWE WAPENSTELSEL (52 KALIBER
LOOP) WAT IDENTIES IS, BEHALWE VIR DIE KAMERVOLUMES 5
FIGUUR 6: D I E EAGLE-WAPENSTELSEL, MET ;n KANON IDENTIES A A N KINGFISHER (52
KALIBER LOOP). DlE WAPENSTELSEL WORD GESLEEP 6
FIGUUR 7: ONTSTEKERS WAT GEBRUIK IS TYDENS DIE ONTSTEKERKWALIFIKASIE, LET OP
DIEAFGESKEURDE RANDE IN DIE MIDDELSTE RY (MARITZ, 1983) 9
FIGUUR 8: ONTSTEKERS WAT GEBRUIK IS TYDENS LOSVOOR HOEDRUKSKOTE. L E T OP DIE
MATERIAALVERVORMING AAN DIE AGTERKANT VAN DIE REGTERKANTSE
ONTSTEKER (STAPELBERG, 1994)... 12
F I G U U R 9 : 'n NUWE GENERASIE ONTSTEKERUITTREKKER. L E T OP DIE AFGESKEURDE RAND
VAN DIE ONTSTEKER OP DIE REGTERKANTSE FOTO 14
FIGUUR 10: STANDAARD KONFIGURASIE V O N MISES-SPANNINGS, NET N A SLAGDOPPIE
GESLAAN IS (SMIT ET AL, 2002) 17
FIGUUR 1 1 : STANDAARD KONFIGURASIE V O N MISES-SPANNINGS BY 'n DRUK VAN 3 1 0 M P A
( S M I T E T A L , 2002) 17
FIGUUR 12: STANDAARD KONFIGURASIE V O N MISES-SPANNINGS B Y MAKSIMUM DRUK VAN
520MPA ( S M I T E T A L , 2002) 18
FIGUUR 13: V O N MISES-SPANNINGS TYDENS DIE UITTREKAKSIE N A ONTSTEKERVERVORMING
BY MAKSIMUM DRUK 5 2 0 M P A EN 'n MAKSIMUM ONTSTEKER/SUNDGATGAPING
FIGUUR14: V O N MISES-SPANNINGS TYDENS DIE UITTREKAKSIE N A ONTSTEKERVERVORMING BY MAKSIMUM DRUK 5 2 0 M P A MET 'N MINIMUM ONTSTEKER/SUNDGATGAPING
( S M I T E T A L , 2002) 18
FIGUUR15: V O N MISES-SPANNINGS IN DIE BESTE KONFIGURASIE; SLAGDOPPIE WORD
GESLAAN ( S M I T ET A L , 2002) 20
FIGUUR16: V O N MISES-SPANNINGS IN DIE BESTE KONFIGURASIE; KAMERDRUK VAN
31 O M P A ( S M I T E T A L , 2002) 20
FIGUUR17: V O N MISES-SPANNINGS IN DIE BESTE KONFIGURASIE; MAKSIMUM KAMERDRUK
5 2 0 M P A ( S M I T E T A L , 2002) 20
FIGUUR18: V O N MISES-SPANNINGS IN DIE BESTE KONFIGURASIE; UITTREKAKSIE N A
ONTSTEKERVERVORMING BY MAKSIMUM DRUK 520MPA ( S M I T ET A L , 2002)... 21
FIGUUR19: OMTREKBREUKFALING, MET GASEROSIEMERKE, AFKOMSTIG UIT DIE E A G L E
-WAPEN 2 1 F I G U U R 2 0 : ONTSTEKER 6.29 ( 5 1 1 M P A ) MET V L E K K E A S GEVOLG VAN GASLEKKASIES EN 'n
RIF WAT TOON DAT DIE BUITEDEURSNEE BAIE GROTER IS AS DIE
SUNDGATBINNEDEURSNEE (GROBLER, 2 0 0 2 ) 2 3 F I G U U R 2 1 : O P M E E T R E S U L T A T E VAN DIE BUITEDEURSNEE VAN DIE ONTSTEKER 6.29 EN
BINNEDEURSNEEVAN DIE SUNDGAT 0 1 0 (GROBLER, 2 0 0 2 ) 2 3
FIGUUR22: MONTERING VAN MONSTERS V I R METALLURGIESE ONDERSOEK (HALFRONDE
GEDEELTE-RADIAAL EN VIERKANT-AKSIAAL) 2 6
FIGUUR23: Jn SKEMATIESE VOORSTELLING VAN DIE " S P L I T HOPKINSON PRESSURE B A R "
-A P P -A R -A -A T ( M -A R -A I S E T -A L , 2004) 28
FIGUUR24: FOTO VAN DIE " S P L I T HOPKINSON PRESSURE B A R " - T O E T S A P P A R A A T (FOTO TJ
C L O E T E ) 30
FIGUUR 25: A ) TIPIESE GEMETE REKSTROKIESEINE 32
B) TIPIESE SPANNINGSVERVORMINGS- EN VERVORMINGSTEMPOGRAFIEK.
( M A R A I S E T A L , 2004) 32
FIGUUR 26: KRITIESE AREAS, IN ONTWERP SOOS MET EEA GEIDENTIFISEER, WAAR DAAR TYDENS SAMESTELLING A A N AANDAG GEGEE IS. LETTERS A - E VERWYS N A
FIGUUR 27: D I E M50 LADINGREEKS MET DIE M 5 3 - L A D I N G AAN DIE LINKERKANT 36 FIGUUR28: KOPERSINKFASEDIADRAM ( C O P P E R DEVELOPMENT ASSOCIATION, 1994) 39 FIGUUR 29: ONTSTEKERDOPMATERIAAL MIKROSTRUKTUUR: M4-1 RADIALE VERSPREIDING,
GEETS M E T N H4O H , H202 J H2O ( V E R G R O T I N G ± 1 0 0 X ) 45
FIGUUR30: VERLENGDE ONTSTEKERDOPMATERIAAL MIKROSTRUKTUUR: M4-1 AKSIALE VERSPREIDING; GEETS MET N H4O H , H202, H20 (VERGROTING ± 1 0 0 x ) 4 5
FIGUUR 3 1 : ONTSTEKERDOP, RADIAAL EN AKSIAAL, GEMETE KORRELGROOTTES 46 FIGUUR 32: A) S18-2 RADIAAL; STERMAGASYNMATERIAAL WATAKSI-SIMMETRIES IS 47
B) S18-2 A K S I A A L ; STERMAGASYNMATERIAAL WATAKSI-SIMMETRIES IS
(GEETS MET NH4OH, H202,H20, VERGROTING+100X) 47
FIGUUR 33: A) S5-1 RADIAAL; STERMAGASYNMATERIAAL MET 'n REKRISTALLISEERDE A / B
-FASESTRUKTUUR 4 7
B) S 5 1 AKSIAAL; STERMAGASYNMATERIAAL MET 'n REKRISTALLISEERDE A / B -FASESTRUKTUUR.JGEETS MET N H 4 0 H , H 2 0 2 , H 2 0 , VERGROTING
±100X) 47 FIGUUR34: A ) S3-2 RADIAAL; STERMAGASYNMATERIAAL MET GEPRESIPITEERDE
NAALDVORMIGE A-FASE IN DIE B-FASE, OOK BEKEND AS
WlDMANSTATTENSTRUKTURE 4 7
B) S 3 - 2 AKSIAAL; STERMAGASYNMATERIAAL MET GEPRESIPITEERDE NAALDVORMIGE A-FASE IN DIE B-FASE, OOK BEKEND AS WlDMANSTATTENSTRUKTURE (GEETS MET N H4O H , H202, H20 , VERGROTING
±100X) 47
FIGUUR 35: ONTSTEKERDOPMATERIAAL: GEMETE HARDHEDE, RADIAAL EN AKSIAAL, MET
GEMIDDELDE WAARDES 4 9
F I G U U R 3 6 : STERMAGASYNMATERIAAL: GEMETE HARDHEDE, RADIAAL EN AKSIAAL, MET
GEMIDDELDE WAARDES 4 9 FIGUUR37: LOODVERSPREIDING OP KORRELGRENSE VAN ONTSTEKERDOPMONSTER M4-1
( S K A A L 2 0 ^ M ) 51 FIGUUR 38: A) LOODVERSPREIDING VAN ONTSTEKERDOPMATERIAAL: M4-1 RADIAAL 52
B) L00DVERSPRE1DING VAN ONTSTEKERDOPMATERIAAL: M4-1 AKSIAAL (SKAAL
1 0 0 ^ M ) 52 FIGUUR39: A) LOODVERSPREIDING VAN ONTSTEKERDOPMATERIAAL: M2-2 RADIAAL 52
B) LOODVERSPREIDING VAN ONTSTEKERDOPMATERIAAL: M2-2 AKSIAAL (SKAAL
1 0 0 ^ M) 52
FIGUUR 40: A) LOODVERSPREIDING VAN STERMAGASYNMATERIAAL: S4-2 RADIAAL 53
B) LOODVERSPREIDING VAN STERMAGASYNMATERIAAL: S4-2 AKSIAAL (SKAAL
1 0 0 ^ M ) 53
F I G U U R 4 1 : A) LOODVERSPREIDING VAN STERMAGASYNMATERIAAL: S11-1 RADIAAL 53 B ) LOODVERSPREIDING VAN STERMAGASYNMATERIAAL: S11-1 AKSIAAL (SKAAL
1 0 0 ^ M) 53
FIGUUR 42: KWASI-STATIESE INGENIEURSTIPE SPANNINGSVERVORMINGSKROMMES VAN DIE
ONTSTEKERDOP ( C Z 1 2 4 ) EN STERMAGASYNLEGERINGS ( C Z 1 2 1 ) 5 4
FIGUUR 43: REKSTROKIESEIN (ONTVANGERSTAAF) SOOS GEMEET TYDENS KALIBRASIE 59
FIGUUR44: NUMERIESE INTERGRAALVAN GEMETE IMPULS 61
FIGUUR45: VERVORMINGSDATA (DIHB) VAN MONSTER M1-ONTSTEKERDOPMATERIAAL
( C L O E T E , 2004) 65
FIGUUR 46: VERVORMINGSDATA (SHPB) VAN MONSTER M5-ONTSTEKERDOPMATERIAAL
( C L O E T E , 2004) 66
FIGUUR 47: VERVORMINGSDATA (SHPB EN DIHB) VAN MONSTER
M7-ONTSTEKERDOPMATERIAAL ( C L O E T E , 2004) 66
FIGUUR 48: VERVORMINGSDATA (SHPB EN DIHB) VAN MONSTER
S20-STERMAGASYNMATERIAAL ( C L O E T E , 2004) 67
FIGUUR 49: S H P B - V E R V O R M I N G S D A T A VIR UITGEGLOEIDE ROOIKOPER ( C L O E T E , 2004)...67
FIGUUR 50: V E R G E L Y K I N G VAN ROOIKOPERVERVORMINGSDATA VERKRY DEUR CLOETE MET
LITERATUUR ( C L O E T E , 2004) 68
F I G U U R 5 1 : MIKROSTRUKTUUR, ONTSTEKERDOPMONSTER M7 NA D I H B - T O E T S , 200x V E R G R O T I N G ( L I N K S ) E N 5 0 0 x V E R G R O T I N G (REGS); GEETS MET N H4O H , H202,
FIGUUR 52: S E M - F O T O ' S (1500x VERGROTING) VAN MONSTERS, M1 (LINKS) EN M7 (REGS),
NADAT DIT AAN DIE D I H B - T O E T S ONDERWERP WAS 7 0
FIGUUR 53: OPTIESE FOTO'S WAT MEGANIESE TWEELINGMIKROSTRUKTURE TOON IN SKOKVERVORMDE C U - 6 % - A L - A L L O O I E SE MIKROSTRUKTURE, TEEN 1 0 G P A
(LINKS) EN 35 G P A ( R E G S ) ( R O H A T G I E T A L , 2 0 0 1 B ) 70 FIGUUR 54: S E M - F O T O (1500x VERGROTING) VAN DIE STERMAGASYNMONSTER S20, NADAT
DIT AAN'n D I H B - T O E T S ONDERWERP WAS 7 2
FIGUUR 55: ONTSTEKER TWN1 MET BAIE VERVORMING (KYK FIGUUR 56 V I R VERGROTING
VAN KONTAKAREA (AANGEDUI MET WIT SIRKEL)) 7 6
FIGUUR 56: T W N 1 : MATERIAALVERVORMING, SOOS AANGEDUI MET 'n WIT PYL, IN DIE ONTSTEKERDOPMATERIAAL, GEETS MET N H4O H , H202, H20 ( ± 2 0 0 X
VERGROTING) 7 7 FIGUUR 57: ONTSTEKER TWN2 MET BAIE MINDER VERVORMING (KYK FIGUUR 58 VIR
VERGROTING VAN KONTAKAREA) 7 7 FIGUUR 58: TWN2: G E E N MATERIAALVERVORMING IN DIE ONTSTEKERDOPMATERIAAL,
GEETS MET N H4O H , H202, H20 ( 2 0 0 X VERGROTING) 7 8
FIGUUR 59: T W N 1 : STERMAGASYNMATERIAAL. A - F A S E WAT A G V SOLDEERPROSES BEGIN OPLOS IN FASE ( FOTO LINKS). WlDMANSTATTEN A-FASE (WIT) WAT OP DIE
B-KORRELGRENSE (DONKER) PRESIPITEER (GEETS MET H C L / F E C L3) 7 8
FIGUUR 60: IMPAKMERKE AGTEROP ONTSTEKERS MET TWN1 IN DIE MIDDEL EN TWN2
TWEEDE VAN REGS 7 9
FIGUUR 6 1 : DIMENSIONELE PASSING VAN ONTSTEKERS TWN1 EN TWN2 IN SUNDGAT 0 2 1 . . . 80 FIGUUR 62: A) S E M - F O T O ( 1 5 0 0 X VERGROTING) VAN PLASTIESE VERVORMING IN
ONTSTEKERDOPSYWAND, TWN2 (KYK WITKOL FIGUUR 57). 80 B) S E M - F O T O ( 1 5 0 0 X VERGROTING) VAN ONTSTEKER TWN2 SE KONTAKAREA
(KYK FIGUUR 57) 80 FIGUUR 63: REKRISTALLISASIE-KERNS WAT GEVORM HET AS GEVOLG VAN DIE
FIGUUR 64: O N T S T E K E R TWS1 MET BAIE MIN VERVORMING ( K Y K FIGUUR 65 V I R
VERGROTING VAN KONTAKAREA) 82
FIGUUR 65: T W S 1 : M I N MATERIAALVERVORMING IN DIE ONTSTEKERDOPMATERIAAL, GEETS
MET NH4OH, H202J H20 (±200X VERGROTING) 82
FIGUUR 66: ONTSTEKER TWS2 TOON BAIE MIN INTERNE VERVORMING (KYK FIGUUR 67 V I R
VERGROTING VAN KONTAKAREA) 83
FIGUUR 67: TWS2: B Y K A N S GEEN MATERIAALVERVORMING IN DIE
ONTSTEKERDOPMATERIAAL (±200X VERGROTING). LET OP DIE SPASIES TUSSEN
DIE VERLENGDE ONTSTEKERDOPKORRELS (GEETS MET N H4O H; H202, H20 )
83
FIGUUR 68: O N T S T E K E R TWU1 MET BAIE MIN VERVORMING (KYK FIGUUR 69 V I R
VERGROTING VAN KONTAKAREA) 8 4
FIGUUR 69: T W U 1 : MATERIAALVERVORMING IN DIE ONTSTEKERDOPMATERIAAL, GEETS MET
NH4OH, H202J H20 (±200X VERGROTING) 85
F I G U U R 7 0 : ONTSTEKER TWU2 MET BAIE MIN VERVORMING ( K Y K FIGUUR 71 V I R
VERGROTING VAN KONTAKAREA) 85
F I G U U R 7 1 : TWU2: M I N MATERIAALVERVORMING IN DIE ONTSTEKERDOPMATERIAAL, GEETS
METNH4OH, H2O2,H2O(±200X VERGROTING) 86
FIGUUR 72: O N T S T E K E R TWX1 MET BAIE VERVORMING ( K Y K FIGUUR 73 V I R VERGROTING
VAN KONTAKAREA).... 86
FIGUUR 73: T W X 1 : MATERIAALVERVORMING IN DIE ONTSTEKERDOPMATERIAAL, GEETS MET
N H4O H , H202, H20 (±200X VERGROTING) 87 F I G U U R 7 4-. DRUKTYDKROMMES VAN 'n M52+2-LADING 9 2 F I G U U R 7 5 : S H P B REKSTROKIESEIN SOOS GEMEET O P D I E O N T V A N G E R E N
VERSENDINGSTAWE (POSITIEWE SEIN STEL DRUKSPANNING VOOR) 1 09
F I G U U R 7 6 : DIHB VERSENDINGSTAAFSPANNING, SOOS GEMEET MET'n R E K S T R O K I E T Y D E N S
TOETSMONSTERVERVORMING (CLOETE ETAL, 2 0 0 4 ) 113
FIGUUR 77: S H A D O W GRAPH-APPARAAT WAARMEE DIE ONTSTEKERBUITEDEURSNEE
HOOFSTUK 1
ORIENTERING, PROBLEEMSTELLING EN DOELSTELLING
1 INLEIDING
Hierdie studie fokus op die bydrae van materiaaleienskappe tot die vassit van die M82-ontsteker in die sundgat van 'n 155mm-kaliber kanon, tydens die afvuur van 'n skoot.
1.1 AGTERGROND
Die M82-ontsteker word wereldwyd in 155mm kaliber kanonne gebruik om die dryfmiddellading in die kanonne mee te ontsteek. Die M82-ontsteker dateer reeds uit die 1950's en is oorspronklik vir 39 kaliber 155mm wapenstelsels ontwerp. Die ontsteker is in 1980 deur Naschem, tans 'n divisie van Denel (Mpy) Bpk, aangepas vir aanwending in die nuut ontwikkelde, 45-kaliber, G5-wapenstelsel.
Die samestelling van die M82-ontsteker word uiteengesit in Figuur 1. Die komponente van die ontsteker word uit twee tipes geelkoperlegerings vervaardig, omdat geelkoper bestand is teen korrosie en geelkoper relatief maklik masjineer en vorm. Die ontstekerdop word uit CZ124-geelkoperlegering en die res van die komponente uit CZ121-geelkoperlegering vervaardig. Die uiteensetting van die posisie van die ontsteker in die kanon word in Figuur 2 gegee.
H_
Slagpen Ontstekerdop Buskruit Stermaqasyn VT fWVrfWW* fc!/ Slagdoppiehouer SterbarsskyfFIGUUR 1 : 'n Skematiese deursnit van die M82-ontsteker wat die verskillende subkomponente aandui.
Die keuse van die M82-ontsteker het spesifieke voordele ingehou, naamlik dat die ontsteker reeds wereldwyd in alle 155mm wapenstelsels gebruik word, en die beskikbaarheid van die onsteker tydens die interimperiode tot 'n ontsteker plaaslik na die verkryging van 'n datapak vervaardig kon word. Verder was die ontsteker meer doelgeskik as die kanonontstekers wat op daardie stadium in die RSA beskikbaar was.
Die maksimum kamerdruk waarvoor die M82-ontsteker ontwerp is, is in die orde van 380MPa. Die Suid-Afrikaanse G5-wapen se maksimum werkdruk is in die orde van 444MPa. Die hoer kamerdruk in die wapen was nodig, ten einde die maksimum vereiste reikafstand te haal.
Die M82 ontsteker werk soos volg: Die wapen se vuurpen slaan die ontsteker se slagpen wat op sy beurt die slagdoppie afsit. In die slagdoppie is 'n sensitiewe ontstekingsmengsel wat 'n vlam op impak produseer, en op sy beurt die buskruit in die ontsteker ontsteek. Nadat genoegsame druk opgebou het, bars die sterbarsskyf aan die voorkant van die ontsteker oop, en die vlam beweeg in die sundgat-as af tot in die ladingkamer (kyk Figuur 3, oopsluiter-foto van 'n ontstekervlam). Agteraan die lading, wat gevul is met dryfmiddel, is 'n ontsteker of ontstekersak wat dan die dryfmiddel in die hooflading aansteek (kyk Figuur 2). Die brandende dryfmiddel genereer 'n druk wat dan die projektiel in die loop af versnel, oppad na die teiken toe. 'n Tipiese voorbeeld van druktydkromme, en die eerste afgeleide van die basisdruk, soos agter in die ladingkamer gemeet, word in Figuur 4 gegee. Die eerste afgeleide van die druktydkromme toon die tempo van drukopbou in die ladingkamer, asook die teenwoordigheid van drukgolwe, indien teenwoordig, in die ladingkamer.
Die ontsteker moet dus die lading aansteek en tydens die drukopbouproses die sundgat afseel, sodat die dryfmiddelgasse nie daaruit ontsnap nie. Nadat die projektiel die loop verlaat het, moet die ontsteker sonder enige moeite uit die sundgat verwyder kan word om die kanon te herlaai.
Alhoewel die M82-ontsteker nou en dan in die G5-stelsel vasgesit het, het die vuurtempo en die konstruksie van die wapen horn daartoe geleen dat die probleem vinnig uitsorteer kon word. Die G5-wapen het 'n swaaiblok gehad waarin die sundgat gehuisves was en die ontsteker kon sonder enige moeite met behulp van 'n pen en hamer verwyder word.
Ontsteker Loop Projektiel
FIGUUR 2: Skematiese skets wat die posisie van die ontsteker, omkring, in die kanonloopstelsel aandui.
FIGUUR 3: Oopsluiterfoto van 'n M82-ontstekervlam (vlamlengte ±1.0m).
Nuwe generasie wapens moes egter aan nuwe vereistes voldoen, ten einde kompeterend in die hedendaagse wapenmark te wees. Van die meer belangrike vereistes is, byvoorbeeld die handhawing van hoe snelvuurtempo's ('n minimum van 8 skote per minuut), asook 'n nuwe vereiste, naamlik die "MRSI" ("Multiple Round, Simultaneous Impact"). Die vereiste behels die afvuur van vyf skote op een wapen, sodat al vyf skote binne twaalf sekondes op dieselfde teiken val.
Die vereiste hoer vuurtempo's het die aanbring van 'n outomatiese laaistelsel 'n noodsaaklikheid gemaak, veral as die projektielmassa van ongeveer 45kg in ag geneem word. Die laaistelsel moes beide die projektiel en lading kon hanteer. Die G5 se swaaiblok wat met 'n draai-en-swaai-aksie oop en toe gemaak het, se massa het tot gevolg gehad dat die stelsel nie deurlopend die vuurtempo's kon handhaaf nie.
Die swaaiblok was ook nie versoenbaar met 'n outomatiese laaistelsel nie.
FIGUUR 4: 'n Tipiese druktydkromme en eerste afgeleide van die basisdruk, soos gemeet in 'n 155mm ladingkamer.
Die konstruksie van die G5-wapen was dus nie geskik om aan die nuwe vereistes te voldoen nie. Met die aanvang van die negentiger jare is daar begin met die ontwerp van 'n nuwe generasie wapenstelsel wat aan al bogenoemde vereistes sou voldoen, maar nog verder kon skiet as die huidige G5 45-kaliberstelsels. Die sluitstukontwerp is ondermeer verander na 'n gly-en-swaaiblokontwerp. Alhoewel die nuwe ontwerp hoer vuurtempo's kan handhaaf, is die konstruksie egter van so 'n aard dat, indien 'n ontsteker vassit, die verwydering daarvan nie so maklik is nie. 'n Verdere ontwerpverandering wat nodig was, ten einde die hoer vuurtempo's te kon handhaaf, was die aanbring van 'n outomatiese ontstekerlaaier.
Die Losvoorwapen, waarvan die ontwerp op die G6-wapen geskoei is, is ontwerp met 'n 52 kaliberloop met 'n groter kamer wat teen 'n kamerdruk van meer as 500MPa sou funksioneer (Kyk Figuur 5). Die vereistes wat met die ontwerp aan die M82-ontsteker
gestel sou word, was nog hoer as voorheen, veral as in gedagte gehou word dat die ontsteker oorspronklik ontwerp is vir 'n maksimum kamerdruk van 380MPa.
Aan die einde van die negentiger jare is daar begin met die ontwikkeling van 'n vol outomatiese G6-wapenstelsel, wat versoenbaar moes wees met die NAVO-lande1 se
JBMoU2, wat bekend sou staan as die Kingfisher-stelsel.
'n Verdere behoefte is gei'dentifiseer om die ou G5-wapen (45 kaliber) op te gradeer na 'n 52 kaliber loop, 'n outomatiese laaistelsel, asook nuwe elektroniese stelseis wat die bedryf van die wapen sou vergemaklik en sy vuurtempo sou verhoog. Die stelsel sou bekend staan as die Eagle-stelsel (kyk Figuur 6). Die Eagle-stelsel was sover dit die kanon (met kanon word bedoel die loop, sluitstuk en terugloopstelsel) aanbetref, identies aan die Kingfisher-kanon met 'n sleepplatform. Die Losvoorkanon was ook identies aan die twee stelseis, behalwe dat die loop voorsiening gemaak het vir 'n groter lading.
FIGUUR 5: Die Losvoor/Kingfisher-selfaangedrewe wapenstelsel (52 kaliber loop) wat identies is, behalwe vir die kamervolumes.
1 NAVO afkorting vir Noord Atlantiese Verdrags Organisasie.
2 JBMoU afkorting vir "Joint Ballistic Memorandum of Understanding" van toepassing op NAVO
Die M82-ontsteker het egter nie net in G5/G6-stelsels van tyd tot tyd vasgesit nie, maar ook in ander wapenstelsels wat skynbaar deur die nuwe sluitstukontwerpe en die hoer kamerdrukke, soos gebruik in Losvoor, Eagle en Kingfisher, vererger is. Die buitengewoon hoe frekwensie van ontstekers wat vassit, in die Eagle-stelsel, was onverklaarbaar en het uiteindelik tot die studie aanleiding gegee.
FIGUUR 6: Die Eagle-wapenstelsel, met 'n kanon identies aan Kingfisher (52 kaliber loop). Die wapenstelsel word gesleep.
1.2 DOELSTELLINGS
Dit blyk uit die voorafgaande dat die vassit van die M82-ontsteker 'n baie groot probleem geword het, en dat die identifisering en die oplossing van die vassit-probleem noodsaaklik is.
Die algemene doelstellings van hierdie studie is derhalwe om:
a) indien moontlik, die meganisme vir die vassitprobleem te identifiseer, b) 'n oplossing vir die probleem te vind en
c) die rede vas te stel waarom die Eagle-wapen meer vassitprobleme ondervind as die Losvoorwapen, wat by heelwat hoer kamerdrukke funksioneer.
1.3 ONTPLOOIING VAN DIE NAVORSING
Hierdie hoofstuk is gewy aan agtergrondinligting oor die M82-ontsteker, asook die probleemstelling en doelstellings vir die navorsing. In Hoofstuk 2 word 'n opsomming van ondersoeke wat in die verlede op die vassitprobleem gedoen is, bespreek, asook die ontleding van relevante literatuur ten opsigte van soortgelyke probleme. Verder word 'n Eindige Element Analise (EEA) bespreek wat op die huidige ontwerp gedoen is en na aanleiding van die analise word ontstekers wat vasgesit het, ontleed. Hoofstuk 3 word gewy aan die empiriese ondersoek, terwyl die resultate en bespreking daarvan in Hoofstuk 4 gegee word. Hoofstuk 5 bevat die gevolgtrekkings wat na afhandeling van die studie gemaak is, asook aanbevelings vir verdere studie.
H00FSTUK2
LITERATUUROORSIG EN VOORAFGAANDE WERK
2 INLEIDING
'n Uitgebreide literatuurondersoek na ontstekers, in die algemeen, in 155mm wapenstelsels het niks opgelewer nie wat moontlik daaraan te wyte is dat suike
inligting gewoonlik geklassifiseer is. Databasisse wat geraadpleeg is, was die databasisse vanaf Elsevier Science Bpk, ScienceDirect, Engineering Village II, Dialog@Site en databasisse van die VVNNR3. Daar is 'n verdere soektog in
bogenoemde databasisse gedoen na geelkoperpatroondoppe, maar die soektog het ook niks opgelewer nie. Die soektogte is uitgebrei deur middel van 'n privaatkontrakteur, na databasisse in die VSA4 en daar is 'n paar artikels opgespoor in
die NTIS-databasis5 wat handel oor geelkoperpatroondoppe.
Die begin van hierdie hoofstuk word gewy aan 'n kort opsomming van vorige werk en ondersoeke wat op die M82-ontsteker intern gedoen is sedert die ontsteker in die Republiek van Suid-Afrika gekwalifiseer is. Die tweede deel van die hoofstuk word gewy aan Eindige Element Analises (EEA) wat deur Smit et al (2002) op die huidige M82-ontstekerontwerp gedoen is. Die derde deel van die hoofstuk word gewy aan ontstekers wat vasgesit het en ontleed is aan die hand van die bevindinge, soos verkry uit die Eindige Element Analise. In die laaste deel van die hoofstuk word artikels bespreek wat uit die literatuursoektog verkry is.
2.1 I N T E R N E V E R S L A E V A N V O R I G E O N D E R S O E K E 2.1.1 ONDERSOEKE VANAF 1983 TOT 1999
Die M82-ontsteker se ontwerp is deur Naschem, met slegs 'n aanpassing aan die slagdoppie, gekwalifiseer. Die oorspronklike ontwerp het 'n geelkoperlegering,
3 WNNR afkorting vir Wetenskaplike en Nywerheidsnavorsingsraad van Suid-Afrika. 4 VSA afkorting vir Verenigde State van Amerika.
volgens ASTM B16 spesifikasie gespesifiseer (Cu 63 Sn36 Pb 3). Figuur 7 toon dat sommige van die ontstekers, soos gebruik in die kwalifikasie van die item, se agterste rande afgebreek het (Maritz, 1983). Maritz (1983:9) kom tot die gevolgtrekking dat die rede vir die vassit, vuilheid in die sundgat was.
FIGUUR 7: Ontstekers wat gebruik is tydens die ontstekerkwalifikasie, let op die afgeskeurde rande in die middelste ry (Maritz, 1983).
Sandenbergh (1984), verwys na krake in die ontstekerdop wat van BS 2874: 1986, CZ1216 geelkoper gemaak is. Die komponente is vergelyk met ingevoerde
komponente wat blykbaar nie sulke defekte gehad het nie. Die plaaslike en ingevoerde ontstekerdoppe se mikrostrukture is met mekaar vergelyk en daar is gevind dat die plaaslike ontstekerdopmateriale se mikrostrukture uit a- en (3-fases bestaan het, terwyl die ingevoerde ontstekerdopmateriale se mikrostrukture minder (3-fase bevat het. In die verslag word aanbeveel dat die ontstekerdop-geelkoperlegering verander moet word na BS 2874:1986, CZ124, aangesien die legering nie so bros is soos CZ121 nie.
BS 2874:1986 afkorting vir British Standard Specification for Copper and Copper Alloy rods and sections.
In 'n verdere ondersoek na die vassit van ontstekers in die G5-kanon vind Sandenbergh et al (1985a) dat:
• daar geen verskille in die mikrostruktuur van ontstekerdoppe (CZ124) was nie, veral nie met inagneming van die verskillende produksielotontstekers nie,
• die krag wat nodig was om die agterste rand van die ontsteker af te skuif, gewissel het van 3,8kN - 4,05kN met gemiddelde waarde op 3,9kN; vir
ingevoerde ontstekers van dieselfde materiaal,
• die treksterkte en vloeigrens van die ontstekerdopmateriaal 408MPa en 280MPa onderskeidelik was, wat binne die spesifikasie was,
• die rede vir die vassit dus meganies van aard moes wees. Sandenbergh (op. cit) voer aan dat die sundgat in die kanon meer uitsit as die limiete waarby die ontstekerdopmateriaal elasties vervorm en as gevolg van die gevolglike plastiese vervorming van die ontstekerdop, knyp die sundgat die ontsteker vas nadat die skoot uit die loop is en die sundgat se elastiese vervorming herstel het.
Sandenbergh et al (1985a) beveel in die verslag aan dat daar met behulp van 'n hidrouliese opstelling 'n matenaalspesifikasie bepaal moet word, sodat die ontsteker/ontstekerdopmateriaal nie plasties kan vervorm tydens funksionering in die wapen nie.
In 'n opvolgverslag meet Sandenbergh et al (1985b) die uitdrukkragte van die ontstekers, uit die sundgat, wat dinamies in 'n G5-kanon gevuur is. Hy vind dat:
• die uitdrukkragte varieer het vanaf 0,748kN - 4,86kN,
• die hardhede en mikrostrukture (korrelgroottes) van die gevulde ontstekers groot variasies getoon het. Die korrelgrootte variasies word gebruik om die groot variasies in uitdrukkragte te verklaar.
• 'n legering met 'n hoer vloeigrens tot laer uitdrukkragte behoort te lei.
Sandenbergh et al (1985c) bepaal die hidrostatiese gedrag van die ontstekers met 'n statiese opstelling en vind dat:
• die uitdrukkragte van die ontstekers sterk toeneem, indien die hidrouliese drukke bokant 350MPa is,
• die statiese uitdrukkragte baie laer is as die gemete dinamiese skietresultate se uitdrukkragte,
• die vloeigrens van die materiaal verhoog moet word, aangesien die uitdrukkragte skerp toeneem bokant hidrouliese drukke van 350MPa,
• die variasie in die uitdrukkragte steeds te groot is en dat die materiaal meer tydens die vervaardigingsproses koudverwerk moet word, sodat beter en meer herhaalbare meganiese eienskappe uit die materiaal verkry kon word.
Sandenbergh et al (1986) rapporteer dat ontstekers, wat met 25-45% reduksie in area koudverwerk is, dinamies gevuur (G5-wapen) en die uitdrukkragte gemeet is. Hulle vind dat:
• die uitdrukkragte so laag was dat die metings nie sinvol was nie,
• ouer lotte ontstekers as 'n kontrole in dieselfde toets geevalueer is en die ontstekers uitgekap moes word, aangesien hulle vasgesit het.
• die volgende materiaalspesifikasie die beste resultate gegee het, naamlik 'n minimum vloeigrens van 320MPa, 26% koudverwerking met spanningsverligtinghittebehandeling van 1 u u r b y 2 0 0 ° C .
Die betrokke ontstekerdoptekening, nommer 04-1390-2538-00502 Revisie C, is gevolglik na die verslag, opdateer met die hoer materiaalvloeigrensspesifikasie (Revisie D).
Geen verdere verslae in verband met die vassit van ontstekers is na die ondersoek aangeteken nie en geen verdere inligting is beskikbaar aangaande die vassit van ontstekers in die G5/G6-stelsels nie. Die afwesigheid van enige verslae of amptelike klientklagtes dui egter nie daarop dat die probleem nie meer voorgekom het nie.
In 1994 word met die ontwikkeling van die Losvoorstelsel begin. Die stelsel moes verder as die 40km van die G5/G6-stelsels skiet, wat sou meebring dat die kamerdruk hoer as die 444 MPa van die G5/G6-stelsels moes wees.
Stapelberg (1994) rapporteer dat twee ontstekers in die sundgat vasgesit het na Losvoor-hoe-drukskote. Die ontstekers is deurgesny en dit was duidelik dat 'n groot krag, wat op die ontstekers uitgeoefen was, duidelike materiaalvloei in sommige ontstekers veroorsaak het. Die ontstekeragterkant word ondersteun deur die sluitstuk, maar nie die ontstekerslagpen nie. Die materiaalvloei wat plaasgevind het, het dus
veroorsaak dat die ontstekerdop sodanig vervorm het dat die slagpen by die agterkant van die ontsteker uitsteek (kyk Figuur 8, ontsteker heel regs). Die gevolgtrekking is gemaak dat daar tydens die ontbranding van die hoofladings, drukgolwe was wat die vervorming van die ontstekerdoppe tot gevolg gehad het.
FIGUUR 8: Ontstekers wat gebruik is tydens Losvoor hoedrukskote. Let op die materiaalvervorming aan die agterkant van die regterkantse ontsteker (Stapelberg, 1994).
Dat daar verdere probleme met die M82-ontsteker in die Losvoorstelsel voorgekom het, blyk uit 'n verslag waar ontstekerprobleme ondersoek is tydens 'n Losvoorbodembloeiproef (Norton, 1996). Die gevolgtrekking waartoe daar gekom is, is dat:
• Kamerdrukke van tot 450MPa nie probleme oplewer nie. • 'n Materiaal met 'n hoer treksterkte gebruik moes word.
• 'n Ondersoek geloods word om te bepaal of die sundgat/ontsteker-intervlak verbeter kon word.
Die ontstekerdoptekening is in 2000 opgedateer met 'n nuwe materiaal spesifikasie vir CZ124-geelkoper, wat koudverwerking van 26-30% ingesluit het en 'n hoer vloejgrens van 450-490MPa (Tekening nommer: 04-1390-2538-00502 Revisie M).
2.1.2 ONDERSOEKE VANAF 2000
Aan die einde van 1999 word die ontwerpverantwoordelikheid van die M82-ontsteker na die skrywer oorgedra. Die verantwoordelikheidsoordrag vind plaas te midde van 'n toename in die hoeveelheid ontstekers wat vassit, nadat die skoot afgevuur is. Daar word op 'n Losvoor Tegniese Komiteevergadering (13 Augustus 1999) besluit dat die vassitprobleem weer aandag moet kry en dat Naschem dit moes ondersoek.
L.I.W.7 rapporteer in die verband die volgende:
• volgens die Losvoorkanonbemanning is die vassitfrekwensie van die M82-ontsteker, 1 uit 10 ontstekers,
• die uittrekmeganisme is opgradeer, maar aan die feit dat die rand afskeur kan daar nie veel gedoen word nie (kyk Figuur 9, regs),
• die sundgat verchroom is, ten einde die uittrekweerstand te verminder, • dat afgesien daarvan dat verskeie sundgatprofiele evalueer is, ten einde die
ontsteker/sundgatintervlak te verbeter, die probleem konstant by drukke hoer as 450MPa voorgekom het.
Na aanleiding van Sandenbergh et a/se ondersoeke, was die skrywer van mening dat die gebruik van ou ingevoerde ontstekers (dateer voor 1983), wat steeds in groot hoeveelhede beskikbaar was, 'n groot bydrae lewer tot die probleem. Hy stel voor dat daar slegs ontstekers, met ontstekerdoppe met vloeigrense tussen 450MPa tot 490MPa (lotte AG/95 tot AM/98), gebruik moes word en dat alle ontstekers wat vassit na Naschem gestuur moes word, sodat die probleem gemonitor kon word (Oosthuizen, 2000).
FIGUUR 9: 'n Nuwe generasie ontstekeruittrekker. Let op die afgeskeurde rand van die ontsteker op die regterkantse foto.
As 'n eerste stap in 'n voorondersoek na die vassitprobleem in die Losvoorkanon, evalueer en bevind Oosthuizen (2000) die volgende:
• die bewering dat ontstekers vassit as gevolg van 'n "taper lock" ( aangesien die koniese hellings van beide die ontsteker en sundgatas bykans dieselfde is), nie bewys kon word nie. Van die ontstekers is 3 keer na mekaar geslaan met die slagpen, van die vuurmeganisme, maar geen vassit uit 14 ontstekers kon nageboots word nie,
• hoe en lae vloeigrensmateriaal om die beurt by kamerdrukke van 426MPa en hoer geskiet is, waarvan die resultate van die proef soos volg was:
I. by drukke <440MPa het twee uit die nege (22%) van die laer vloeigrens-ontstekers vasgesit en al die hoer vloeigrensvloeigrens-ontstekers het uitgetrek, II. by drukke >480MPa het sewe uit elf (63%) laer vloeigrensontstekers
vasgesit en slegs twee uit elf (18%) van die hoer vloeigrensontstekers. Die ontstekers met die hoer vloeigrens het dus beter presteer.
• die resultate in sterk teestelling is met die van 'n soortgelyke proef wat in 1996 (Norton, 1996) gehou is, waar die hoer vloeigrensmateriaal swakker gevaar het as die laer vloeigrensmateriaal.
• geen van die twaalf ontstekers wat vooraf met Gun Kote -verf ( FA en 16/2) bedek is, en teen drukke van tussen 511MPa en 530MPa geskiet is, vasgesit het nie. Dit wou dus voorkom asof die Gun Kote-bedekking 'n verskil gemaak net aan die uittrek van die ontstekers teen kamerdrukke in die orde van 500MPa+, alhoewel die monstergrootte klein was.
2.1.2.1 EINDIGE E L E M E N T A N A L I S E S
In September 2002 is begin met 'n Eindige Element Analise (EEA), van die ontsteker en ondersteuningstelsels, in 'n poging om die oorsaak vir vassitprobleme en omtrekbreuke te kan identifiseer deur die dinamiese invloed van die interne ballistieksiklus op die ontsteker te simuieer. Weens die implikasie van die EEA-werk op hierdie ondersoek, word die werk van Smit ef a/ (2002) breedvoeriger aangebied. Alhoewel verskeie konfigurasies deur Smit et al (2002) met behulp van die EEA
ondersoek is, word slegs twee konfigurasies hier bespreek. 1) Standaard ontsteker-sundgat-konfigurasie soos met:
a) maksimum ontstekersundgatas gaping van 36um oor die deursnee, b) standaard interne gaping tussen die ontstekerdop en die
slagdoppiehouervan 0,4mm radiaal,
c) gaslekkasies verby of deur die slagdoppiehouer wat plaasvind as gevolg van ongespesifiseerde en/of swak gespesifiseerde binne-dimensies.
2) Beste ontstekersundgat konfigurasie volgens Smit ef al (2002) se vereiste wat vassit sal verhoed:
a) minimum ontstekersundgat gaping (kleiner as 36um),
b) maksimum radiale gaping van 0,1mm tussen ontstekerdopbinnekant en slagdoppiehouer,
c) geen gaslekkasie na agter verby die slagdoppiehouerskroefdraad nie, as gevolg van 'n groter kontakarea soos in (b) gespesifiseer,
Produknaam: Gun Kote FA vervaardig deur KalGard SA Co Bpk wat Molibdeendisulfiet, 'n droe smeermiddel bevat.
d) verhoging in die stupassing van die slagdoppie om sodoende gaslekkasies deur die slagdoppiehouer te voorkom.
1. Die standaardkonfigurasie
Die standaardkonfigurasie word bespreek aan die hand van Figure 10 tot 14. Figuur 10 toon die ontstekersamestelling voordat enige vervorming plaasgevind het, behalwe aan die slagdoppie wat met behulp van 'n impak aktiveer word.
Smit et a/vind dat:
• die materiaal random die klein kontakarea, tussen die ontstekerdop en die slagdoppiehouer, by drukke hoer as 310MPa vervorm (kyk Figuur 1 1 , area 1). 'n Gaping (kyk Figuur 1 1 , area 2) ontstaan as gevolg van vervorming (kyk Figuur 11, area 1), wat meebring dat gasvloei deur die skroefdrade plaasvind as gevolg van die skroefdrade wat oopgemaak het (vergelyk Figure 10 met Figuur 11) en 'n radiale krag na buite op die ontstekerdop intern uitoefen,
• die oopmaak van die slagdoppiehouer se agterkant (radiale vervorming, kyk Figuur 12, area 3) as gevolg van die vervorming in area 1 (Figuur 11), veroorsaak dat die slagdoppie-stupassing opgehef word en die kamerdruk die slagdoppie uitdruk. So ontstaan daar nog 'n pad waardeur gas na agter kan vloei (kyk Figuur 12, area 3) en Yi radiale krag na buite op die ontstekerdop intern uitoefen. Ten einde te verseker dat die EEA konvergeer, moes die slagdoppie in die slagdoppiehouer bly,
• die hoogste materiaalspanning in die ontstekerdop kom aanvanklik voor in die area random of net voor die slagdoppiehouer, indien die ontsteker-sundgatgaping nie te groot is nie (kyk Figure 11 en 12, area 4). Indien die ontsteker/sundgat gaping vergroot, sal die spanning nog groter word en kan die ontstekerdop plasties in die area vervorm. Die analise toon ook dat plastiese vervorming in die area die grootste bydrae lewer tot 'n verhoging in uittrekkragte, aangesien die ontstekerdopmateriaal dikker is (kyk Figure 11 en 12, area 4),
• dat tydens die uittrekfase wat ook gesimuleer is, die maksimum spanningsarea regoor die eerste skroefdrade waarin die slagdoppiehouer
inskroef, (kyk Figuur 13) voorkom. Indien die gaping tussen die ontsteker
en die sundgat kleiner is, is die plastiese vervorming minder en is die
spanningsvlakke tydens die uittrekaksie baie laer (vergelyk Figuur 13 met
Figuur 14).
e gesluit
FIGUUR 10: Standaard konfigurasie Von Mises-spannings, net na slagdoppie geslaan
is(Smitera/, 2002).
FIGUUR 11: Standaard konfigurasie Von Mises-spannings by'n druk van 310MPa
(Smitera/, 2002).
S, Hi«0# (Avo. C r i t . . 75%) H.O6Sai-09 M . 0 1 9 * * 0 9 <-9.728o*-oe ♦9.2fi7«+08 *8.80Sa*-08 * 8 . 3 4 4 a + 0 8 h-i- i-7.S82a+OB >-4- t-7.421a»-08 B - *6.959«*-08 I- *-6.497«+i k *6.03««+' SM 08 OB t 5 . ^ 7 4 e t - 0 8 *S.113«+08 N . 6 5 1 0 + 0 8 t-4 .190B+08 *3.728at-08 t-3.267fl+08 f 2 . 8 0 5 o + 0 8 +2. 3-*3af08 U.882<H-08 *-1.420a*O8 *9.588«+07 H .972«*07 *3.S68o«-06 f f I&MII
E
— 5ffFr
FIGUUR 12: Standaard konfigurasie Von Mises-spannings by maksimum druk van 520MPa (Smit et al, 2002).
FIGUUR 13: Von Mises-spannings tydens die uittrekaksie na ontstekervervorming by maksimum druk 520MPa en 'n maksimum ontsteker/sundgatgaping (Smit
etal, 2002). Y*my-t L MM T+ * t * i + . j W * t * i + . j W * t * i + . j W
"-«■■■' •■■■■■■■■■□■■■■■■■■!
■■■■■«■■■■•■■■■■■•■■■■■■■■■■■>
! ■ ■ ■ » * ■ ! ■ ■■■■»,«
■■*"*■' •■■■■■«■■■■?.'■■'■*■**'
77j-j*yj
;
-FIGUUR 14: Von Mises-spannings tydens die uittrekaksie na ontstekervervorming by maksimum druk 520MPa met'n minimum ontsteker/sundgatgaping (Smit
2. Beste ontwerpkonfigurasie volgens die EEA
Smit et al (2002) het gevind dat die beste konfigurasie, soos hierbo beskryf (bl. 15), soos volg is:
• 'n kleiner ontstekersundgatgaping word toegemaak by 'n laer druk voordat die ontstekerdop plasties kan vervorm (kyk Figuur 15),
• 'n groter buite radius van die slagdoppiehouer maak die kontakarea tussen die slagdoppiehouer en die ontstekerdop groter, wat die spanning en vervorming in die materiaal verminder (kyk Figuur 16 area 1). Dit bring mee dat daar nie gasvloei deur die skroefdrade kan plaasvind nie en die uitwaartse radiale krag hier kleiner is (kyk Figuur 16, area 2 en Figuur 17, area 4).
• Die kleiner vervorming in bogenoemde kontakarea die radiale vervorming van die slagdoppiehouer verminder, wat verhoed dat die stupassing van die slagdoppie opgehef word, sodat daar nie gasvloei deur die slagdoppiehouer kan plaasvind nie (kyk Figuur 16, area 1 en 17, area 3).
• Die totale spannings in die ontstekerdop laer is tydens die uittrekfase (vergelyk Figure 13 en 14 met Figuur 18), aangesien daar min of geen plastiese vervormings plaasgevind het tydens die hoe kamerdruk (kyk Figuur 18) nie. Die spannings in die area waar omtrekbreuke, in die ontstekerdop, plaasvind, regoor die slagdoppiehouer en die stermagasynkontakarea, toon wel hoer spannings, alhoewel nog binne die materiaalvermoe.
Volgens Smit et al sal die beste konfigurasie, nie vassitprobleme tot gevolg he nie omdat die konfigurasie se uittrekkragte volgens die EEA-werk die laagste is. Enige afwykings van die kritieke ontwerpareas sal volgens die EEA-werk wel tot die vassit van die ontstekers kan lei.
FIGUUR 15: Von Mises-spannings in die beste konfigurasie; slagdoppie word geslaan (Smitera/, 2002).
FIGUUR 16: Von Mises-spannings in die beste konfigurasie; kamerdruk van 310MPa ( S m i t e f a / , 2002).
FIGUUR 17: Von Mises-spannings in die beste konfigurasie; maksimum kamerdruk 520MPa (Smit et al, 2002).
FIGUUR 18: Von Mises-spannings in die beste konfigurasie; uittrekaksie na
ontstekervervorming by maksimum druk 520MPa (Smit et al, 2002).
Die EEA-werk van Smit et al kon egter nie die teorie van Sandenbergh et al (1985a)
dat die sundgat die ontsteker vasknyp, nadat dit plasties vervorm het en die
ontstekers dan vassit, bevestig nie. Die Von Mises-spannings in die sundgatmateriaal
toon baie lae spanningsvlakke, selfs teen 520MPa druk (kyk Figure 12 en 17).
Smit et al kon ook nie met die EEA-werk 'n verklaring gee vir die omtrekbreuke wat
veral met Eagle ondervind word nie (kyk Figuur 19). Die hoogste materiaalspannings
in die omtrekbreukarea word slegs gedurende die uittrekfase aangetref (kyk Figure 13,
14 en 18). Die kamerdruk is dan egter so laag dat gaserosie aan die ontsteker, soos
in Figuur 19 aangetoon, nie moontlik is nie.
2.1.2.2 LOSVOOR CANDY-BAANPROEF A L K A N T P A N
Grobler (2002) ondersoek die ontstekers afkomstig vanaf'n Losvoorproef, waartydens 40 skote geskiet is. Hiervan is 30 skote by hoe drukke (475-529MPa) geskiet en 80%
hiervan het vasgesit.
Tydens 'n evaluering van Smit et al se teorie met produksielotontstekers, vind Grobler (2002) die volgende:
• 'n duidelike rif op die agterkant van ontsteker 6.29, wat gevorm is met die terugslaan van die ontsteker in die sundgat in, voorkom (kyk Figuur 20). Die figuur toon ook donker vlekke wat veroorsaak is deur gaslekkasies.
• die opmeetresultate van die ontstekerbuiteprofiel (Figuur 21), die mate van plastiese vervorming wat die ontsteker ondergaan het, toon. Die buitedeursnee van die ontsteker, voorgestel deur die bloulyn, is veral groter aan die agterkant (le aan die bokant van die sundgat se binnedeursnee) as die sundgat se binne-deursnee,
• die interne materiaalvervormings, soos aangetref in die dertig ontstekers, ooreenkomste toon met die EEA-werk van Smit et al (2002), en beweer dat Smit et al se vassitteorie nog tekortkomings het. Die dimensionele vervorming van die ontstekers is ordes hoer as wat die sundgat se binne-afmetings is. Die oenskynlike verskil met die EEA-voorspelling kan slegs toegeskryf word aan die swak ondersteuning van die spesifieke ontstekers. Die rede vir die groot hoeveelheid ontstekers wat vasgesit het, word toegeskryf aan die vuurmeganisme se veer-voorspanning wat nie reg was nie. Die vere agter die vuurmeganisme verskaf ondersteuning aan die ontsteker tydens die drukopbou in die kamer, soortgelyk aan die grendel of slot van 'n geweer.
Volgens Fulton (1976;8) wat die plastiese vervorming van geelkoperdoppe ondersoek het, vind dat sekere materiale minder weerstand teen plastiese vervorming, by hoe temperature as gevolg van die koue werksverharding waaraan die materiale onderwerp was, bied. Die koudverwerking van geelkoper gevolg deur hitte-behandeling, is veral geneig tot die tipe gedrag. Die ontstekerdopmateriaal word tussen 26%o - 30% koudverwerk ten einde die vioeigrens te verhoog, sodat die ontstekerdop die hoe kamerdrukke kan weerstaan.
FIGUUR 20: Ontsteker 6.29 (511MPa) met vlekke as gevolg van gaslekkasies en 'n rif wat toon dat die buitedeursnee baie groter is as die
sundgatbinnedeursnee (Grobler, 2002). 12.8 -12.6 Candyproef 20/8/02 12.8 -12.6 \ \ B 12.8 -12.6 ^ - * - Sundgat-as 010 Ontsteker 6.29 B £ 12.2 <U <jj 12.0 in &_ 5> 11.8 Q 11.6 11.4 - * - Sundgat-as 010 Ontsteker 6.29 B £ 12.2 <U <jj 12.0 in &_ 5> 11.8 Q 11.6 11.4 B £ 12.2 <U <jj 12.0 in &_ 5> 11.8 Q 11.6 11.4 B £ 12.2 <U <jj 12.0 in &_ 5> 11.8 Q 11.6 11.4 B £ 12.2 <U <jj 12.0 in &_ 5> 11.8 Q 11.6 11.4 B £ 12.2 <U <jj 12.0 in &_ 5> 11.8 Q 11.6 11.4 B £ 12.2 <U <jj 12.0 in &_ 5> 11.8 Q 11.6 11.4 B ( ) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 4
Afstand vanaf rand (mm)
B
FIGUUR 2 1 : Opmeetresultate van die buitedeursnee van die ontsteker 6.29 en binnedeursnee van die sundgat 010 (Grobler, 2002).
2.2 SAMEVATTING
In hierdie hoofstuk is 'n oorsig gegee van ondersoeke wat vooraf gedoen is, ten einde 'n oplossing te vind vir die vassitprobleem. Die ondersoeke van Sandenbergh et al was gerig op die rol wat die materiaal in die vassitprobleem gespeel het. Die ondersoeke was geslaagd in die geval van die 45 kaliberstelsels. Die ontwikkeling van die 52 kaliberstelsels het die probleem egter weer na vore laat kom en die
pogings van Stapelberg om die materiaal se meganiese eienskappe te verbeter, was nie geslaagd nie.
Ondersoeke deur LIW op die uittrekmeganisme, die sundgat se binneprofiele, asook die chroom van die sundgat, het ook nie die probleem opgelos nie.
Die ondersoek van Oosthuizen het getoon dat die verbeterde meganiese materiaaleienskappe van die ontstekerdop 'n verbetering met betrekking tot die vassitprobleem te weeg gebring het en dat die verf van die ontstekers met Gun Kote, ook voordele inhou.
Die Eagle-stelsel was egter 'n uitsondering aangesien die vassit van ontstekers en veral omtrekbreuke toegeneem het, ten spyte van alle pogings om dit te verhoed.
Die EEA het die moontlike probleemareas in die ontwerp van die ontsteker uitgewys waarop daar tydens die voorondersoeke in veral die Kingfisher en Losvoorstelsels gekonsentreer is.
Die werk het dus die volgende inligting opgelewer ten opsigte van die vassitprobleem: • dat plastiese vervorming 'n rol speel,
• Smit et al se teorie, soos ontwikkel uit die EEA-werk, nie die materiaal eienskappe by hoe vervormingtempo's in ag neem nie,
• die kwalitatiewe eienskappe van die materiaal waarvan die ontstekers vervaardig is, nie ondersoek is nie.
Die volgende spesifieke doelstellings is daarom geformuleer:
• die bydrae van materiaaleienskappe tot die probleem te ondersoek en
• die hoe vervormingstempo-eienskappe van CZ124-geelkoper te bepaal, waarmee die EEA-materiaaldatabasis opgedateer kan word, ten einde die resultate soos verkry, te kan verifieer.
Dit is duidelik dat vorige ondersoeke min of geen aandag, aan die ontstekermateriaallotte wat gebruik is tydens die ondersoeke, gegee is nie. Om die studie sistematies aan te pak, is besluit om ontstekers van dieselfde materiaallot onder gekontroleerde omstandighede te vervaardig en by geleentheid onder dinamiese toestande te ondersoek.
Die empiriese ondersoek sal derhalwe die volgende insluit: • Chemiese samestelling van roumateriale,
• loodverspreiding in roumateriale,
• mikrostruktuuranalises van geelkoperlegerings (CZ124 en CZ121), • materiaalhardhede,
HOOFSTUK3
EKSPERIMENTELE PROSEDURES
3 INLEIDING
In hierdie hoofstuk word die materiaalondersoek uiteengesit. Die tweede gedeelte word gewy aan die hoe vervormingstempotoetse wat met behulp van "Hopkinson Pressure B a r " toetse uitgevoer is op die geelkoperlegerings. Die derde deel word gewy aan die samestelling van die proefmonsters, die uitvoering van die proef en die ondersoek van die ontstekers na die proef en die ontleding van die proefresultate.
Die ontstekerdopmateriaal is die lotbepalende komponent van die M82-ontsteker. Dit beteken dat daar van net een spesifieke CZ124-geelkoperlegeringlot per gevulde ontstekerlot, vir die vervaardiging van die ontstekerdop, gebruik mag word. Die CZ124-geelkoperlegeringlot wat vir die ondersoek gebruik is, was lot AE/01 en lot AE/02-ontstekers (kyk materiaalsertifikaat in Bylaag 1). Die res van die ontstekerkomponente, CZ121-geelkoperlegering, word normaalweg uit een of meer materiaallotte vervaardig. 'n Totaal van dertig CZ124-geelkoperstawe en twintig CZ121-stawe, is gekies vir die vervaardiging van die ontstekers vir die ondersoek.
3.1 ONDERSOEK VAN DIE MATERIAALEIENSKAPPE
Uit die dertig CZ124-ontstekerdopmateriaalstawe) is tien stawe gekies waaruit die
materiaalondersoek- en trektoetsmonsters (volgens die ASTM spesifikasie) gemasjineer is. Die monsters is gemerk M1 tot M10, waar die monsters aan beide ente per staaf M1-1 en M1-2 genommer is. Daar is ook monsters na die Universiteit van Kaapstad gestuur vir hoe vervormingstempotoetse.
Van die CZ121-stermagasynmateriaal is twintig stawe gebruik, waaruit die poleerstukke vervaardig is vir die mikrostruktuurondersoek. Die rede vir die dertig stawe is dat die materiaal volgens 'n kommersiele spesifikasie aangekoop word en die kwaliteit van die materiaal onbekend was. Die stermagasynmatehaaimonsters is S1 tot S20 genommer met die monsters vanaf beide ente per staaf S1-1 en S1-2. Van die materiaal is ook aan die Universiteit van Kaapstad gestuur vir hoe vervormingstempotoetse.
'n Hoeveelheid van ongeveer 500 stelle ontstekerkomponente is vervaardig vir dinamiese toetse in !n wapen (kyk aanvaardingsertifikaat in Bylaag 1).
3.1.1 TREKTOETSE OP ONTSTEKERMATERIAAL
Daar is uit die tien CZ124-stawe en die twintig CZ121-stawe, een trektoetsmonster per staaf (volgens ASTM E 8M-99) gemasjineer. Die treksterkte, vloeigrens (0,2%) en verlenging is bepaal en die resultate word in Hoofstuk 4 uiteengesit en bespreek.
3.1.2 MIKROSTRUKTURELE-ONDERSOEKVAN DIE MATERIAALMONSTERS Die monsters is vanaf dieselfde stawe (beide ente) as die trektoetsmonsters gemasjineer. Die monsters is deurgesny, gemonteer (kyk Figuur 22), geslyp, poleer en geets met 'n oplossing van NH4OH, H20 en H202 (1:1:1) om die mikrostruktuur, beide
radiaal en aksiaal, te kon waarneem. Die monsters is deurgesny, ten einde beide die radiale- en aksiale-mikrostrukture te kon waarneem. Die korrelgroottes van die materiale is volgens die nie-metaal korrelgrootte ASTM-standaard metode bepaal, soos voorgeskryf in Kehl (1949; 293), nadat die monsters geets is. Die data word uiteengesit in Tabel 2 en bespreek in Hoofstuk 4. Tipiese mikrostrukture, soos aangetref in die verskillende monsters, word getoon en bespreek in Hoofstuk 4.
FIGUUR 22: Montering van monsters vir metallurgiese ondersoek (Halfronde gedeelte-radiaal en vierkant-aksiaal).
3.2 HOE VERVORMINGSTEMPOTOETSE
Hoe vervormingstempotoetse is deur TJ Cloete, Departement Meganiese Ingenieurwese, Universiteit van Kaapstad uitgevoer. Die afdeling spesialiseer in die uitvoering van hoe vervormingstempotoetse op materiale.
Twee tipes hoe vervormingstempotoetse is gedoen, naamlik, die "Split Hopkinson Pressure Bar" (SHPB) en die "Direct Impact Hopkinson Pressure Bar" (DIHB) toetse. Beide metodes word gebruik vir die bepaling van hoe vervormingstempokrommes op materiale, met die maksimum vervormingstempo's van die twee metodes wat verskil, naamlik 1000s"1 en 5000s"1 onderskeidelik. Die verskil in vervormingstempo's word
verkry deur die impakstaaf, in die DIHB-toets, direk met die monster te laat bots en nie soos met die SHPB-toets, met die ontvangerstaaf nie. Die direkte impak met die toetsmonster gee daartoe aanleiding dat die vervormingstempo's baie hoer is.
Die SHPB-toets kan in beide die trek- en saamdrukmodus gedoen word. Die DIHB daar- teenoor kan net in die saamdrukmodus gedoen word.
Die hoe vervormingstoetse wat in die verslag bespreek word, is net in die saamdrukmodus gedoen. Twee redes vir die besluit was eerstens, die vergelyking van die data tussen die SHPB en die DIHB-toetse en tweedens, dat die interpretasie van die SHPB-data in die trekmodus, as gevolg van die aanwesigheid van die skroefdrade, baie meer kompleks en moeilik interpreteerbaar is, sonder die hulp van 'n hoespoedvideokamera wat die lokale vervorming intyds kan monitor. Die skroefdrade, op die punte van die trektoetsmonster, vergemaklik ook nie die interpretasie van die data, indien die skroefdrade op al die monsters nie identies is nie. As gevolg van die twee redes, is slegs hoe vervormingstempotoetse in die saamdrukmodus gedoen.
Beide die SHPB en die DIHB-spanningsvervormingskrommes vertoon nie, soos wat die geval is met kwasie-statiese spanningsvervormingskrommes, 'n elastiese area wat in verband gebring kan word met Young se modulus nie. Die rede hiervoor is dat die eerste gedeelte van die spanningsvervormingskrommes die aanvanklike "ringing up" van die dinamiese vervorming weerspieel, waarna 'n meer dinamiese ewewig intree. Die periode van die aanvanklike "ringing up" is afhanklik van die monsterlengte en die spanningsgolflengte (Cloete et al, 2004).
Die konvensionele trektoetsapparaat is beperk ten opsigte van vervormingstempo's (0,001s-1) wat die apparaat kan bereik, asook die feit dat ossillasies en spanningsgolwe,
die metings van die spanningsmeetsel ("load cell") bemvloed by hoer vervormingstempo's.
3.2.1 "SPLIT HOPKINSON PRESSURE BAR" EKSPERIMENTELE PROSEDURE (SHPB)
'n Skematiese diagram van die SHPB-apparaat se opstelling word in Figuur 23 uiteengesit.
Die opstelling van die apparaat behels 'n starraam as basis waarop die gaskanon en die vier ondersteuningspunte, met Teflonbusse, gemonteer is. Die versending en ontvangerstawe word deur die Teflonbusse, wat !n baie lae wrywingkoeffisient het,
ondersteun (kyk Figuur 24).
Gaskanon
\
Imoakstaaf Ontvangerstaaf Versendinqstaaf 4 5 U g f I Rekstrokies Rekenaar met datakaart
r
Monster SeinversterkersFIGUUR 23: 'n Skematiese voorstelling van die "Split Hopkinson Pressure Bar"-apparaat (Marais eta/, 2004).
Beide stawe, die ontvanger en versending, is van silwerstaal vervaardig met 'n lengte van 1.5m en deursnee van 20mm elk. Die rekstrokies ("strain gauges") is 300mm vanaf die impakstaafkant en 716mm vanaf die monsterkant van die ontvangerstaaf aangebring. Die rekstrokie op die versendingstaaf is 716mm vanaf die monsterkant af, aangebring.
Die gaskanon se werking geskied met druklug en die impakstaafsnelheid word verander deur die lugdruk met behulp van 'n reguleerder te beheer.
Die rekstrokies word aan seinversterkers gekoppel waarvandaan die seine na 'n rekenaardatakaart gestuur word, sodat die data op die rekenaar vertoon en gestoor kan word vir verdere verwerking.
Die snelheid van die impakstaaf word met behulp van twee fotodiodes, op 'n afstand van 80,5mm vanaf mekaar, bepaal. Die diodeseine word na 'n ossilloskoop gestuur, waarvandaan die impakstaafsnelheid bepaal word.
FIGUUR 24: Foto van die "Split Hopkinson Pressure Bar"-toetsapparaat (foto TJ Cloete).
3.2.1.1 KALIBRASIE VAN DIE APPARAAT
Voordat die toetse uitgevoer word, moet die stelsel gekahbreer word, ten einde te verseker dat die rekstrokiedata korrek is. Die kalibrasie word uitgevoer deur die amplitude van 'n puls, as gevolg van die impak, met die impakstaafsnelheid te vergelyk. Die kalibrasie word met elke staaf apart en dan saam, sonder 'n toetsmonster tussenin, uitgevoer.
Die bepaling van die longitudinale golfsnelheid is krities en neem variasies in die stelsel as gevolg van rekstrokies, die wyse waarop dit vasgeplak is, verbindingskabels, seinversterkers, ens, in ag.
Die kalibrasie metodes en die uitvoering daarvan word bespreek in Hoofstuk4.
3.2.1.2 UlTVOERVAN'n SHPB-EPSPERIMENT
Die uitvoervan 'n SHPB-eksperiment, is soos volg:
1) Die toetsmonster, in die geval 'n geelkopersilinder met 'n deursnee van 5,0mm en 'n lengte van 5,0mm, word nadat dit noukeurig opgemeet en die dimensies genoteer is, tussen die ontvanger en versendingstaaf geplaas. Die kopkante van die twee stawe waartussen die monster geplaas word, is met 'n dun lagie Molibdeendisulfiedghries bedek, sodat die monster daaraan kan vasplak. Die sekondere doel van die ghries is om die wrywing tussen die stawe en die toetsmonster tydens vervorming te verminder.
2) Die seinversterkers word aangeskakel en die datastoorprogram word op snellermode ("trigger mode") gestel.
3) Die impakstaaf word in die gaskanon geplaas. Die drukreguleerder word gestel op die verlangde druk vir die verlangde snelheid. Die ossilloskoop word ook op die sneller-modus gestel.
4) Die druklugsolonoiede word geaktiveer wat die impakstaaf laat uitskiet en met die ontvangerstaaf bots. Die botsing wek 'n spanningsgolf in die ontvangerstaafmateriaal op wat in die staaf afbeweeg na die monster. Die spanningsgolf word deur die rekstrokies gemeet en die data op die rekenaar gestoor.
5) 'n Gedeelte van die spanningsgolf beweeg deur die toetsmonster en omrede die toetsmonster 'n sagter materiaal is as die stawe, vervorm die toetsmonster tussen die twee stawe. 'n Gedeelte van die spanningsgolf word deurgelaat na die versendingstaaf en die effek daarvan word deur die rekstrokie op die staaf gemeet. Yi Gedeelte van die spanningsgolf word weerkaats en beweeg terug in die ontvangerstaaf en die effek daarvan word gemeet deur die rekstrokies op die staaf (kyk Figuur 25a).
6) Die snelheid van die impakstaaf word uit die ossilloskoopdata bereken en genoteer.
7) Die finale lengte en deursnee van die toetsmonster word gemeet en genoteer.
8) Die rekstrokiedata word gestoor en verder verwerk, soos uiteengesit in Bylaag 3.
9) Vanuit die impakstaafsnelheid en die tydsafhanklike vervormingsdata is die spanningsvervormingsverloop en die vervormingstempo bereken (Figuur 25b).
Die resultate van die eksperimente en die bespreking daarvan word uiteengesit in Hoofstuk 4.
FIGUUR 25: a) Tipiese gemete rekstrokieseine.
b) Tipiese spanningvervormings- en vervormingstempografiek. (Marais et al, 2004).
3.2.1.3 " D I R E C T IMPACT HOPKINSON PRESSURE BAR"-EKSPERIMENTELE PROSEDURE (DIHB)
Die verskil tussen die SHPB en die DIHB toetse is, dat die DIHB-toets nie 'n ontvangerstaaf het wat die spanningsgolf na die monster oordra nie, maar die impakstaaf tref die monster direk, sodat groter vervormings en hoer
vervormingstempo's verkry kan word. Die mate van vervorming is groter, aangesien die traagheid van die ontvangerstaaf nie 'n rol speel nie.
Die eksperimentele opstelling vir die DIHB is dieselfde as die vir die SHPB (kyk Figuur 23), behalwe dat die ontvangerstaaf met die twee rekstrokies, nie gebruik word nie. Die spanningsgolf, wat as gevolg van die impak ontstaan, gaan deur die monster wat vervorm word en 'n gedeelte van die spanningsgolf word oorgedra na die versendingstaaf en die? effek met 'n rekstrokie gemeet. 'n Gedeelte van die spanningsgolf word weerkaats as :n trekspanningsgolf in die impakstaaf en die
weerkaatsings moet in terme van golffaseveranderings in berekening gebring word by die bepaling van die resulterende spanningvervormings.
Die dataverwerking is meer kompleks vir die metode as gevolg van die weerkaatsings in die impakstaaf en omdat net een spanningsein, die van die rekstrokie op die versendingstaaf, uit die toets verkry word (Figuur 25a: Deurgelate spanningsgolf). 'n Aanname word gemaak dat die toetsmonster aan 'n homogene spanning en vervorming onderwerp word. Aangesien die aanname nie heeltemal korrek is nie, word daar in die verwerking van die data voorsiening daarvoor gemaak.
Die eksperimentele prosedure van die DIHB-metode is dieselfde as die SHPB-metode, behalwe dat die toetsmonster net aan die versendingstaaf vasgeplak word, omrede die ontvangerstaaf nie gebruik word nie.
Die tradisionele verwerking van die spanningsgolf, soos in bestaande literatuur aangedui, word slegs vir 'n tydsinterval kleiner as 2 T bereken (Gorham et al, 1992J. Die tydsinterval T, is die tyd wat dit die spanningsgolf neem om een keer deur die impakstaaf te beweeg en word as volg gedefinieer:
J-zimp I ■" v
C V P
^-imp - Impakstaaflengte Ey - Young se modulus
p - Impakstaafdigtheid.
C - golfsnelheid deur impakstaaf.
Die rede vir die beperking van die tyd 2 T , is dat die weerkaatsde spanningsgolf die impakintervlak met die toetsmonster bereik. Die impakintervlak se beweging na die tyd 2 T , kon nie bereken word vir die totale tydsduur van die impak nie.
Cloete et al (2004) stel 'n verwerkingsmetode voor, waar hy die "Eendimensionele skokgolfteorie" gebruik om die spanningsgolfgedrag in die impakstaaf te konstrueer tydens die impak met die toetsmonster. Uit die analise kan die snelheidsgeskiedenis van die impakstaaf se voorste en agterste vlakke bepaal word. Die snelheidsgeskiedenis word gebruik om die vervorming en vervormingstempo te bereken en die finale toetsmonsterlengte te bereken. Die berekende finale lengte kan dan met die toetsmonster se gemete finale lengte vergelyk word. Die analisemetode, alhoewel nie gepubliseer nie, is met behulp van die gemete data geverifieer.
Die verwerking van die spanningsein, asook die eksperimentele foutberekening, word in Bylaag 3 bespreek. Die resultate van die DIHB-toetse word in Hoofstuk 4 bespreek.
3.3 DINAMIESE PROEF TE ALKANTPAN
'n Eagle-proef was vir 25-27 Februarie 2003 geskeduleer, wat deel gevorm het van die stelselkwalifikasie en voorbereiding vir'n buitelandse demonstrasie. Die proef was die ideale geleentheid om;
1. die kritieke areas, wat tydens die saamstel van die ontstekers aangespreek is, in die M82-ontsteker se meganiese ontwerp aan die hand van die EEA bevindinge te evalueer,
2. die invloed van die materiaaleienskappe op die meganiese vervorming in die ontstekers te bepaal,
3. indien daar ontstekers is wat vassit, die oorsaak daarvan te probeer vasstel.
3.3.1 SAAMSTEL VAN DIE ONTSTEKERS VIR DIE EAGLE-PROEF
'n Totaal van 450 ontstekers is vir die proef saamgestel met komponente wat uit die materiaalondersoekstawe (soos in Hoofstuk 3.1 beskryf) vervaardig is. Inaggenome die vassit- frekwensie van die ontstekers in die Eagle-wapen, was daar 'n goeie kans dat van die ontstekers tydens die proef sou vassit.
Met die samestelling van die ontstekers is daar spesiale aandag aan die volgende areas, soos voorgestel deur Smit in paragraaf 2.1.2.1, bladsye 15 en 19, gegee (kyk Figuur 26);
1. die slagdoppie se stupassing ("press fit") is verbeter deur die slagdoppie met Loctite 6 0 19 te bestryk, voordat die slagdoppie in die slagdoppiehouer
ingepers is,
2. die kontakarea tussen die slagdoppiehouer en die ontstekerdop is met Loctite 601 geseel vir gaslekkasies,
3. die kontakarea tussen die slagdoppiehouer en die stermagasyn is met Loctite afgeseel,
4. die ontstekerbuitekante is met Gun Kote bedek,
5. die voorkant van die ontsteker is met Araldite10 afgeseel.
Die ontstekers is met 'n gespesifiseerde yk (tekeningnommer: 04-1390-2538-0501), vir die buiteprofiel, dimensioneel aanvaar en vrygestel vir die proef.
FIGUUR 26: Kritiese areas, in ontwerp soos met EEA geTdentifiseer, waar daar tydens samestelling aan aandag gegee is. Letters a-e verwys na posisies waar mikrohardheidsmetings gedoen is (Tabel 6).
Loctite 'n produk van Loctite SA wat word op skroefdrade en asse gebruik om die losdraai daarvan te verhoed.
10 Araldite 'n Epoksie verbinding van Ciba Geigy.
