Une expérience de simulation virtuelle de la mécanique: déformation et défaillance des matériaux basée sur la microscopie électronique à balayage

Summary

Ce travail présente une expérience de simulation virtuelle tridimensionnelle pour la déformation et la défaillance des matériaux qui fournit des processus expérimentaux visualisés. Grâce à un ensemble d’expériences, les utilisateurs peuvent se familiariser avec l’équipement et apprendre les opérations dans un environnement d’apprentissage immersif et interactif.

Abstract

Ce travail présente un ensemble d’expériences virtuelles complètes pour détecter la déformation et la défaillance des matériaux. Les équipements les plus couramment utilisés dans les disciplines mécaniques et matérielles, tels qu’une machine de découpe métallographique et une machine d’essai de fluage universelle à haute température, sont intégrés dans un système basé sur le Web pour fournir différents services expérimentaux aux utilisateurs dans un environnement d’apprentissage immersif et interactif. Le protocole de ce travail est divisé en cinq sous-sections, à savoir, la préparation des matériaux, le moulage de l’échantillon, la caractérisation de l’échantillon, le chargement des échantillons, l’installation de nanopénétrateurs et les expériences SEM in situ , et ce protocole vise à fournir une opportunité aux utilisateurs concernant la reconnaissance des différents équipements et les opérations correspondantes, ainsi que l’amélioration de la sensibilisation des laboratoires, etc., en utilisant une approche de simulation virtuelle. Pour fournir une orientation claire pour l’expérience, le système met en évidence l’équipement / spécimen à utiliser à l’étape suivante et marque la voie qui mène à l’équipement avec une flèche bien visible. Pour imiter au mieux l’expérience pratique, nous avons conçu et développé une salle de laboratoire tridimensionnelle, de l’équipement, des opérations et des procédures expérimentales. En outre, le système virtuel envisage également des exercices interactifs et l’enregistrement avant d’utiliser des produits chimiques pendant l’expérience. Les opérations incorrectes sont également autorisées, ce qui entraîne un message d’avertissement informant l’utilisateur. Le système peut fournir des expériences interactives et visualisées aux utilisateurs à différents niveaux.

Introduction

La mécanique est l’une des disciplines de base de l’ingénierie, comme le montre l’accent mis sur le fondement de la mécanique mathématique et des connaissances théoriques et l’attention accordée à la culture des capacités pratiques des étudiants. Avec les progrès rapides de la science et de la technologie modernes, les nanosciences et la technologie ont eu un impact énorme sur la vie humaine et l’économie. Rita Colwell, ancienne directrice de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, a déclaré en 2002 que la technologie à l’échelle nanométrique aurait un impact égal à celui de la révolution industrielle¹ et a noté que la nanotechnologie est véritablement un portail vers un nouveau monde². Les propriétés mécaniques des matériaux à l’échelle nanométrique sont l’un des facteurs les plus fondamentaux et nécessaires au développement d’applications de haute technologie, telles que les nano-dispositifs ^3,4,5. Le comportement mécanique des matériaux à l’échelle nanométrique et l’évolution structurelle sous contrainte sont devenus des questions importantes dans la recherche nanomécanique actuelle.

Au cours des dernières années, le développement et l’amélioration de la technologie de nanoindentation, de la technologie de microscopie électronique, de la microscopie à sonde à balayage, etc., ont fait des expériences de « mécanique in situ » une technique de test avancée importante dans la recherche en nanomécanique ^6,7. De toute évidence, du point de vue de l’enseignement et de la recherche scientifique, il est nécessaire d’introduire des techniques expérimentales de pointe dans le contenu pédagogique traditionnel concernant les expériences mécaniques.

Cependant, les expériences de mécanique microscopique sont significativement différentes des expériences de mécanique de base macroscopique. D’une part, bien que les instruments et équipements pertinents aient été popularisés dans presque tous les collèges et universités, leur nombre est limité en raison du prix élevé et du coût d’entretien. À court terme, il est impossible d’acheter suffisamment d’équipement pour l’enseignement hors ligne. Même s’il existe des ressources financières, les coûts de gestion et de maintenance des expériences hors ligne sont trop élevés, car ce type d’équipement présente des caractéristiques de haute précision.

D’autre part, les expériences de mécanique in situ telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) sont très complètes, avec des exigences opérationnelles élevées et une période expérimentale extrêmement longue ^8,9. Les expériences hors ligne exigent que les élèves soient très concentrés pendant une longue période, et un mauvais fonctionnement peut endommager l’instrument. Même avec des personnes très qualifiées, une expérience réussie nécessite quelques jours, de la préparation des spécimens qualifiés au chargement des spécimens pour les expériences de mécanique in situ. Par conséquent, l’efficacité de l’enseignement expérimental hors ligne est extrêmement faible.

Pour résoudre les problèmes ci-dessus, la simulation virtuelle peut être utilisée. Le développement de l’enseignement de l’expérience de simulation virtuelle peut résoudre le goulot d’étranglement des coûts et des quantités de l’équipement expérimental de mécanique in situ et, ainsi, permettre aux étudiants d’utiliser facilement diverses pièces d’équipement avancées sans endommager les instruments de haute technologie. L’enseignement de l’expérience de simulation permet également aux étudiants d’accéder à la plate-forme d’expérience de simulation virtuelle via Internet à tout moment et n’importe où. Même pour certains instruments à faible coût, les étudiants peuvent utiliser des instruments virtuels à l’avance pour la formation et la pratique, ce qui peut améliorer l’efficacité de l’enseignement.

Compte tenu de l’accessibilité et de la disponibilité des systèmes basés sur le Web¹⁰, dans ce travail, nous présentons un système d’expérimentation de simulation virtuelle basé sur le Web qui peut fournir un ensemble d’expériences liées aux opérations fondamentales en mécanique et en matériaux, en mettant l’accent sur l’expérience de mécanique in situ .

Protocol

Dans ce travail, les procédures de l’expérience de rupture de faisceau microcantilever avec fissures sont discutées comme suit, qui est ouverte à l’accès libre via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Toutes les étapes sont effectuées dans le système en ligne basé sur l’approche de simulation virtuelle. L’approbation du Comité d’examen institutionnel n’était pas requise pour cette étude. Le consentement a été obtenu des étudiants volontaires qui ont participé à cette étude.

1. Accès au système et entrée dans l’interface

1. Ouvrez un navigateur Web et entrez l’URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd pour accéder au système.
   REMARQUE: L’URL fournie est accessible via un navigateur Web grand public sans nom d’utilisateur ni mot de passe.
2. Trouvez l’interface de simulation virtuelle à l’aide de la barre de défilement verticale.
   Remarque : La scène virtuelle est incorporée dans le Web.
3. Cliquez sur l’icône Plein écran dans le coin inférieur droit pour activer une interface plein écran .
4. Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience pour commencer.
5. Cliquez sur le bouton Entrée pour suivre les instructions pour les débutants, ou cliquez sur le bouton Ignorer pour ignorer cette étape.
   REMARQUE: L’utilisateur peut choisir de suivre (bouton Entrée ) ou ignorer (bouton Ignorer ). Le guide pour les débutants fournit des descriptions de l’ensemble du système. L’interface met également en évidence les instructions d’utilisation étape par étape pour effectuer les opérations ou l’équipement prévus. La figure 1 montre l’équipement utilisé dans l’expérience, y compris sept types d’équipements dans les disciplines mécanique et matérielle. Il est recommandé aux débutants de suivre ces conseils.

2. Préparation du matériel

1. Commencez l’expérience après avoir terminé la formation de niveau débutant. Suivez les instructions de l’interface pour vous rapprocher de la table de laboratoire qui contient les plaquettes de silicium, passez en revue les différences entre les plaquettes de silicium de type normal et de type fissure et sélectionnez le modèle de fissure.
   REMARQUE : Entrez dans l’interface d’expérience et effectuez des expériences conformément au guide de voie mis en surbrillance. Les conseils mis en évidence sont fournis tout au long du processus afin d’offrir des orientations claires pour l’expérimentation.
2. Sélectionnez un matériau dans la liste des matériaux fournis.
   REMARQUE: La liste des matériaux fournie comprend l’or, l’argent, le PtCuNiP, le ZrTiCuNiBe, le polyéther-éther-cétone (PEEK) et le polyméthacrylate de méthyle (PMMA).
3. Chargez le matériau sélectionné sur la pince de coupe en cliquant sur le matériau en surbrillance. Cliquez sur le bouton ON/OFF en surbrillance (sur le côté droit) pour activer la pince de coupe, cliquez sur le bouton Vitesse (sur le côté gauche) et définissez la vitesse de la machine de découpe métallographique dans une interface pop-up.
   REMARQUE: L’utilisateur peut définir une vitesse appropriée comme il le souhaite. Une fois la vitesse définie par l’utilisateur, la pince de coupe sera activée et la barre brute sera coupée en fines tranches.
4. Empilez le moule, la feuille de métal et la feuille de couverture ensemble à tour de rôle en cliquant et en faisant glisser l’objet en surbrillance comme indiqué dans l’interface utilisateur.
   REMARQUE: Après avoir coupé le matériau, cette étape d’assemblage est nécessaire avant le moulage nano-moule.

3. Moulage de l’échantillon

1. Marchez virtuellement jusqu’à la machine d’essai de fluage universel à haute température en suivant les instructions indiquées à la figure 2 et placez virtuellement les échantillons empilés entre les pinces à plaques de la machine d’essai de fluage universelle.
   REMARQUE: Après cette étape, l’ordinateur virtuel sur le côté gauche de la machine de test de fluage universel à haute température sera mis en surbrillance.
2. Cliquez sur l’ordinateur virtuel et définissez le schéma de test sur l’ordinateur de contrôle de la machine de test de fluage universelle.
   REMARQUE: Après cette étape, l’équipement auxiliaire de la machine d’essai de fluage universel à haute température pour le chauffage et le pompage sous vide sera mis en évidence pour guider l’utilisateur.
3. Cliquez sur Équipement de chauffage et de pompage sous vide en surbrillance et allumez l’alimentation. Ouvrez la pompe mécanique virtuelle et la soupape de recul dans l’interface en cliquant sur les boutons en surbrillance.
   REMARQUE: Cette étape termine les réglages de contrôle du vide du système dans le système de contrôle du vide de la machine d’essai de fluage universelle.
4. Cliquez sur le bouton Effacer du panneau de configuration de la machine de test de fluage universelle pour effacer les données. Cliquez sur le bouton Exécuter sur le panneau de commande de la machine d’essai de fluage universelle pour terminer l’expérience, qui copie le motif sur le moule sur la tôle en utilisant la méthode de moulage par compression de plaque parallèle.
   REMARQUE: Une fois le moulage terminé, retirez l’échantillon et fermez la soupape de recul et la pompe mécanique, etc., de l’équipement de chauffage et de pompage sous vide en cliquant sur les boutons à tour de rôle au besoin (dans les équipements de chauffage et de pompage sous vide réels, l’ordre inverse peut provoquer l’épuisement de la pompe moléculaire).
5. Cliquez à nouveau sur l’ordinateur virtuel et vérifiez les données expérimentales sur l’ordinateur de contrôle de la machine d’essai de fluage universelle.
6. Ouvrez la plaque de couverture de la machine d’incrustation d’échantillons métallographiques et placez l’échantillon.
   1. Cliquez sur la poudre de PMMA en surbrillance pour verser la poudre préparée, et cliquez sur le moule en surbrillance pour le placer sur la poudre de PMMA.
   2. Cliquez sur le volant en surbrillance pour ajuster la position du moule, qui couvrira automatiquement la plaque de recouvrement. Cliquez sur le bouton ON/OFF pour allumer la machine d’incrustation. Retirer l’échantillon incrusté de PMMA après refroidissement.
      NOTE: L’échantillon moulé doit être monté sur la machine d’incrustation dans le bon sens, comme indiqué à la figure 3, dans laquelle le matériau thermoplastique PMMA est utilisé dans l’expérience. Assurez-vous que la poudre de PMMA fond et adhère à la surface de l’échantillon. Le coin inférieur gauche de la figure 4 illustre la direction correcte après que l’utilisateur a confirmé la sélection illustrée à la figure 3.
7. Entrez dans la pièce pour le polissage et la corrosion en suivant le guidage de la voie, comme illustré à la figure 5. Trouvez la machine de polissage en surbrillance et cliquez sur la pince de la machine à polir pour monter l’échantillon incrusté sur la pince. Réglez la vitesse de meulage et de polissage de l’échantillon pour éliminer le substrat de matériau moulé.
   REMARQUE: Broyez le moule sur un côté du moule jusqu’à ce que le motif sur le moule soit exposé.

4. Caractérisation de l’échantillon

1. Inscrivez-vous dans l’e-notebook avant d’utiliser un produit chimique. Ouvrez l’armoire de stockage de produits chimiques et retirez la solution solide de KOH et d’acétone. Cliquez sur le bécher en surbrillance pour utiliser la solution d’acétone afin de nettoyer le spécimen. Cliquez sur un autre bécher en surbrillance et un KOH solide pour la préparation du liquide de corrosion afin de préparer une solution à 10% KOH. Cliquez sur la solution KOH en surbrillance et sur l’échantillon pour corroder l’échantillon en un échantillon métallographique.
   REMARQUE: Dans cette expérience, pour éliminer le moule en silicium, une solution KOH de 6 mol/L est généralement préparée, l’échantillon est placé dans la solution de préparation, et le bécher contenant la solution de corrosion et l’échantillon est placé sur une plaque chauffante pour chauffer afin d’accélérer la vitesse de corrosion.
2. Nettoyez l’échantillon après avoir retiré le substrat de silicium et effectuez un test caractérisé avec l’échantillon préparé au microscope optique.
   NOTE: N’oubliez pas de déterminer l’intégrité de l’échantillon après le meulage et la corrosion.

5. Chargement des échantillons et installation du nanopénétrateur

1. Chargez l’échantillon sur l’étage d’échantillonnage du nanopénétrateur. Choisissez le pénétrateur à cône pour le monter sur le pilote du système de test micro et nanomécanique. Cliquez sur le lecteur en surbrillance pour le connecter au nanopénétrateur.
   REMARQUE: La « goupille » doit être insérée dans l’arbre d’entraînement lors de l’installation du pénétrateur, et comme l’arbre d’entraînement est une barre mince, le verrou évite d’endommager l’arbre d’entraînement lors de la vissage du pénétrateur avec une extrémité filetée dans le lecteur.

6. Expérience SEM in situ

1. Cliquez sur le bouton Évent dans le logiciel de contrôle SEM après avoir installé le pénétrateur du nanopénétrateur et chargé l’échantillon comme décrit au point 5.1.
2. Ouvrez la chambre SEM après avoir rompu le vide, installez le nanopénétrateur sur l’étage d’échantillonnage MEB et connectez les fils (la Figure 6 montre un exemple de connexion de l’un des fils).
3. Ouvrez le logiciel de contrôle du nanopénétreur et sélectionnez Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
   REMARQUE: Le processus d’initialisation de la position de l’étage d’échantillon de nanopénétrateur doit être effectué dans l’état dans lequel la cavité SEM est ouverte pour éviter que le processus d’initialisation de l’étage d’échantillon de nanopénétrateur ne heurte le pôle de l’orifice de sortie d’électrons SEM.
4. Fermez la chambre SEM et cliquez sur le bouton Pompe du logiciel de contrôle SEM.
5. Cliquez sur le bouton Haut ou Bas dans le logiciel de contrôle SEM pour ajuster la position de l’étage d’échantillonnage afin que l’échantillon à mesurer tombe dans le champ de vision SEM. Cliquez sur le bouton OK pour fixer la position. Cliquez sur le bouton EHT en surbrillance pour allumer le canon à électrons. Cliquez sur le bouton Caméra et passez en mode d’observation par microscopie électronique.
   NOTE: Le pénétrateur du nanopénétrateur doit être contrôlé en mode observation pour s’approcher progressivement de l’échantillon à mesurer.
6. Cliquez sur le bouton Exécuter du logiciel de contrôle du nanopénétrateur.
   NOTE: Au cours de l’expérience, il est nécessaire d’observer et d’enregistrer les caractéristiques de déformation et le processus de défaillance pendant le processus de chargement de l’échantillon et d’ouvrir les données originales de l’expérience dans la fenêtre d’analyse des données une fois l’expérience terminée pour tracer et exporter les données.
7. Cliquez sur le bouton Arrêter du logiciel de contrôle du nanopénétrateur pour mettre fin à l’expérience.
   REMARQUE: L’expérience de simulation virtuelle se termine ici. L’utilisateur est invité à compléter l’exercice d’examen en ligne dans l’interface virtuelle après l’expérimentation.

Results

Le système fournit des directives claires pour les opérations de l’utilisateur. Tout d’abord, la formation de niveau débutant est intégrée lorsqu’un utilisateur entre dans le système. Deuxièmement, l’équipement et la salle de laboratoire à utiliser pour l’opération suivante sont mis en évidence.

Le système peut être utilisé à plusieurs fins éducatives différentes pour différents niveaux d’étudiants. Par exemple, la figure 1 comprend sept des types d’équipement les...

Discussion

L’un des avantages des expériences de simulation virtuelle est qu’elles permettent aux utilisateurs de mener les expériences sans craindre d’endommager le système physique ou de se blesser^{eux-mêmes 11}. Ainsi, les utilisateurs peuvent effectuer toutes les opérations, y compris les opérations correctes ou incorrectes. Cependant, le système envoie à l’utilisateur un message d’avertissement intégré à l’expérience interactive pour le guider dans la conduite correcte des expériences lorsqu’une opération...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Interface virtuelle	Aucun	Aucun http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd