Een virtueel simulatie-experiment van mechanica: materiaalvervorming en falen op basis van scanning elektronenmicroscopie

Summary

Dit werk presenteert een driedimensionaal virtueel simulatie-experiment voor materiaalvervorming en -falen dat gevisualiseerde experimentele processen biedt. Door middel van een reeks experimenten kunnen gebruikers vertrouwd raken met de apparatuur en de bewerkingen leren in een meeslepende en interactieve leeromgeving.

Abstract

Dit werk presenteert een reeks uitgebreide virtuele experimenten om materiaalvervorming en -falen te detecteren. De meest gebruikte apparatuur in de mechanica en materiaaldisciplines, zoals een metallografische snijmachine en een universele kruiptestmachine op hoge temperatuur, zijn geïntegreerd in een webgebaseerd systeem om verschillende experimentele diensten aan gebruikers te bieden in een meeslepende en interactieve leeromgeving. Het protocol in dit werk is verdeeld in vijf subsecties, namelijk de voorbereiding van de materialen, het vormen van het monster, monsterkarakterisering, monsterbelasting, nano-indenterinstallatie en SEM in situ-experimenten , en dit protocol heeft tot doel gebruikers de mogelijkheid te bieden met betrekking tot de herkenning van verschillende apparatuur en de bijbehorende bewerkingen, evenals de verbetering van het laboratoriumbewustzijn, enz., met behulp van een virtuele simulatiebenadering. Om duidelijke richtlijnen voor het experiment te bieden, markeert het systeem de apparatuur / het monster dat in de volgende stap moet worden gebruikt en markeert het pad dat naar de apparatuur leidt met een opvallende pijl. Om het hands-on experiment zo goed mogelijk na te bootsen, hebben we een driedimensionale laboratoriumruimte, apparatuur, operaties en experimentele procedures ontworpen en ontwikkeld. Bovendien houdt het virtuele systeem ook rekening met interactieve oefeningen en registratie voordat chemicaliën tijdens het experiment worden gebruikt. Onjuiste bewerkingen zijn ook toegestaan, wat resulteert in een waarschuwingsbericht dat de gebruiker informeert. Het systeem kan interactieve en gevisualiseerde experimenten bieden aan gebruikers op verschillende niveaus.

Introduction

Mechanica is een van de basisdisciplines in de techniek, zoals blijkt uit de nadruk die wordt gelegd op de basis van wiskundige mechanica en theoretische kennis en de aandacht die wordt besteed aan het cultiveren van de praktische vaardigheden van studenten. Met de snelle vooruitgang van de moderne wetenschap en technologie hebben nanowetenschap en -technologie een enorme impact gehad op het menselijk leven en de economie. Rita Colwell, de voormalige directeur van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), verklaarde in 2002 dat nanoschaaltechnologie een impact zou hebben die gelijk is aan de industriële revolutie¹ en merkte op dat nanotechnologie echt een portaal is naar een nieuwe wereld². De mechanische eigenschappen van materialen op nanoschaal zijn een van de meest fundamentele en noodzakelijke factoren voor de ontwikkeling van hightechtoepassingen, zoals nano-apparaten ^3,4,5. Het mechanische gedrag van materialen op nanoschaal en de structurele evolutie onder stress zijn belangrijke kwesties geworden in het huidige nanomechanische onderzoek.

In de afgelopen jaren hebben de ontwikkeling en verbetering van nano-indentatietechnologie, elektronenmicroscopietechnologie, scanning probe microscopie, enz., "in situ mechanica" experimenten tot een geavanceerde testtechniek gemaakt die belangrijk is in nanomechanica-onderzoek ^6,7. Het is duidelijk dat het vanuit het perspectief van onderwijs en wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk is om grensverleggende experimentele technieken te introduceren in de traditionele onderwijsinhoud met betrekking tot mechanische experimenten.

Experimenten met microscopische mechanica verschillen echter aanzienlijk van macroscopische basismechanica-experimenten. Aan de ene kant, hoewel de relevante instrumenten en apparatuur populair zijn geworden in bijna alle hogescholen en universiteiten, is hun aantal beperkt vanwege de hoge prijs en onderhoudskosten. Op korte termijn is het onmogelijk om voldoende apparatuur aan te schaffen voor offline lesgeven. Zelfs als er financiële middelen zijn, zijn de beheer- en onderhoudskosten van offline experimenten te hoog, omdat dit type apparatuur zeer nauwkeurige kenmerken heeft.

Aan de andere kant zijn in situ mechanische experimenten zoals scanning elektronenmicroscopie (SEM) zeer uitgebreid, met hoge operationele vereisten en een extreem lange experimentele periode ^8,9. Offline experimenten vereisen dat studenten lange tijd zeer gefocust zijn en verkeerde werking kan het instrument beschadigen. Zelfs met zeer bekwame individuen vereist een succesvol experiment een paar dagen om te voltooien, van het voorbereiden van gekwalificeerde exemplaren tot het laden van de monsters voor in situ mechanische experimenten. Daarom is de efficiëntie van offline experimenteel onderwijs extreem laag.

Om de bovenstaande problemen aan te pakken, kan virtuele simulatie worden gebruikt. De ontwikkeling van virtueel simulatie-experimentonderwijs kan de kosten- en kwantiteitsknelpunten van in situ mechanica experimentele apparatuur aanpakken en zo studenten in staat stellen om gemakkelijk verschillende geavanceerde apparaten te gebruiken zonder hightech-instrumenten te beschadigen. Simulatie-experimentonderwijs stelt studenten ook in staat om altijd en overal toegang te krijgen tot het virtuele simulatie-experimentplatform via internet. Zelfs voor sommige goedkope instrumenten kunnen studenten van tevoren virtuele instrumenten gebruiken voor training en oefening, wat de efficiëntie van het lesgeven kan verbeteren.

Gezien de toegankelijkheid en beschikbaarheid van webgebaseerde systemen¹⁰, presenteren we in dit werk een webgebaseerd virtueel simulatie-experimenteersysteem dat een reeks experimenten kan bieden met betrekking tot fundamentele bewerkingen in mechanica en materialen, met een focus op het in situ mechanica-experiment.

Protocol

In dit werk worden de procedures van het microcantilever beam fracture experiment met scheuren als volgt besproken, dat open staat voor vrije toegang via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Alle stappen worden uitgevoerd in het online systeem op basis van de virtuele simulatiebenadering. Voor deze studie was geen goedkeuring van de Institutional Review Board vereist. Toestemming werd verkregen van de studentvrijwilligers die deelnamen aan dit onderzoek.

1. Toegang tot het systeem en het invoeren van de interface

1. Open een webbrowser en voer de URL-http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd in om toegang te krijgen tot het systeem.
   OPMERKING: De opgegeven URL is toegankelijk via een gangbare webbrowser zonder gebruikersnaam en wachtwoord.
2. Zoek de virtuele simulatie-interface met behulp van de verticale schuifbalk.
   OPMERKING: De virtuele scène is ingebed in het web.
3. Klik op het pictogram Volledig scherm in de rechterbenedenhoek om een interface op volledig scherm in te schakelen.
4. Klik op de knop Experiment starten om te starten .
5. Klik op de knop Enter om de richtlijnen voor beginners te volgen of klik op de knop Overslaan om deze stap over te slaan.
   OPMERKING: De gebruiker kan ervoor kiezen om te volgen (knop Enter ) of over te slaan (knop Overslaan ). De begeleiding voor beginners geeft beschrijvingen van het hele systeem. De interface markeert ook de bedieningsinstructies stap voor stap voor het uitvoeren van de beoogde bewerkingen of apparatuur. Figuur 1 toont de apparatuur die in het experiment is gebruikt, waaronder zeven soorten apparatuur in de mechanische en materiële disciplines. Beginners wordt aangeraden om deze begeleiding te volgen.

2. Voorbereiding van de materialen

1. Start het experiment na het voltooien van de training op beginnersniveau. Volg de aanwijzingen op de interface om dicht bij de laboratoriumtafel te "lopen" die de siliciumwafers bevat, bekijk de verschillen tussen de siliciumwafers van het normale type en het crack-type en selecteer de scheursjabloon.
   OPMERKING: Voer de experimentinterface in en voer experimenten uit volgens de gemarkeerde routerichtlijnen. De gemarkeerde begeleiding wordt gedurende het hele proces gegeven om duidelijke richtlijnen te bieden voor experimenten.
2. Selecteer een materiaal in de lijst met verstrekte materialen.
   OPMERKING: De verstrekte materiaallijst bevat goud, zilver, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polyether-ether-keton (PEEK) en polymethylmethacrylaat (PMMA).
3. Laad het geselecteerde materiaal op de snijklem met een klik op het gemarkeerde materiaal. Klik op de gemarkeerde AAN/UIT-knop (aan de rechterkant) om de freesklem in te schakelen, klik op de knop Snelheid (aan de linkerkant) en stel de snelheid van de metallografische snijmachine in een pop-upinterface in.
   OPMERKING: De gebruiker kan een juiste snelheid instellen zoals hij wil. Zodra de snelheid door de gebruiker is ingesteld, wordt de snijklem geactiveerd en wordt de ruwe staaf in dunne plakjes gesneden.
4. Stapel de mal, de metalen plaat en het voorblad achtereenvolgens op elkaar door op het gemarkeerde object te klikken en het te slepen zoals aangegeven in de gebruikersinterface.
   OPMERKING: Na het snijden van het materiaal is deze assemblagestap noodzakelijk voor het gieten van nanomallen.

3. Het spuitgieten van het monster

1. Loop virtueel naar de universele kruiptestmachine op hoge temperatuur volgens de aanwijzingen in figuur 2 en plaats de gestapelde monsters virtueel tussen de plaatklemmen van de universele kruiptestmachine.
   OPMERKING: Na deze stap wordt de virtuele computer aan de linkerkant van de universele kruiptestmachine met hoge temperatuur gemarkeerd.
2. Klik op de virtuele computer en stel het testschema in op de besturingscomputer van de universele kruiptestmachine.
   OPMERKING: Na deze stap wordt de hulpapparatuur van de universele kruiptestmachine voor hoge temperatuur voor verwarming en vacuümpompen gemarkeerd om de gebruiker te begeleiden.
3. Klik op de gemarkeerde verwarmings- en vacuümpompapparatuur en schakel de voeding in. Open de virtuele mechanische pomp en de backingklep in de interface door op de gemarkeerde knoppen te klikken.
   OPMERKING: Met deze stap worden de instellingen van de systeemvacuümregeling in het vacuümbesturingssysteem van de universele kruiptestmachine voltooid.
4. Klik op de knop Wissen op het configuratiescherm van de universele kruiptestmachine om de gegevens te wissen. Klik op de knop Uitvoeren op het bedieningspaneel van de universele kruiptestmachine om het experiment te voltooien, waarbij het patroon op de mal naar de metalen plaat wordt gekopieerd met behulp van de parallelle plaatcompressiegietmethode.
   OPMERKING: Nadat het gieten van de matrijs is voltooid, verwijdert u het monster en sluit u de terugslagklep en de mechanische pomp, enz., Van de verwarmings- en vacuümpompapparatuur door op de knoppen te klikken zoals vereist (in echte verwarmings- en vacuümpompapparatuur kan de omgekeerde volgorde ervoor zorgen dat de moleculaire pomp doorbrandt).
5. Klik nogmaals op de Virtual Computer en controleer de experimentele gegevens op de besturingscomputer van de universele kruiptestmachine.
6. Open de afdekplaat op de metallografische inlegmachine voor monsters en plaats het monster.
   1. Klik op het gemarkeerde PMMA-poeder om het bereide poeder te gieten en klik op de gemarkeerde vorm om het bovenop het PMMA-poeder te plaatsen.
   2. Klik op het gemarkeerde handwiel om de positie van de mal aan te passen, die de afdekplaat automatisch bedekt. Klik op de AAN/UIT-knop om de inlegmachine in te schakelen. Verwijder het PMMA ingelegde exemplaar na afkoeling.
      OPMERKING: Het gegoten monster moet in de juiste richting op de inlegmachine worden gemonteerd, zoals aangegeven in figuur 3, waarin het thermoplastische materiaal PMMA in het experiment is gebruikt. Zorg ervoor dat het PMMA-poeder smelt en zich hecht aan het oppervlak van het monster. De linkerbenedenhoek van figuur 4 illustreert de juiste richting nadat de gebruiker de selectie in figuur 3 heeft bevestigd.
7. Betreed de ruimte voor polijsten en corrosie volgens de routegeleiding, zoals weergegeven in figuur 5. Zoek de gemarkeerde polijstmachine en klik op de grijper van de polijstmachine om het ingelegde exemplaar aan de grijper te monteren. Stel de snelheid in om het monster te slijpen en te polijsten om het substraat van het gegoten materiaal te verwijderen.
   OPMERKING: Maal de mal aan één kant van de mal totdat het patroon op de mal zichtbaar is.

4. Karakterisering van het specimen

1. Registreer u in de e-notebook voordat u een chemische stof gebruikt. Open de chemische opslagkast en haal de vaste KOH- en acetonoplossing eruit. Klik op het gemarkeerde bekerglas om de acetonoplossing te gebruiken om het monster schoon te maken. Klik op een ander gemarkeerd bekerglas en vaste KOH voor corrosievloeistofvoorbereiding om een 10% KOH-oplossing te bereiden. Klik op de gemarkeerde KOH-oplossing en het monster om het monster te corroderen tot een metallografisch monster.
   OPMERKING: In dit experiment, om de siliciummal te verwijderen, wordt meestal een 6 mol / L KOH-oplossing bereid, wordt het monster in de bereidingsoplossing geplaatst en wordt het bekerglas met de corrosieoplossing en het monster op een hete plaat geplaatst om op te warmen om de corrosiesnelheid te versnellen.
2. Reinig het monster na het verwijderen van het siliciumsubstraat en voer een gekarakteriseerde test uit met het voorbereide monster onder een optische microscoop.
   OPMERKING: Vergeet niet om de integriteit van het monster te bepalen na het slijpen en corrosie.

5. Monsterbelasting en nano-indenterinstallatie

1. Laad het monster op het monsterstadium van de nano-indenter. Kies het kegelindrukker om het op de driver van het micro- en nanomechanische testsysteem te monteren. Klik op het gemarkeerde station om het te verbinden met het nano-indenter.
   OPMERKING: De "Pin" moet in de aandrijfas worden gestoken bij het installeren van het indruklichaam, en aangezien de aandrijfas een slanke stang is, voorkomt de vergrendeling beschadiging van de aandrijfas bij het schroeven van het indruklichaam met een schroefdraaduiteinde in de aandrijving.

6. SEM in situ experiment

1. Klik op de knop Vent in de SEM-besturingssoftware nadat u het indruklichaam van de nano-indrukker hebt geïnstalleerd en het monster hebt geladen zoals beschreven in 5.1.
2. Open de SEM-kamer na het doorbreken van het vacuüm, installeer de nano-indenter op de SEM-monstertrap en sluit de draden aan (figuur 6 toont een voorbeeld van het verbinden van een van de draden).
3. Open de besturingssoftware van de nanoindenter en selecteer Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
   OPMERKING: Het positie-initialisatieproces van de nanoindenter-monsterfase moet worden uitgevoerd in de toestand waarin de SEM-holte open is om te voorkomen dat het initialisatieproces van de nano-indentermonstertrap de pool van de SEM-elektronenuitlaatpoort raakt.
4. Sluit de SEM-kamer en klik op de knop Pomp op de SEM-besturingssoftware.
5. Klik op de knop Omhoog of Omlaag in de SEM-besturingssoftware om de positie van de monsterfase aan te passen zodat het te meten monster in het SEM-gezichtsveld valt. Klik op de knop OK om de positie te bepalen. Klik op de gemarkeerde EHT-knop om het elektronenpistool in te schakelen. Klik op de cameraknop en schakel over naar de observatiemodus voor elektronenmicroscopie.
   OPMERKING: Het indruklichaam van de nano-indenter moet in de observatiemodus worden geregeld om het te meten monster geleidelijk te naderen.
6. Klik op de knop Uitvoeren op de besturingssoftware van de nanoindenter.
   OPMERKING: Tijdens het experiment is het noodzakelijk om de vervormingskenmerken en het faalproces tijdens het laadproces van het monster te observeren en vast te leggen en om de oorspronkelijke gegevens van het experiment te openen in het venster voor gegevensanalyse nadat het experiment is voltooid voor het plotten en exporteren van de gegevens.
7. Klik op de knop Stoppen op de besturingssoftware van de nanoindenter om het experiment te beëindigen.
   OPMERKING: Het virtuele simulatie-experiment eindigt hier. De gebruiker wordt gevraagd om de online examenoefening in de virtuele interface na het experiment te voltooien.

Results

Het systeem biedt duidelijke richtlijnen voor de activiteiten van de gebruiker. Ten eerste wordt training op beginnersniveau geïntegreerd wanneer een gebruiker het systeem betreedt. Ten tweede worden de apparatuur en de laboratoriumruimte die moet worden gebruikt voor de volgende stap belicht.

Het systeem kan worden gebruikt voor verschillende educatieve doeleinden voor verschillende niveaus van studenten. Figuur 1 bevat bijvoorbeeld zeven van de...

Discussion

Een van de voordelen van virtuele simulatie-experimenten is dat ze gebruikers in staat stellen om de experimenten uit te voeren zonder zich zorgen te maken over het beschadigen van het fysieke systeem of het veroorzaken van schade aan zichzelf¹¹. Gebruikers kunnen dus alle bewerkingen uitvoeren, inclusief correcte of verkeerde bewerkingen. Het systeem geeft de gebruiker echter een waarschuwingsbericht dat is geïntegreerd in het interactieve experiment om hen te begeleiden bij het correct uitvoeren...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Virtuele interface	Geen	Geen	http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd