Виртуальный имитационный эксперимент по механике: деформация и разрушение материала на основе сканирующей электронной микроскопии

Summary

В этой работе представлен трехмерный виртуальный имитационный эксперимент по деформации и разрушению материала, который обеспечивает визуализированные экспериментальные процессы. С помощью ряда экспериментов пользователи могут ознакомиться с оборудованием и изучить операции в иммерсивной и интерактивной учебной среде.

Abstract

В данной работе представлен комплекс комплексных виртуальных экспериментов по обнаружению деформации и разрушения материала. Наиболее часто используемые единицы оборудования в механике и материаловедении, такие как металлографический режущий станок и высокотемпературная универсальная машина для испытания на ползучесть, интегрированы в веб-систему для предоставления различных экспериментальных услуг пользователям в иммерсивной и интерактивной учебной среде. Протокол в этой работе разделен на пять подразделов, а именно: подготовка материалов, формование образца, характеристика образца, загрузка образца, установка наноиндентора и эксперименты SEM in situ , и этот протокол направлен на предоставление пользователям возможности в отношении распознавания различного оборудования и соответствующих операций, а также повышение осведомленности лаборатории, и т. д., используя подход виртуального моделирования. Чтобы обеспечить четкое руководство для эксперимента, система выделяет оборудование/образец, который будет использоваться на следующем этапе, и отмечает путь, ведущий к оборудованию, заметной стрелкой. Чтобы максимально точно имитировать практический эксперимент, мы спроектировали и разработали трехмерную лабораторную комнату, оборудование, операции и экспериментальные процедуры. Кроме того, виртуальная система также учитывает интерактивные упражнения и регистрацию перед использованием химических веществ во время эксперимента. Также допускаются некорректные операции, что приводит к появлению предупреждающего сообщения, информирующего пользователя. Система может предоставлять интерактивные и визуализированные эксперименты пользователям на разных уровнях.

Introduction

Механика является одной из основных дисциплин в технике, о чем свидетельствует акцент, сделанный на основе математической механики и теоретических знаний, а также внимание, уделяемое развитию практических способностей студентов. С быстрым развитием современной науки и техники нанонаука и технологии оказали огромное влияние на жизнь человека и экономику. Рита Колвелл, бывший директор Национального научного фонда США (NSF), заявила в 2002 году, что наноразмерные технологии окажут влияние, равное промышленной революции¹, и отметила, что нанотехнологии действительно являются порталом в новый мир². Механические свойства материалов на наноуровне являются одним из наиболее фундаментальных и необходимых факторов для развития высокотехнологичных приложений, таких как наноустройства ^3,4,5. Механическое поведение материалов на наноуровне и структурная эволюция под напряжением стали важными вопросами в современных наномеханических исследованиях.

В последние годы развитие и совершенствование технологии наноиндентирования, технологии электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии и т. д. сделали эксперименты по «механике in situ» передовым методом тестирования, важным в исследованиях наномеханики ^6,7. Очевидно, что с точки зрения преподавания и научных исследований необходимо ввести передовые экспериментальные методы в традиционное содержание обучения механическим экспериментам.

Однако эксперименты по микроскопической механике существенно отличаются от экспериментов по макроскопической базовой механике. С одной стороны, хотя соответствующие инструменты и оборудование популяризированы практически во всех колледжах и университетах, их количество ограничено из-за высокой цены и стоимости обслуживания. В ближайшей перспективе невозможно закупить достаточное количество оборудования для офлайн-обучения. Даже при наличии финансовых ресурсов затраты на управление и обслуживание оффлайн-экспериментов слишком высоки, так как данный вид оборудования обладает высокоточными характеристиками.

С другой стороны, эксперименты по механике in situ, такие как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), являются очень всеобъемлющими, с высокими эксплуатационными требованиями и чрезвычайно длительным периодом эксперимента ^8,9. Автономные эксперименты требуют от учащихся высокой концентрации в течение длительного времени, а неправильная работа может повредить инструмент. Даже с очень квалифицированными людьми для успешного эксперимента требуется несколько дней, от подготовки квалифицированных образцов до загрузки образцов для механических экспериментов на месте. Поэтому эффективность автономного экспериментального обучения крайне низка.

Для решения вышеуказанных проблем можно использовать виртуальное моделирование. Развитие обучения виртуальным симуляционным экспериментам может решить проблему стоимости и количества экспериментального оборудования для механики in situ и, таким образом, позволить учащимся легко использовать различные передовые элементы оборудования, не повреждая высокотехнологичные инструменты. Преподавание симуляционных экспериментов также позволяет учащимся получить доступ к виртуальной платформе симуляционного эксперимента через Интернет в любое время и в любом месте. Даже для некоторых недорогих инструментов студенты могут заранее использовать виртуальные инструменты для обучения и практики, что может повысить эффективность обучения.

Учитывая доступность и доступность веб-систем¹⁰, в этой работе мы представляем веб-систему виртуальных имитационных экспериментов, которая может обеспечить набор экспериментов, связанных с фундаментальными операциями в механике и материалах, с акцентом на эксперимент по механике in situ .

Protocol

В данной работе рассматриваются следующие методики эксперимента по разрушению микрокантилевера пучка с трещинами, который открыт для свободного доступа через http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Все этапы проводятся в онлайн-системе на основе подхода виртуального моделирования. Для этого исследования не требовалось одобрения Институционального наблюдательного совета. Согласие было получено от студентов-добровольцев, принявших участие в этом исследовании.

1. Доступ к системе и вход в интерфейс

1. Откройте веб-браузер и введите URL-адрес, http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd для доступа к системе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Доступ к предоставленному URL-адресу можно получить через основной веб-браузер без имени пользователя и пароля.
2. Найдите интерфейс виртуального моделирования с помощью вертикальной полосы прокрутки.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Виртуальная сцена встроена в сеть.
3. Нажмите на полноэкранный значок в правом нижнем углу, чтобы включить полноэкранный интерфейс.
4. Нажмите кнопку « Начать эксперимент », чтобы начать.
5. Нажмите кнопку « Ввод », чтобы следовать инструкциям для начинающих, или нажмите кнопку «Пропустить», чтобы пропустить этот шаг.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может выбрать подписку (кнопка Enter ) или пропуск (кнопка Skip ). Руководство для начинающих содержит описание всей системы. Интерфейс также выделяет пошаговые инструкции по эксплуатации для выполнения предполагаемых операций или оборудования. На рисунке 1 показано оборудование, использованное в эксперименте, в том числе семь типов оборудования в механических и материаловедческих дисциплинах. Новичкам рекомендуется следовать этому руководству.

2. Подготовка материалов

1. Начните эксперимент после завершения обучения начального уровня. Следуйте инструкциям в интерфейсе, чтобы «подойти» к лабораторному столу, содержащему кремниевые пластины, просмотреть различия между кремниевыми пластинами нормального типа и кремниевых пластин типа трещин и выбрать шаблон трещины.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Войдите в интерфейс эксперимента и проведите эксперименты в соответствии с выделенными указаниями по пути. Выделенное руководство предоставляется на протяжении всего процесса, чтобы предложить четкое руководство для экспериментов.
2. Выберите материал из предоставленного списка материалов.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Предоставленный список материалов включает золото, серебро, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, полиэфир-эфир-кетон (PEEK) и полиметилметакрилат (ПММА).
3. Загрузите выбранный материал на зажим фрезы, щелкнув по выделенному материалу. Нажмите на выделенную кнопку ВКЛ/ВЫКЛ (с правой стороны), чтобы включить зажим фрезы, нажмите кнопку «Скорость » (слева) и установите скорость станка для металлографической резки во всплывающем интерфейсе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может установить правильную скорость по своему усмотрению. Как только скорость будет установлена пользователем, зажим резака будет активирован, и необработанный стержень будет нарезан тонкими ломтиками.
4. Сложите форму, металлический лист и обложку по очереди, щелкнув и перетащив выделенный объект в соответствии с инструкциями в пользовательском интерфейсе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: После резки материала этот этап сборки необходим перед литьем в наноформу.

3. Формовка образца

1. Виртуально подойдите к высокотемпературной универсальной машине для испытания на ползучесть, следуя указаниям, показанным на рисунке 2, и виртуально поместите сложенные образцы между пластинчатыми зажимами универсальной машины для испытания на ползучесть.
   ПРИМЕЧАНИЕ: После этого шага виртуальный компьютер с левой стороны высокотемпературной универсальной машины для испытания на ползучесть будет выделен.
2. Нажмите на Виртуальный компьютер и установите тестовую схему на управляющем компьютере универсальной машины для испытания на ползучесть.
   ПРИМЕЧАНИЕ: После этого шага вспомогательное оборудование высокотемпературной универсальной машины для испытания на ползучесть для нагрева и вакуумной откачки будет выделено, чтобы предоставить пользователю рекомендации.
3. Нажмите на выделенное отопительное и вакуумное насосное оборудование, и включите питание. Откройте виртуальный механический насос и форвакуумный клапан в интерфейсе, нажав на выделенные кнопки.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе завершаются настройки управления вакуумом в системе управления вакуумом универсальной машины для испытания на ползучесть.
4. Нажмите кнопку «Очистить» на панели управления универсальной машины для испытания на ползучесть, чтобы очистить данные. Нажмите кнопку «Выполнить» на панели управления универсальной машины для испытания на ползучесть, чтобы завершить эксперимент, который копирует рисунок на форме на металлический лист методом компрессионного формования параллельной пластины.
   ПРИМЕЧАНИЕ: После завершения литья в форму извлеките образец и закройте форвакуумный клапан, механический насос и т. Д. Нагревательного и вакуумного насосного оборудования, нажимая кнопки по очереди по мере необходимости (в реальном нагревательном и вакуумном насосном оборудовании обратный порядок может привести к сгоранию молекулярного насоса).
5. Снова нажмите на виртуальный компьютер и проверьте экспериментальные данные на управляющем компьютере универсальной машины для испытания на ползучесть.
6. Откройте крышку на машине для инкрустации металлографическими образцами и поместите образец.
   1. Нажмите на выделенный порошок ПММА, чтобы насыпать подготовленный порошок, и нажмите на выделенную форму, чтобы поместить ее поверх порошка ПММА.
   2. Нажмите на выделенный маховик, чтобы отрегулировать положение формы, которая автоматически покроет крышку. Нажмите кнопку ВКЛ/ВЫКЛ, чтобы включить инкрустатор. Выньте инкрустированный образец из ПММА после охлаждения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Формованный образец должен быть установлен на прокладочной машине в правильном направлении, как показано на рисунке 3, в котором в эксперименте используется термопластичный материал ПММА. Убедитесь, что порошок ПММА расплавился и прилип к поверхности образца. Нижний левый угол рисунка 4 иллюстрирует правильное направление после того, как пользователь подтвердит выбор, показанный на рисунке 3.
7. Войдите в помещение для полировки и коррозии, следуя указаниям по пути, как показано на рисунке 5. Найдите выделенную полировальную машину и нажмите на захват полировальной машины, чтобы установить инкрустированный образец на захват. Установите скорость шлифовки и полировки образца, чтобы удалить подложку из формованного материала.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Шлифуйте форму с одной стороны формы, пока не обнажится рисунок на форме.

4. Характеристика образцов

1. Зарегистрируйтесь в электронной записной книжке перед использованием химического вещества. Откройте шкаф для хранения химикатов и извлеките твердый раствор КОН и ацетона. Нажмите на выделенный стакан, чтобы использовать раствор ацетона для очистки образца. Нажмите на другой выделенный стакан и твердый KOH для приготовления коррозионной жидкости, чтобы приготовить 10% раствор KOH. Нажмите на выделенный раствор KOH и образец, чтобы разъесть образец в металлографический образец.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте для удаления кремниевой формы обычно готовят раствор KOH 6 моль/л, образец помещают в раствор для приготовления, а стакан, содержащий раствор для коррозии и образец, помещают на горячую плиту для нагрева для ускорения скорости коррозии.
2. Очистите образец после удаления кремниевой подложки и проведите характерное тестирование с подготовленным образцом под оптическим микроскопом.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Не забудьте определить целостность образца после шлифовки и коррозии.

5. Загрузка образцов и установка наноиндентора

1. Загрузите образец на предметный столик наноиндентора. Выберите конусный индентор, чтобы установить его на драйвер системы тестирования микро- и наномеханики. Нажмите на выделенный диск, чтобы соединить его с наноиндентором.
   ПРИМЕЧАНИЕ: «Штифт» должен быть вставлен в приводной вал при установке индентора, а поскольку приводной вал представляет собой тонкий стержень, защелка позволяет избежать повреждения приводного вала при ввинчивании индентора с резьбовым концом в привод.

6. Эксперимент SEM in situ

1. Нажмите кнопку «Вентиляция » в управляющем программном обеспечении SEM после установки индентора наноиндентора и загрузки образца, как описано в 5.1.
2. Откройте камеру SEM после разрыва вакуума, установите наноиндентор на столик образца SEM и подключите провода (на рисунке 6 показан пример подключения одного из проводов).
3. Откройте управляющее программное обеспечение наноиндентора и выберите Loaded Indenter Range > выберите Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization)).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс инициализации положения ступени образца наноиндентора должен выполняться в состоянии, в котором полость СЭМ открыта, чтобы избежать процесса инициализации этапа образца наноиндентора, ударяющегося о полюс выходного порта электрона СЭМ.
4. Закройте камеру SEM и нажмите кнопку « Насос » в программном обеспечении управления SEM.
5. Нажмите кнопку « Вверх » или « Вниз » в управляющем программном обеспечении SEM, чтобы отрегулировать положение предметного столика образца таким образом, чтобы измеряемый образец попадал в поле зрения SEM. Нажмите на кнопку ОК , чтобы зафиксировать положение. Нажмите на выделенную кнопку EHT, чтобы включить электронную пушку. Нажмите кнопку « Камера » и переключитесь в режим наблюдения электронной микроскопии.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Индентор наноиндентора следует контролировать в режиме наблюдения, чтобы постепенно приближаться к измеряемому образцу.
6. Нажмите кнопку «Выполнить» на управляющем программном обеспечении наноиндентора.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Во время эксперимента необходимо наблюдать и записывать деформационные характеристики и процесс разрушения во время процесса нагружения образца, а также открывать исходные данные эксперимента в окне анализа данных после завершения эксперимента для построения графика и экспорта данных.
7. Нажмите кнопку «Стоп » на управляющем программном обеспечении наноиндентора, чтобы завершить эксперимент.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На этом эксперимент по виртуальному моделированию заканчивается. Пользователю предлагается выполнить упражнение онлайн-экзамена в виртуальном интерфейсе после эксперимента.

Results

Система обеспечивает четкое руководство по операциям пользователя. Во-первых, обучение начального уровня интегрируется, когда пользователь входит в систему. Во-вторых, выделяются оборудование и лабораторное помещение, которое будет использоваться для следующего этапа операции.

Система может быть использована для нескольких различных образовательных целей для разных уровней учащихся. Например, на рисунке 1 представлены семь наиболее часто используемых типов оборудо...

Discussion

Одним из преимуществ экспериментов по виртуальному моделированию является то, что они позволяют пользователям проводить эксперименты, не беспокоясь о повреждении физической системы или причинении какого-либо вреда себе¹¹. Таким образом, пользователи могут проводить любые операции, в том числе как правильные, так и неправильные. Тем не менее, система выдает пользователю предупреждающее сообщение, которое интегрировано в интерактивный эксперимент, чтобы помочь ему правильно провести эксперименты при...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Виртуальный интерфейс	Нет	Нет	http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd