Ein virtuelles Simulationsexperiment der Mechanik: Materialverformung und -versagen anhand der Rasterelektronenmikroskopie

Zusammenfassung

Diese Arbeit stellt ein dreidimensionales virtuelles Simulationsexperiment für Materialverformung und -versagen vor, das visualisierte experimentelle Prozesse liefert. Durch eine Reihe von Experimenten können sich die Benutzer mit den Geräten vertraut machen und die Bedienung in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung erlernen.

Zusammenfassung

Diese Arbeit stellt eine Reihe umfassender virtueller Experimente vor, um Materialverformungen und -versagen zu erkennen. Die in der Mechanik und in den Werkstoffdisziplinen am häufigsten verwendeten Geräte, wie z. B. eine metallographische Schneidemaschine und eine Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine, sind in ein webbasiertes System integriert, um den Benutzern verschiedene experimentelle Dienste in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung anzubieten. Das Protokoll in dieser Arbeit ist in fünf Unterabschnitte unterteilt, nämlich die Vorbereitung der Materialien, das Formen der Probe, die Charakterisierung der Probe, die Probenbeladung, die Installation von Nanoindentern und REM-In-situ-Experimente , und dieses Protokoll zielt darauf ab, den Benutzern die Möglichkeit zu geben, verschiedene Geräte und die entsprechenden Vorgänge zu erkennen sowie das Laborbewusstsein zu verbessern. usw., unter Verwendung eines virtuellen Simulationsansatzes. Um eine klare Anleitung für das Experiment zu geben, hebt das System die im nächsten Schritt zu verwendende Ausrüstung/Probe hervor und markiert den Weg, der zum Gerät führt, mit einem auffälligen Pfeil. Um das praktische Experiment so genau wie möglich nachzuahmen, haben wir einen dreidimensionalen Laborraum, Geräte, Operationen und experimentelle Verfahren entworfen und entwickelt. Darüber hinaus berücksichtigt das virtuelle System auch interaktive Übungen und Registrierungen, bevor Chemikalien während des Experiments verwendet werden. Fehlerhafte Vorgänge sind ebenfalls zulässig, was zu einer Warnmeldung führt, die den Benutzer informiert. Das System kann Benutzern interaktive und visualisierte Experimente auf verschiedenen Ebenen zur Verfügung stellen.

Einleitung

Die Mechanik ist eine der Grunddisziplinen des Ingenieurwesens, wie die Betonung der Grundlagen der mathematischen Mechanik und des theoretischen Wissens sowie die Aufmerksamkeit für die Kultivierung der praktischen Fähigkeiten der Studierenden zeigen. Mit dem rasanten Fortschritt der modernen Wissenschaft und Technologie haben Nanowissenschaften und -technologie einen enormen Einfluss auf das menschliche Leben und die Wirtschaft. Rita Colwell, die ehemalige Direktorin der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF), erklärte 2002, dass die nanoskalige Technologie einen ähnlichen Einfluss haben würde wie die industrielle Revolution¹ und stellte fest, dass die Nanotechnologie wirklich ein Portal zu einer neuen Welt^{ist 2}. Die mechanischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanoskala sind einer der grundlegendsten und notwendigsten Faktoren für die Entwicklung von High-Tech-Anwendungen, wie z. B. Nanobauelementen ^3,4,5. Das mechanische Verhalten von Materialien auf der Nanoskala und die strukturelle Entwicklung unter Belastung sind zu wichtigen Themen in der aktuellen nanomechanischen Forschung geworden.

In den letzten Jahren haben die Entwicklung und Verbesserung der Nanoindentationstechnologie, der Elektronenmikroskopie, der Rastersondenmikroskopie usw. dazu geführt, dass "In-situ-Mechanik"-Experimente zu einer fortschrittlichen Testtechnik geworden sind, die für die Nanomechanik-Forschung wichtig ist ^6,7. Offensichtlich ist es aus der Perspektive der Lehre und der wissenschaftlichen Forschung notwendig, experimentelle Grenztechniken in die traditionellen Lehrinhalte in Bezug auf mechanische Experimente einzuführen.

Experimente der mikroskopischen Mechanik unterscheiden sich jedoch signifikant von makroskopischen grundlegenden mechanischen Experimenten. Obwohl die entsprechenden Instrumente und Geräte in fast allen Hochschulen und Universitäten populär geworden sind, ist ihre Anzahl aufgrund des hohen Preises und der hohen Wartungskosten begrenzt. Kurzfristig ist es unmöglich, genügend Ausrüstung für den Offline-Unterricht zu kaufen. Selbst wenn finanzielle Ressourcen vorhanden sind, sind die Verwaltungs- und Wartungskosten von Offline-Experimenten zu hoch, da diese Art von Geräten hochpräzise Eigenschaften aufweist.

Auf der anderen Seite sind in situ mechanische Experimente wie die Rasterelektronenmikroskopie (REM) sehr umfangreich, mit hohen Betriebsanforderungen und einer extrem langen Versuchsdauer ^8,9. Offline-Experimente erfordern, dass die Schüler über einen längeren Zeitraum hochkonzentriert sind, und eine Fehlbedienung kann das Instrument beschädigen. Selbst mit sehr erfahrenen Personen dauert ein erfolgreiches Experiment einige Tage, von der Vorbereitung qualifizierter Proben bis zum Laden der Proben für mechanische In-situ-Experimente. Daher ist die Effizienz des experimentellen Offline-Unterrichts äußerst gering.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, kann eine virtuelle Simulation verwendet werden. Die Entwicklung des Unterrichts in virtuellen Simulationsexperimenten kann den Kosten- und Mengenengpass von In-situ-Mechanik-Versuchsgeräten beheben und es den Schülern so ermöglichen, verschiedene fortschrittliche Geräte problemlos zu verwenden, ohne High-Tech-Instrumente zu beschädigen. Die Lehre von Simulationsexperimenten ermöglicht es den Studierenden zudem, jederzeit und überall über das Internet auf die virtuelle Simulationsexperimentplattform zuzugreifen. Selbst bei einigen kostengünstigen Instrumenten können die Schüler virtuelle Instrumente im Voraus für Training und Praxis verwenden, was die Unterrichtseffizienz verbessern kann.

Unter Berücksichtigung der Zugänglichkeit und Verfügbarkeit webbasierter Systeme¹⁰ stellen wir in dieser Arbeit ein webbasiertes virtuelles Simulationsexperimentiersystem vor, das eine Reihe von Experimenten im Zusammenhang mit grundlegenden Operationen in Mechanik und Materialien bereitstellen kann, wobei der Schwerpunkt auf dem In-situ-Mechanik-Experiment liegt.

Protokoll

In dieser Arbeit werden die Verfahren des Mikrocantilever-Strahlbruchexperiments mit Rissen wie folgt diskutiert, das über http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd frei zugänglich ist. Alle Schritte werden im Online-System auf Basis des virtuellen Simulationsansatzes durchgeführt. Die Genehmigung des Institutional Review Board war für diese Studie nicht erforderlich. Die Zustimmung der studentischen Freiwilligen, die an dieser Studie teilgenommen haben, wurde eingeholt.

1. Zugriff auf das System und Aufrufen der Schnittstelle

1. Öffnen Sie einen Webbrowser und geben Sie die URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd ein, um auf das System zuzugreifen.
   HINWEIS: Auf die angegebene URL kann über einen gängigen Webbrowser ohne Benutzername und Passwort zugegriffen werden.
2. Suchen Sie die virtuelle Simulationsschnittstelle über die vertikale Bildlaufleiste.
   HINWEIS: Die virtuelle Szene ist in das Web eingebettet.
3. Klicken Sie auf das Vollbildsymbol in der unteren rechten Ecke, um eine Vollbildoberfläche zu aktivieren.
4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten, um zu starten .
5. Klicken Sie auf die Eingabetaste, um den Anweisungen für Anfänger zu folgen, oder klicken Sie auf die Schaltfläche Überspringen, um diesen Schritt zu überspringen .
   HINWEIS: Der Benutzer kann wählen, ob er folgen (Eingabetaste ) oder überspringen (Schaltfläche Überspringen ) möchte. Die Anleitung für Einsteiger bietet Beschreibungen des gesamten Systems. Die Benutzeroberfläche hebt auch die Betriebsanweisungen Schritt für Schritt zur Durchführung der beabsichtigten Vorgänge oder Geräte hervor. Abbildung 1 zeigt die im Experiment verwendeten Geräte, darunter sieben Arten von Geräten in den Disziplinen Mechanik und Material. Anfängern wird empfohlen, diese Anleitung zu befolgen.

2. Vorbereitung der Materialien

1. Starten Sie das Experiment nach Abschluss des Anfängertrainings. Befolgen Sie die Anweisungen auf der Benutzeroberfläche, um in die Nähe des Labortisches zu gehen, der die Siliziumwafer enthält, überprüfen Sie die Unterschiede zwischen den Siliziumwafern vom Normaltyp und dem Risstyp und wählen Sie die Rissvorlage aus.
   HINWEIS: Rufen Sie die Experimentschnittstelle auf, und führen Sie Experimente gemäß der hervorgehobenen Pfadanleitung durch. Die hervorgehobenen Leitlinien werden während des gesamten Prozesses bereitgestellt, um eine klare Anleitung für das Experimentieren zu bieten.
2. Wählen Sie ein Material aus der bereitgestellten Materialliste aus.
   HINWEIS: Die bereitgestellte Materialliste umfasst Gold, Silber, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, Polyetheretherketon (PEEK) und Polymethylmethacrylat (PMMA).
3. Laden Sie das ausgewählte Material mit einem Klick auf das markierte Material auf die Fräserklemme. Klicken Sie auf die hervorgehobene EIN/AUS-Taste (auf der rechten Seite), um die Schneidklemme einzuschalten, klicken Sie auf die Schaltfläche Geschwindigkeit (auf der linken Seite) und stellen Sie die Geschwindigkeit der metallografischen Schneidemaschine in einer Popup-Oberfläche ein.
   HINWEIS: Der Benutzer kann eine geeignete Geschwindigkeit nach Belieben einstellen. Sobald die Geschwindigkeit vom Benutzer eingestellt wurde, wird die Schneidklemme aktiviert und der Rohstab wird in dünne Scheiben geschnitten.
4. Stapeln Sie die Form, das Blech und das Deckblech nacheinander, indem Sie auf das markierte Objekt klicken und es ziehen, wie in der Benutzeroberfläche beschrieben.
   HINWEIS: Nach dem Schneiden des Materials ist dieser Montageschritt vor dem Nanoformguss erforderlich.

3. Formen der Probe

1. Gehen Sie virtuell zur Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine, indem Sie der in Abbildung 2 gezeigten Anleitung folgen, und platzieren Sie die gestapelten Proben virtuell zwischen den Plattenklemmen der Universal-Kriechprüfmaschine.
   HINWEIS: Nach diesem Schritt wird der virtuelle Computer auf der linken Seite der Hochtemperatur-Universal-Zeitstandprüfmaschine hervorgehoben.
2. Klicken Sie auf den virtuellen Computer und stellen Sie das Prüfschema auf dem Steuerrechner der universellen Zeitstandprüfmaschine ein.
   HINWEIS: Nach diesem Schritt wird die Zusatzausrüstung der Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine zum Heizen und Vakuumpumpen hervorgehoben, um dem Benutzer eine Anleitung zu geben.
3. Klicken Sie auf die markierte Heiz- und Vakuumpumpausrüstung und schalten Sie die Stromversorgung ein. Öffnen Sie die virtuelle mechanische Pumpe und das Vorlaufventil in der Benutzeroberfläche, indem Sie auf die hervorgehobenen Schaltflächen klicken.
   HINWEIS: Dieser Schritt vervollständigt die Einstellungen für die Systemvakuumsteuerung im Vakuumsteuerungssystem der universellen Zeitstandprüfmaschine.
4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Löschen auf dem Bedienfeld der Universal-Zeitstandprüfmaschine, um die Daten zu löschen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen auf dem Bedienfeld der universellen Zeitstandprüfmaschine, um den Versuch abzuschließen, bei dem das Muster auf der Form unter Verwendung des Parallelplattenformpressverfahrens auf das Blech kopiert wird.
   HINWEIS: Nachdem der Formguss abgeschlossen ist, entfernen Sie die Probe und schließen Sie das Vorventil und die mechanische Pumpe usw. der Heiz- und Vakuumpumpenausrüstung, indem Sie nach Bedarf nacheinander auf die Tasten klicken (bei echten Heiz- und Vakuumpumpgeräten kann die umgekehrte Reihenfolge dazu führen, dass die Molekularpumpe durchbrennt).
5. Klicken Sie erneut auf den virtuellen Computer und überprüfen Sie die Versuchsdaten auf dem Steuerrechner der universellen Zeitstandprüfmaschine.
6. Öffnen Sie die Abdeckplatte der metallographischen Probeneinlegemaschine und legen Sie die Probe ein.
   1. Klicken Sie auf das markierte PMMA-Pulver, um das vorbereitete Pulver zu gießen, und klicken Sie auf die hervorgehobene Form, um es auf das PMMA-Pulver zu legen.
   2. Klicken Sie auf das markierte Handrad, um die Position der Form anzupassen, die die Abdeckplatte automatisch abdeckt. Klicken Sie auf die EIN/AUS-Taste , um die Einlegemaschine einzuschalten. Nehmen Sie die PMMA-Intarsienprobe nach dem Abkühlen heraus.
      HINWEIS: Die geformte Probe sollte in der richtigen Richtung auf der Einlegemaschine montiert werden, wie in Abbildung 3 gezeigt, in der das thermoplastische Material PMMA im Experiment verwendet wird. Stellen Sie sicher, dass das PMMA-Pulver schmilzt und an der Oberfläche der Probe haftet. Die untere linke Ecke von Abbildung 4 veranschaulicht die richtige Richtung, nachdem der Benutzer die in Abbildung 3 gezeigte Auswahl bestätigt hat.
7. Betreten Sie den Raum zum Polieren und Korrosion gemäß der Wegführung, wie in Abbildung 5 gezeigt. Suchen Sie die markierte Poliermaschine und klicken Sie auf den Greifer der Poliermaschine, um die eingelegte Probe am Greifer zu befestigen. Stellen Sie die Geschwindigkeit ein, um die Probe zu schleifen und zu polieren, um das geformte Materialsubstrat zu entfernen.
   HINWEIS: Schleifen Sie die Form auf einer Seite der Form, bis das Muster auf der Form freigelegt ist.

4. Charakterisierung der Proben

1. Registrieren Sie sich im E-Notebook, bevor Sie eine Chemikalie verwenden. Öffnen Sie den Vorratsschrank für Chemikalien und nehmen Sie die feste KOH- und Acetonlösung heraus. Klicken Sie auf das markierte Becherglas, um die Acetonlösung zum Reinigen der Probe zu verwenden. Klicken Sie auf ein weiteres hervorgehobenes Becherglas und festes KOH für die Vorbereitung von Korrosionsflüssigkeiten, um eine 10% ige KOH-Lösung herzustellen. Klicken Sie auf die markierte KOH-Lösung und die Probe, um die Probe zu einer metallographischen Probe zu korrodieren.
   HINWEIS: In diesem Experiment wird zum Entfernen der Siliziumform üblicherweise eine 6 mol/l KOH-Lösung hergestellt, die Probe wird in die Präparationslösung gegeben, und das Becherglas, das die Korrosionslösung und die Probe enthält, wird auf eine heiße Platte gelegt, um sich zu erhitzen, um die Korrosionsrate zu beschleunigen.
2. Reinigen Sie die Probe, nachdem Sie das Siliziumsubstrat entfernt haben, und führen Sie einen charakterisierten Test mit der vorbereiteten Probe unter einem optischen Mikroskop durch.
   HINWEIS: Denken Sie daran, die Unversehrtheit der Probe nach dem Schleifen und Korrosion zu bestimmen.

5. Probenbeladung und Nanoindenter-Installation

1. Laden Sie die Probe auf den Probentisch des Nanoindenters. Wählen Sie den Eindringkörper, um ihn auf dem Treiber des mikro- und nanomechanischen Prüfsystems zu montieren. Klicken Sie auf das markierte Laufwerk, um es mit dem Nanoindenter zu verbinden.
   HINWEIS: Der "Stift" muss beim Einbau des Eindringkörpers in die Antriebswelle eingeführt werden, und da die Antriebswelle eine schlanke Stange ist, vermeidet die Verriegelung eine Beschädigung der Antriebswelle, wenn der Eindringkörper mit einem Gewindeende in den Antrieb geschraubt wird.

6. REM-In-situ-Experiment

1. Klicken Sie in der REM-Steuerungssoftware auf die Schaltfläche Entlüftung, nachdem Sie den Eindringkörper des Nanoindenters installiert und die Probe wie in 5.1 beschrieben geladen haben.
2. Öffnen Sie die REM-Kammer, nachdem Sie das Vakuum unterbrochen haben, installieren Sie den Nanoindenter auf dem REM-Probentisch und schließen Sie die Drähte an (Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für den Anschluss eines der Drähte).
3. Öffnen Sie die Steuerungssoftware des Nanoindenters und wählen Sie Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization) aus.
   HINWEIS: Der Positionsinitialisierungsprozess der Nanoindenter-Probenstufe muss in dem Zustand durchgeführt werden, in dem der REM-Hohlraum geöffnet ist, um zu vermeiden, dass der Initialisierungsprozess der Nanoindenter-Probenstufe auf den Pol des REM-Elektronenauslassanschlusses trifft.
4. Schließen Sie die REM-Kammer und klicken Sie in der REM-Steuerungssoftware auf die Schaltfläche Pumpe .
5. Klicken Sie in der REM-Steuerungssoftware auf die Schaltfläche Nach oben oder Nach unten , um die Position des Probentisches so einzustellen, dass die zu messende Probe in das REM-Sichtfeld fällt. Klicken Sie auf die Schaltfläche OK , um die Position zu korrigieren. Klicken Sie auf die markierte EHT-Schaltfläche, um die Elektronenkanone einzuschalten. Klicken Sie auf die Schaltfläche Kamera und wechseln Sie in den Elektronenmikroskopie-Beobachtungsmodus.
   HINWEIS: Der Eindringkörper des Nanoeindringkörpers sollte im Beobachtungsmodus gesteuert werden, um sich allmählich der zu messenden Probe zu nähern.
6. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen in der Steuerungssoftware des Nanoindenters.
   HINWEIS: Während des Experiments ist es notwendig, die Verformungseigenschaften und den Versagensprozess während des Ladevorgangs der Probe zu beobachten und aufzuzeichnen und die Originaldaten des Experiments nach Abschluss des Experiments im Datenanalysefenster zu öffnen, um die Daten aufzuzeichnen und zu exportieren.
7. Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp in der Steuerungssoftware des Nanoindenters, um das Experiment zu beenden.
   HINWEIS: Das virtuelle Simulationsexperiment endet hier. Der Benutzer wird aufgefordert, die Online-Prüfungsübung nach dem Experimentieren in der virtuellen Oberfläche zu absolvieren.

Ergebnisse

Das System bietet eine klare Anleitung für die Bedienung des Benutzers. Zunächst wird ein Training auf Anfängerniveau integriert, wenn ein Benutzer das System betritt. Zweitens werden die Geräte und der Laborraum hervorgehoben, die für den nächsten Schritt der Operation verwendet werden sollen.

Das System kann für verschiedene Bildungszwecke für verschiedene Schülerstufen verwendet werden. Zum Beispiel enthält Abbildung 1 sieben der am ...

Diskussion

Einer der Vorteile virtueller Simulationsexperimente besteht darin, dass sie es den Benutzern ermöglichen, die Experimente durchzuführen, ohne befürchten zu müssen, das physische System zu beschädigen oder sich selbst Schaden zuzufügen¹¹. Auf diese Weise können Benutzer beliebige Vorgänge ausführen, einschließlich richtiger oder falscher Vorgänge. Das System gibt dem Benutzer jedoch eine Warnmeldung, die in das interaktive Experiment integriert ist, um ihn bei einer falschen Operation z...

Materialien

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