Un experimento virtual de simulación de mecánica: deformación y falla de material basado en microscopía electrónica de barrido

Resumen

Este trabajo presenta un experimento de simulación virtual tridimensional para la deformación y falla del material que proporciona procesos experimentales visualizados. A través de un conjunto de experimentos, los usuarios pueden familiarizarse con el equipo y aprender las operaciones en un entorno de aprendizaje inmersivo e interactivo.

Resumen

Este trabajo presenta un conjunto de experimentos virtuales integrales para detectar la deformación y falla del material. Los equipos más utilizados en las disciplinas de mecánica y materiales, como una máquina de corte metalográfico y una máquina de prueba de fluencia universal de alta temperatura, están integrados en un sistema basado en la web para proporcionar diferentes servicios experimentales a los usuarios en un entorno de aprendizaje inmersivo e interactivo. El protocolo en este trabajo se divide en cinco subsecciones, a saber, la preparación de los materiales, el moldeo de la muestra, la caracterización de la muestra, la carga de muestras, la instalación de nanoindentadores y los experimentos SEM in situ , y este protocolo tiene como objetivo brindar una oportunidad a los usuarios con respecto al reconocimiento de diferentes equipos y las operaciones correspondientes, así como la mejora de la conciencia del laboratorio, etc., utilizando un enfoque de simulación virtual. Para proporcionar una guía clara para el experimento, el sistema resalta el equipo / muestra que se utilizará en el siguiente paso y marca el camino que conduce al equipo con una flecha visible. Para imitar el experimento práctico lo más cerca posible, diseñamos y desarrollamos una sala de laboratorio tridimensional, equipos, operaciones y procedimientos experimentales. Además, el sistema virtual también considera ejercicios interactivos y registro antes de usar productos químicos durante el experimento. También se permiten operaciones incorrectas, lo que resulta en un mensaje de advertencia que informa al usuario. El sistema puede proporcionar experimentos interactivos y visualizados a los usuarios en diferentes niveles.

Introducción

La mecánica es una de las disciplinas básicas en ingeniería, como lo demuestra el énfasis puesto en la base de la mecánica matemática y el conocimiento teórico y la atención prestada al cultivo de las habilidades prácticas de los estudiantes. Con el rápido avance de la ciencia y la tecnología modernas, la nanociencia y la tecnología han tenido un gran impacto en la vida humana y la economía. Rita Colwell, ex directora de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF), declaró en 2002 que la tecnología a nanoescala tendría un impacto igual al de la Revolución Industrial¹ y señaló que la nanotecnología es verdaderamente un portal hacia un nuevo mundo². Las propiedades mecánicas de los materiales a nanoescala son uno de los factores más fundamentales y necesarios para el desarrollo de aplicaciones de alta tecnología, como los nanodispositivos ^3,4,5. El comportamiento mecánico de los materiales a nanoescala y la evolución estructural bajo estrés se han convertido en temas importantes en la investigación nanomecánica actual.

En los últimos años, el desarrollo y la mejora de la tecnología de nanoindentación, la tecnología de microscopía electrónica, la microscopía de sonda de barrido, etc., han hecho de los experimentos de "mecánica in situ" una técnica de prueba avanzada importante en la investigación en nanomecánica ^6,7. Obviamente, desde la perspectiva de la enseñanza y la investigación científica, es necesario introducir técnicas experimentales de frontera en el contenido docente tradicional sobre experimentos mecánicos.

Sin embargo, los experimentos de mecánica microscópica son significativamente diferentes de los experimentos de mecánica básica macroscópica. Por un lado, aunque los instrumentos y equipos relevantes se han popularizado en casi todos los colegios y universidades, su número es limitado debido al alto precio y costo de mantenimiento. A corto plazo, es imposible comprar suficiente equipo para la enseñanza fuera de línea. Incluso si hay recursos financieros, los costos de gestión y mantenimiento de los experimentos fuera de línea son demasiado altos, ya que este tipo de equipo tiene características de alta precisión.

Por otro lado, los experimentos de mecánica in situ como la microscopía electrónica de barrido (SEM) son muy completos, con altos requisitos operacionales y un período experimental extremadamente largo ^8,9. Los experimentos fuera de línea requieren que los estudiantes estén muy concentrados durante mucho tiempo, y el mal funcionamiento puede dañar el instrumento. Incluso con individuos muy hábiles, un experimento exitoso requiere unos días para completarse, desde la preparación de especímenes calificados hasta la carga de los especímenes para experimentos de mecánica in situ. Por lo tanto, la eficiencia de la enseñanza experimental fuera de línea es extremadamente baja.

Para abordar los problemas anteriores, se puede utilizar la simulación virtual. El desarrollo de la enseñanza de experimentos de simulación virtual puede abordar el cuello de botella de costo y cantidad de equipos experimentales de mecánica in situ y, por lo tanto, permite a los estudiantes usar fácilmente varios equipos avanzados sin dañar los instrumentos de alta tecnología. La enseñanza de experimentos de simulación también permite a los estudiantes acceder a la plataforma de experimentos de simulación virtual a través de Internet en cualquier momento y en cualquier lugar. Incluso para algunos instrumentos de bajo costo, los estudiantes pueden usar instrumentos virtuales por adelantado para la capacitación y la práctica, lo que puede mejorar la eficiencia de la enseñanza.

Teniendo en cuenta la accesibilidad y disponibilidad de los sistemas basados en la web¹⁰, en este trabajo, presentamos un sistema de experimentación de simulación virtual basado en la web que puede proporcionar un conjunto de experimentos relacionados con operaciones fundamentales en mecánica y materiales, con un enfoque en el experimento de mecánica in situ .

Protocolo

En este trabajo, los procedimientos del experimento de fractura de haz microcantilever con grietas se discuten de la siguiente manera, que está abierto para el libre acceso a través de http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Todos los pasos se llevan a cabo en el sistema en línea basado en el enfoque de simulación virtual. No se requirió la aprobación de la Junta de Revisión Institucional para este estudio. Se obtuvo el consentimiento de los estudiantes voluntarios que participaron en este estudio.

1. Acceso al sistema y entrada en la interfaz

1. Abra un navegador web e introduzca la URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd para acceder al sistema.
   NOTA: Se puede acceder a la URL proporcionada a través de un navegador web convencional sin un nombre de usuario y contraseña.
2. Busque la interfaz de simulación virtual utilizando la barra de desplazamiento vertical.
   NOTA: La escena virtual está incrustada en la web.
3. Haga clic en el icono de pantalla completa en la esquina inferior derecha para habilitar una interfaz de pantalla completa .
4. Haga clic en el botón Iniciar experimento para comenzar.
5. Haga clic en el botón Enter para seguir las instrucciones para principiantes, o haga clic en el botón Omitir para omitir este paso.
   NOTA: El usuario puede elegir seguir (botón Enter ) o omitir (botón Omitir ). La guía para principiantes proporciona descripciones de todo el sistema. La interfaz también resalta las instrucciones de operación paso a paso para realizar las operaciones o equipos previstos. La Figura 1 muestra el equipo utilizado en el experimento, incluyendo siete tipos de equipos en las disciplinas mecánica y de materiales. Se recomienda a los principiantes que sigan esta guía.

2. Preparación de los materiales

1. Comience el experimento después de completar el entrenamiento de nivel principiante. Siga las indicaciones en la interfaz para "caminar" cerca de la mesa de laboratorio que contiene las obleas de silicio, revise las diferencias entre las obleas de silicio de tipo normal y de tipo agrietado, y seleccione la plantilla de grieta.
   NOTA: Ingrese a la interfaz del experimento y realice experimentos de acuerdo con la guía de ruta resaltada. La orientación destacada se proporciona durante todo el proceso para ofrecer una guía clara para la experimentación.
2. Seleccione un material de la lista de materiales proporcionados.
   NOTA: La lista de materiales proporcionada incluye oro, plata, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, poliéter-éter-cetona (PEEK) y polimetacrilato de metilo (PMMA).
3. Cargue el material seleccionado en la abrazadera de corte con un clic en el material resaltado. Haga clic en el botón ON/OFF resaltado (en el lado derecho) para encender la abrazadera de corte, haga clic en el botón Velocidad (en el lado izquierdo) y configure la velocidad de la máquina de corte metalográfico en una interfaz emergente.
   NOTA: El usuario puede establecer una velocidad adecuada como desee. Una vez que el usuario establece la velocidad, se activará la abrazadera de corte y la barra cruda se cortará en rodajas finas.
4. Apile el molde, la lámina de metal y la hoja de cubierta a su vez haciendo clic y arrastrando el objeto resaltado como se guía en la interfaz de usuario.
   NOTA: Después de cortar el material, este paso de montaje es necesario antes de la fundición de nanomolde.

3. Moldeo de la muestra

1. Camine virtualmente hasta la máquina de prueba de fluencia universal de alta temperatura siguiendo la guía que se muestra en la Figura 2, y coloque virtualmente las muestras apiladas entre las abrazaderas de placa de la máquina de prueba de fluencia universal.
   NOTA: Después de este paso, se resaltará el equipo virtual en el lado izquierdo de la máquina de prueba de fluencia universal de alta temperatura.
2. Haga clic en la computadora virtual y configure el esquema de prueba en la computadora de control de la máquina de prueba de fluencia universal.
   NOTA: Después de este paso, se resaltará el equipo auxiliar de la máquina de prueba de fluencia universal de alta temperatura para calefacción y bombeo de vacío para proporcionar orientación al usuario.
3. Haga clic en el Equipo de calefacción y bombeo de vacío resaltado y encienda la fuente de alimentación. Abra la bomba mecánica virtual y la válvula de respaldo en la interfaz haciendo clic en los botones resaltados.
   NOTA: Este paso completa la configuración del control de vacío del sistema en el sistema de control de vacío de la máquina de prueba de fluencia universal.
4. Haga clic en el botón Borrar en el Panel de control de la máquina de prueba de fluencia universal para borrar los datos. Haga clic en el botón Ejecutar en el Panel de control de la máquina de prueba de fluencia universal para completar el experimento, que copia el patrón en el molde a la lámina de metal utilizando el método de moldeo por compresión de placa paralela.
   NOTA: Una vez completada la fundición del molde, retire la muestra y cierre la válvula de respaldo y la bomba mecánica, etc., del equipo de calefacción y bombeo de vacío haciendo clic en los botones a su vez según sea necesario (en equipos reales de calentamiento y bombeo de vacío, el orden inverso puede hacer que la bomba molecular se queme).
5. Haga clic en la computadora virtual nuevamente y verifique los datos experimentales en la computadora de control de la máquina de prueba de fluencia universal.
6. Abra la placa de cubierta en la máquina de incrustación de muestras metalográficas y coloque la muestra.
   1. Haga clic en el polvo de PMMA resaltado para verter el polvo preparado y haga clic en el molde resaltado para colocarlo encima del polvo de PMMA.
   2. Haga clic en la rueda de mano resaltada para ajustar la posición del molde, que cubrirá la placa de cubierta automáticamente. Haga clic en el botón ON/OFF para encender la máquina de incrustación. Saque la muestra con incrustaciones de PMMA después de enfriarla.
      NOTA: La muestra moldeada debe montarse en la máquina de incrustación en la dirección correcta, como se muestra en la Figura 3, en la que se utiliza el material termoplástico PMMA en el experimento. Asegúrese de que el polvo de PMMA se derrita y se adhiera a la superficie de la muestra. La esquina inferior izquierda de la Figura 4 ilustra la dirección correcta después de que el usuario confirme la selección que se muestra en la Figura 3.
7. Ingrese a la sala para pulido y corrosión siguiendo la guía de la vía, como se muestra en la Figura 5. Busque la máquina pulidora resaltada y haga clic en la pinza de la máquina pulidora para montar la muestra incrustada en la pinza. Establezca la velocidad para moler y pulir la muestra para eliminar el sustrato de material moldeado.
   NOTA: Moler el molde en un lado del molde hasta que el patrón en el molde quede quede expuesto.

4. Caracterización de la muestra

1. Regístrese en el cuaderno electrónico antes de usar un producto químico. Abra el gabinete de almacenamiento de productos químicos y saque la solución sólida de KOH y acetona. Haga clic en el vaso de precipitados resaltado para usar la solución de acetona para limpiar la muestra. Haga clic en otro vaso de precipitados resaltado y KOH sólido para la preparación de líquidos de corrosión para preparar una solución de KOH al 10%. Haga clic en la solución de KOH resaltada y en la muestra para corroer la muestra en una muestra metalográfica.
   NOTA: En este experimento, para eliminar el molde de silicio, generalmente se prepara una solución de KOH de 6 moles / L, la muestra se coloca en la solución de preparación y el vaso de precipitados que contiene la solución de corrosión y la muestra se coloca en una placa caliente para calentarse y acelerar la velocidad de corrosión.
2. Limpie la muestra después de retirar el sustrato de silicona y realice una prueba caracterizada con la muestra preparada bajo un microscopio óptico.
   NOTA: Recuerde determinar la integridad de la muestra después de la molienda y corrosión.

5. Carga de muestras e instalación de nanopenetradores

1. Cargue la muestra en la etapa de muestra del nanopenetrador. Elija el penetrador de cono para montarlo en el controlador del sistema de prueba de micro y nanomecánica. Haga clic en la unidad resaltada para conectarla con el nanoindentador.
   NOTA: El "Pin" debe insertarse en el eje de transmisión al instalar el penetrador, y dado que el eje de transmisión es una barra delgada, el pestillo evita dañar el eje de transmisión al atornillar el penetrador con un extremo roscado en la unidad.

6. Experimento SEM in situ

1. Haga clic en el botón Ventilación en el software de control SEM después de instalar el penetrador del nanopenetrador y cargar la muestra como se describe en 5.1.
2. Abra la cámara SEM después de romper el vacío, instale el nanopenetrador en la etapa de muestra SEM y conecte los cables (la Figura 6 muestra un ejemplo de conexión de uno de los cables).
3. Abra el software de control del nanopenetrador y seleccione Rango de indentador cargado > Seleccione Protocolo experimental > Iniciar controlador > Init* (inicialización de etapa de muestra).
   NOTA: El proceso de inicialización de la posición de la etapa de muestra de nanoindentador debe llevarse a cabo en el estado en que la cavidad SEM está abierta para evitar que el proceso de inicialización de la etapa de muestra de nanoíndenter golpee el polo del puerto de salida de electrones SEM.
4. Cierre la cámara SEM y haga clic en el botón Bomba del software de control SEM.
5. Haga clic en el botón Arriba o Abajo en el software de control SEM para ajustar la posición de la etapa de muestra para que la muestra a medir caiga en el campo de visión SEM. Haga clic en el botón Aceptar para fijar la posición. Haga clic en el botón EHT resaltado para encender el cañón de electrones. Haga clic en el botón Cámara y cambie al modo de observación de microscopía electrónica.
   NOTA: El penetrador del nanopenetrador debe controlarse en modo de observación para acercarse gradualmente a la muestra a medir.
6. Haga clic en el botón Ejecutar en el software de control del nanoindentador.
   NOTA: Durante el experimento, es necesario observar y registrar las características de deformación y el proceso de falla durante el proceso de carga de la muestra y abrir los datos originales del experimento en la ventana de análisis de datos después de que se complete el experimento para trazar y exportar los datos.
7. Haga clic en el botón Detener en el software de control del nanoindentador para finalizar el experimento.
   NOTA: El experimento de simulación virtual termina aquí. Se le pide al usuario que complete el ejercicio de examen en línea en la interfaz virtual después de la experimentación.

Resultados

El sistema proporciona una guía clara para las operaciones del usuario. En primer lugar, el entrenamiento de nivel principiante se integra cuando un usuario ingresa al sistema. En segundo lugar, se destacan el equipo y la sala de laboratorio que se utilizará para la operación del siguiente paso.

El sistema se puede utilizar para varios propósitos educativos diferentes para diferentes niveles de estudiantes. Por ejemplo, la Figura 1 incluye siete de los tipos d...

Discusión

Una de las ventajas de los experimentos de simulación virtual es que permiten a los usuarios realizar los experimentos sin preocuparse por dañar el sistema físico o causarse ningún daño a sí mismos¹¹. Por lo tanto, los usuarios pueden realizar cualquier operación, incluidas las operaciones correctas o incorrectas. Sin embargo, el sistema le da al usuario un mensaje de advertencia que está integrado en el experimento interactivo para guiarlo a realizar los experimentos correctamente cuando ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Virtual interface	None	None	http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd