Un esperimento di simulazione virtuale di meccanica: deformazione e guasto del materiale basato sulla microscopia elettronica a scansione

Riepilogo

Questo lavoro presenta un esperimento di simulazione virtuale tridimensionale per la deformazione e il cedimento del materiale che fornisce processi sperimentali visualizzati. Attraverso una serie di esperimenti, gli utenti possono familiarizzare con le apparecchiature e apprendere le operazioni in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo.

Abstract

Questo lavoro presenta una serie di esperimenti virtuali completi per rilevare la deformazione e il cedimento del materiale. Le apparecchiature più comunemente utilizzate nelle discipline meccaniche e dei materiali, come una macchina da taglio metallografica e una macchina per prove di scorrimento universale ad alta temperatura, sono integrate in un sistema basato sul web per fornire diversi servizi sperimentali agli utenti in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo. Il protocollo in questo lavoro è diviso in cinque sottosezioni, vale a dire, la preparazione dei materiali, lo stampaggio del campione, la caratterizzazione del campione, il caricamento del campione, l'installazione di nanoindentatori e gli esperimenti SEM in situ , e questo protocollo mira a fornire un'opportunità per gli utenti per quanto riguarda il riconoscimento di diverse apparecchiature e le operazioni corrispondenti, nonché il miglioramento della consapevolezza del laboratorio, ecc., utilizzando un approccio di simulazione virtuale. Per fornire una guida chiara per l'esperimento, il sistema evidenzia l'attrezzatura / campione da utilizzare nella fase successiva e contrassegna il percorso che conduce all'apparecchiatura con una freccia evidente. Per imitare l'esperimento pratico il più fedelmente possibile, abbiamo progettato e sviluppato una sala di laboratorio tridimensionale, attrezzature, operazioni e procedure sperimentali. Inoltre, il sistema virtuale considera anche esercizi interattivi e registrazione prima di utilizzare sostanze chimiche durante l'esperimento. Sono inoltre consentite operazioni errate, con conseguente messaggio di avviso che informa l'utente. Il sistema può fornire esperimenti interattivi e visualizzati agli utenti a diversi livelli.

Introduzione

La meccanica è una delle discipline di base dell'ingegneria, come dimostra l'enfasi posta sulle basi della meccanica matematica e delle conoscenze teoriche e l'attenzione data alla coltivazione delle abilità pratiche degli studenti. Con il rapido progresso della scienza e della tecnologia moderne, la nanoscienza e la tecnologia hanno avuto un enorme impatto sulla vita umana e sull'economia. Rita Colwell, ex direttrice della National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, ha dichiarato nel 2002 che la tecnologia su scala nanometrica avrebbe avuto un impatto pari alla rivoluzione industriale¹ e ha osservato che la nanotecnologia è davvero un portale per un nuovo mondo². Le proprietà meccaniche dei materiali su scala nanometrica sono uno dei fattori più fondamentali e necessari per lo sviluppo di applicazioni high-tech, come i nano-dispositivi ^3,4,5. Il comportamento meccanico dei materiali su scala nanometrica e l'evoluzione strutturale sotto stress sono diventati questioni importanti nell'attuale ricerca nanomeccanica.

Negli ultimi anni, lo sviluppo e il miglioramento della tecnologia di nanoindentazione, della tecnologia di microscopia elettronica, della microscopia a scansione di sonda, ecc., Hanno reso gli esperimenti di "meccanica in situ" una tecnica di test avanzata importante nella ricerca nanomeccanica ^6,7. Ovviamente, dal punto di vista della didattica e della ricerca scientifica, è necessario introdurre tecniche sperimentali di frontiera nei contenuti didattici tradizionali riguardanti gli esperimenti meccanici.

Tuttavia, gli esperimenti di meccanica microscopica sono significativamente diversi dagli esperimenti di meccanica di base macroscopica. Da un lato, sebbene gli strumenti e le attrezzature pertinenti siano stati resi popolari in quasi tutti i college e le università, il loro numero è limitato a causa del prezzo elevato e dei costi di manutenzione. A breve termine, è impossibile acquistare abbastanza attrezzature per l'insegnamento offline. Anche se ci sono risorse finanziarie, i costi di gestione e manutenzione degli esperimenti offline sono troppo alti, poiché questo tipo di apparecchiatura ha caratteristiche di alta precisione.

D'altra parte, gli esperimenti di meccanica in situ come la microscopia elettronica a scansione (SEM) sono molto completi, con elevati requisiti operativi e un periodo sperimentale estremamente lungo ^8,9. Gli esperimenti offline richiedono agli studenti di essere altamente concentrati per lungo tempo e il malfunzionamento può danneggiare lo strumento. Anche con individui molto qualificati, un esperimento di successo richiede alcuni giorni per essere completato, dalla preparazione di campioni qualificati al caricamento dei campioni per esperimenti di meccanica in situ. Pertanto, l'efficienza dell'insegnamento sperimentale offline è estremamente bassa.

Per risolvere i problemi di cui sopra, è possibile utilizzare la simulazione virtuale. Lo sviluppo dell'insegnamento dell'esperimento di simulazione virtuale può affrontare il collo di bottiglia in termini di costi e quantità delle apparecchiature sperimentali di meccanica in situ e, quindi, consentire agli studenti di utilizzare facilmente vari pezzi avanzati di attrezzature senza danneggiare gli strumenti ad alta tecnologia. L'insegnamento dell'esperimento di simulazione consente inoltre agli studenti di accedere alla piattaforma di esperimenti di simulazione virtuale via Internet sempre e ovunque. Anche per alcuni strumenti a basso costo, gli studenti possono utilizzare strumenti virtuali in anticipo per la formazione e la pratica, che possono migliorare l'efficienza dell'insegnamento.

Considerando l'accessibilità e la disponibilità di sistemi basati sul web¹⁰, in questo lavoro, presentiamo un sistema di sperimentazione di simulazione virtuale basato sul web che può fornire una serie di esperimenti relativi a operazioni fondamentali in meccanica e materiali, con particolare attenzione all'esperimento di meccanica in situ .

Protocollo

In questo lavoro, le procedure dell'esperimento di frattura del fascio microcantilever con le crepe sono discusse come segue, che è aperto all'accesso gratuito tramite http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Tutte le fasi sono condotte nel sistema online basato sull'approccio della simulazione virtuale. Per questo studio non è stata richiesta l'approvazione dell'Institutional Review Board. Il consenso è stato ottenuto dagli studenti volontari che hanno preso parte a questo studio.

1. Accesso al sistema e accesso all'interfaccia

1. Aprire un browser Web e immettere l'URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd per accedere al sistema.
   NOTA: è possibile accedere all'URL fornito tramite un browser Web tradizionale senza nome utente e password.
2. Trova l'interfaccia di simulazione virtuale utilizzando la barra di scorrimento verticale.
   NOTA: la scena virtuale è incorporata nel Web.
3. Fai clic sull'icona a schermo intero nell'angolo in basso a destra per abilitare un'interfaccia a schermo intero .
4. Fai clic sul pulsante Avvia esperimento per iniziare.
5. Fare clic sul pulsante Invio per seguire la guida per i principianti oppure fare clic sul pulsante Ignora per saltare questo passaggio.
   NOTA: l'utente può scegliere di seguire (pulsante Invio ) o saltare (pulsante Salta ). La guida per principianti fornisce descrizioni dell'intero sistema. L'interfaccia evidenzia anche le istruzioni operative passo-passo per eseguire le operazioni o le apparecchiature previste. La figura 1 mostra le attrezzature utilizzate nell'esperimento, compresi sette tipi di apparecchiature nelle discipline meccaniche e dei materiali. Si consiglia ai principianti di seguire questa guida.

2. Preparazione dei materiali

1. Inizia l'esperimento dopo aver completato la formazione di livello principiante. Seguire le istruzioni sull'interfaccia per "camminare" vicino alla tabella da laboratorio che contiene i wafer di silicio, rivedere le differenze tra i wafer di silicio di tipo normale e quelli di tipo crack e selezionare il modello di crack.
   NOTA: accedere all'interfaccia dell'esperimento ed eseguire gli esperimenti in base alle indicazioni del percorso evidenziate. Le linee guida evidenziate vengono fornite durante tutto il processo per offrire una guida chiara per la sperimentazione.
2. Selezionare un materiale dall'elenco dei materiali forniti.
   NOTA: L'elenco dei materiali fornito include oro, argento, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polietere-etere-chetone (PEEK) e polimetilmetacrilato (PMMA).
3. Caricare il materiale selezionato sul morsetto della fresa con un clic sul materiale evidenziato. Fare clic sul pulsante ON/OFF evidenziato (sul lato destro) per accendere il morsetto della fresa, fare clic sul pulsante Speed (sul lato sinistro) e impostare la velocità della macchina da taglio metallografica in un'interfaccia pop-up.
   NOTA: L'utente può impostare una velocità adeguata come desidera. Una volta impostata la velocità da parte dell'utente, il morsetto della fresa verrà attivato e la barra grezza verrà tagliata a fette sottili.
4. Impilate lo stampo, la lamiera e la lastra di copertura insieme facendo clic e trascinando l'oggetto evidenziato come indicato nell'interfaccia utente.
   NOTA: Dopo aver tagliato il materiale, questa fase di assemblaggio è necessaria prima della fusione di nano-stampi.

3. Modellare il campione

1. Camminare virtualmente verso la macchina per la prova universale di scorrimento ad alta temperatura seguendo le indicazioni mostrate nella Figura 2 e posizionare virtualmente i campioni impilati tra i morsetti della macchina di prova universale di scorrimento.
   NOTA: dopo questo passaggio, verrà evidenziato il computer virtuale sul lato sinistro della macchina di prova universale dello scorrimento universale ad alta temperatura.
2. Fare clic sul computer virtuale e impostare lo schema di test sul computer di controllo della macchina di test di scorrimento universale.
   NOTA: Dopo questo passaggio, l'attrezzatura ausiliaria della macchina universale per prove di scorrimento ad alta temperatura per il riscaldamento e il pompaggio del vuoto verrà evidenziata per fornire indicazioni all'utente.
3. Fare clic sull'apparecchiatura di riscaldamento e pompaggio del vuoto evidenziata e accendere l'alimentazione. Aprire la pompa meccanica virtuale e la valvola di supporto nell'interfaccia facendo clic sui pulsanti evidenziati.
   NOTA: questo passaggio completa le impostazioni di controllo del vuoto del sistema nel sistema di controllo del vuoto della macchina di prova universale di scorrimento.
4. Fare clic sul pulsante Cancella sul pannello di controllo della macchina di prova universale per scorrimento per cancellare i dati. Fare clic sul pulsante Esegui sul pannello di controllo della macchina di prova universale per completare l'esperimento, che copia il modello sullo stampo sulla lamiera utilizzando il metodo di stampaggio a compressione della piastra parallela.
   NOTA: Al termine della colata dello stampo, rimuovere il campione e chiudere la valvola di supporto e la pompa meccanica, ecc., Dell'apparecchiatura di riscaldamento e pompaggio del vuoto facendo clic sui pulsanti a turno come richiesto (nelle apparecchiature di riscaldamento e pompaggio del vuoto reali, l'ordine inverso può causare l'esaurimento della pompa molecolare).
5. Fare nuovamente clic sul computer virtuale e controllare i dati sperimentali sul computer di controllo della macchina di test di scorrimento universale.
6. Aprire la piastra di copertura sulla macchina metallografica per l'intarsio del campione e posizionare il campione.
   1. Fare clic sulla polvere di PMMA evidenziata per versare la polvere preparata e fare clic sullo stampo evidenziato per posizionarlo sopra la polvere di PMMA.
   2. Fare clic sul volantino evidenziato per regolare la posizione dello stampo, che coprirà automaticamente la piastra di copertura. Fare clic sul pulsante ON/OFF per accendere la macchina intarsiatrice. Estrarre il campione intarsiato in PMMA dopo il raffreddamento.
      NOTA: Il campione stampato deve essere montato sulla macchina di intarsio nella direzione corretta, come mostrato in Figura 3, in cui il materiale termoplastico PMMA viene utilizzato nell'esperimento. Assicurarsi che la polvere di PMMA si sciolga e aderisca alla superficie del campione. L'angolo inferiore sinistro della Figura 4 illustra la direzione corretta dopo che l'utente ha confermato la selezione illustrata nella Figura 3.
7. Entrare nella stanza per la lucidatura e la corrosione seguendo la guida del percorso, come mostrato nella Figura 5. Trova la lucidatrice evidenziata e fai clic sulla pinza della lucidatrice per montare il campione intarsiato sulla pinza. Impostare la velocità di macinazione e lucidatura del campione per rimuovere il substrato del materiale stampato.
   NOTA: macinare lo stampo su un lato dello stampo fino a quando il motivo sullo stampo non è esposto.

4. Caratterizzazione dei campioni

1. Registrarsi nell'e-notebook prima di utilizzare una sostanza chimica. Aprire l'armadio di stoccaggio chimico ed estrarre la soluzione solida di KOH e acetone. Fare clic sul becher evidenziato per utilizzare la soluzione di acetone per pulire il campione. Fare clic su un altro becher evidenziato e KOH solido per la preparazione del liquido di corrosione per preparare una soluzione KOH al 10%. Fare clic sulla soluzione KOH evidenziata e sul campione per corrodere il campione in un campione metallografico.
   NOTA: In questo esperimento, per rimuovere lo stampo di silicio, viene solitamente preparata una soluzione KOH da 6 mol/L, il campione viene posto nella soluzione di preparazione e il becher contenente la soluzione di corrosione e il campione viene posto su una piastra riscaldante per riscaldarsi per accelerare la velocità di corrosione.
2. Pulire il campione dopo aver rimosso il substrato di silicio ed eseguire un test caratterizzato con il campione preparato al microscopio ottico.
   NOTA: Ricordarsi di determinare l'integrità del campione dopo la macinazione e la corrosione.

5. Caricamento dei campioni e installazione di nanopenetratori

1. Caricare il campione sullo stadio campione del nanopenetratore. Scegli il penetratore a cono per montarlo sul driver del sistema di test micro e nanomeccanico. Fare clic sull'unità evidenziata per collegarla al nanoindenter.
   NOTA: Il "Perno" deve essere inserito nell'albero di trasmissione durante l'installazione del penetratore e, poiché l'albero di trasmissione è una barra sottile, il fermo evita di danneggiare l'albero di trasmissione quando si avvita il penetratore con un'estremità filettata nell'azionamento.

6. Esperimento SEM in situ

1. Fare clic sul pulsante Vent nel software di controllo SEM dopo aver installato il penetratore del nanopenetratore e caricato il campione come descritto al punto 5.1.
2. Aprire la camera SEM dopo aver rotto il vuoto, installare il nanopenetratore sullo stadio di campionamento SEM e collegare i fili (la Figura 6 mostra un esempio di collegamento di uno dei fili).
3. Aprire il software di controllo del nanoindenter e selezionare Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
   NOTA: Il processo di inizializzazione della posizione dello stadio di campionamento del nanopenetratore deve essere eseguito nello stato in cui la cavità SEM è aperta per evitare che il processo di inizializzazione dello stadio di campionamento nanopenetratore colpisca il polo della porta di uscita dell'elettrone SEM.
4. Chiudere la camera SEM e fare clic sul pulsante Pump sul software di controllo SEM.
5. Fare clic sul pulsante Su o Giù nel software di controllo SEM per regolare la posizione dello stadio del campione in modo che il campione da misurare rientri nel campo visivo SEM. Fare clic sul pulsante OK per correggere la posizione. Fare clic sul pulsante EHT evidenziato per accendere il cannone elettronico. Fare clic sul pulsante Fotocamera e passare alla modalità di osservazione al microscopio elettronico.
   NOTA: Il penetratore del nanopenetratore deve essere controllato in modalità di osservazione per avvicinarsi gradualmente al campione da misurare.
6. Fare clic sul pulsante Esegui sul software di controllo del nanoindenter.
   NOTA: Durante l'esperimento, è necessario osservare e registrare le caratteristiche di deformazione e il processo di guasto durante il processo di caricamento del campione e aprire i dati originali dell'esperimento nella finestra di analisi dei dati dopo che l'esperimento è stato completato per tracciare ed esportare i dati.
7. Fare clic sul pulsante Stop sul software di controllo del nanopenetratore per terminare l'esperimento.
   NOTA: l'esperimento di simulazione virtuale termina qui. All'utente viene chiesto di completare l'esercizio dell'esame online nell'interfaccia virtuale dopo la sperimentazione.

Risultati

Il sistema fornisce una guida chiara per le operazioni dell'utente. Innanzitutto, la formazione di livello principiante viene integrata quando un utente entra nel sistema. In secondo luogo, vengono evidenziate le attrezzature e la sala laboratorio da utilizzare per l'operazione successiva.

Il sistema può essere utilizzato per diversi scopi educativi per diversi livelli di studenti. Ad esempio, la Figura 1 include sette dei tipi di apparecchiature più comunemente...

Discussione

Uno dei vantaggi degli esperimenti di simulazione virtuale è che consentono agli utenti di condurre gli esperimenti senza preoccuparsi di danneggiare il sistema fisico o causare danni a se stessi¹¹. Pertanto, gli utenti possono eseguire qualsiasi operazione, comprese le operazioni corrette o errate. Tuttavia, il sistema fornisce all'utente un messaggio di avviso integrato nell'esperimento interattivo per guidarlo a condurre correttamente gli esperimenti quando viene eseguita un'operazione errata....

Materiali

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