Um Experimento Virtual de Simulação de Mecânica: Deformação e Falha de Material Baseado em Microscopia Eletrônica de Varredura

Resumo

Este trabalho apresenta um experimento de simulação virtual tridimensional para deformação e falha de materiais que fornece processos experimentais visualizados. Através de um conjunto de experimentos, os usuários podem se familiarizar com o equipamento e aprender as operações em um ambiente de aprendizagem imersivo e interativo.

Resumo

Este trabalho apresenta um conjunto de experimentos virtuais abrangentes para detectar deformação e falha de materiais. Os equipamentos mais comumente usados em mecânica e disciplinas de materiais, como uma máquina de corte metalográfico e uma máquina universal de teste de fluência de alta temperatura, são integrados em um sistema baseado na web para fornecer diferentes serviços experimentais aos usuários em um ambiente de aprendizado imersivo e interativo. O protocolo neste trabalho está dividido em cinco subseções, a saber, a preparação dos materiais, moldagem do corpo de prova, caracterização do corpo de prova, carregamento do corpo de prova, instalação de nanoindenter e experimentos in situ de MEV, e este protocolo visa proporcionar uma oportunidade para os usuários quanto ao reconhecimento de diferentes equipamentos e as operações correspondentes, bem como o aumento da conscientização laboratorial, etc., utilizando uma abordagem de simulação virtual. Para fornecer uma orientação clara para o experimento, o sistema destaca o equipamento/amostra a ser usado na próxima etapa e marca o caminho que leva ao equipamento com uma seta conspícua. Para imitar o experimento prático o mais próximo possível, projetamos e desenvolvemos uma sala de laboratório tridimensional, equipamentos, operações e procedimentos experimentais. Além disso, o sistema virtual também considera exercícios interativos e registro antes do uso de produtos químicos durante o experimento. Operações incorretas também são permitidas, resultando em uma mensagem de aviso informando o usuário. O sistema pode fornecer experimentos interativos e visualizados para usuários em diferentes níveis.

Introdução

A mecânica é uma das disciplinas básicas da engenharia, como mostra a ênfase dada à fundamentação da mecânica matemática e do conhecimento teórico e a atenção dada ao cultivo das habilidades práticas dos alunos. Com o rápido avanço da ciência e tecnologia modernas, a nanociência e a tecnologia tiveram um enorme impacto na vida humana e na economia. Rita Colwell, ex-diretora da National Science Foundation (NSF) dos EUA, declarou em 2002 que a tecnologia em nanoescala teria um impacto igual ao da Revolução Industrial¹ e observou que a nanotecnologia é realmente um portal para um novo mundo². As propriedades mecânicas dos materiais em nanoescala são um dos fatores mais fundamentais e necessários para o desenvolvimento de aplicações de alta tecnologia, como os nanodispositivos ^3,4,5. O comportamento mecânico de materiais na escala nanométrica e a evolução estrutural sob estresse tornaram-se questões importantes na pesquisa nanomecânica atual.

Nos últimos anos, o desenvolvimento e o aprimoramento da tecnologia de nanoindentação, da tecnologia de microscopia eletrônica, da microscopia de varredura por sonda, etc., tornaram os experimentos de "mecânica in situ" uma técnica avançada de testes importante na pesquisa em nanomecânica ^6,7. Obviamente, do ponto de vista do ensino e da pesquisa científica, é necessário introduzir técnicas experimentais de fronteira no conteúdo tradicional de ensino de experimentos mecânicos.

No entanto, experimentos de mecânica microscópica são significativamente diferentes de experimentos de mecânica básica macroscópica. Por um lado, embora os instrumentos e equipamentos relevantes tenham sido popularizados em quase todas as faculdades e universidades, seu número é limitado devido ao alto preço e custo de manutenção. A curto prazo, é impossível comprar equipamentos suficientes para o ensino offline. Mesmo que haja recursos financeiros, os custos de gerenciamento e manutenção de experimentos off-line são muito altos, já que esse tipo de equipamento tem características de alta precisão.

Por outro lado, experimentos de mecânica in situ, como a microscopia eletrônica de varredura (MEV), são bastante abrangentes, com alta exigência operacional e período experimental extremamente^longo8,9. Experimentos off-line exigem que os alunos estejam altamente focados por um longo tempo, e o mau funcionamento pode danificar o instrumento. Mesmo com indivíduos muito habilidosos, um experimento bem-sucedido requer alguns dias para ser concluído, desde a preparação de espécimes qualificados até o carregamento dos espécimes para experimentos de mecânica in situ. Portanto, a eficiência do ensino experimental offline é extremamente baixa.

Para resolver as questões acima, a simulação virtual pode ser utilizada. O desenvolvimento do ensino de experimentos de simulação virtual pode resolver o gargalo de custo e quantidade de equipamentos experimentais de mecânica in situ e, assim, permitir que os alunos usem facilmente vários equipamentos avançados sem danificar instrumentos de alta tecnologia. O ensino de experimentos de simulação também permite que os alunos acessem a plataforma de experimentos de simulação virtual via internet a qualquer hora e em qualquer lugar. Mesmo para alguns instrumentos de baixo custo, os alunos podem usar instrumentos virtuais antecipadamente para treinamento e prática, o que pode melhorar a eficiência do ensino.

Considerando a acessibilidade e disponibilidade de sistemas baseados na^web10, neste trabalho, apresentamos um sistema de experimentação de simulação virtual baseado na web que pode fornecer um conjunto de experimentos relacionados a operações fundamentais em mecânica e materiais, com foco no experimento de mecânica in situ .

Protocolo

Neste trabalho, os procedimentos do experimento de fratura por viga de microcantilever com fissuras são discutidos a seguir, o qual é aberto para livre acesso via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Todas as etapas são realizadas no sistema on-line com base na abordagem de simulação virtual. Não foi necessária a aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa para este estudo. O consentimento foi obtido dos estudantes voluntários que participaram deste estudo.

1. Acessando o sistema e entrando na interface

1. Abra um navegador da Web e insira a URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd para acessar o sistema.
   NOTA: A URL fornecida pode ser acessada por meio de um navegador da Web convencional sem um nome de usuário e senha.
2. Encontre a interface de simulação virtual usando a barra de rolagem vertical.
   Observação : a cena virtual é incorporada na web.
3. Clique no ícone FullScreen no canto inferior direito para ativar uma interface de tela cheia.
4. Clique no botão Iniciar experimento para iniciar.
5. Clique no botão Enter para seguir as orientações para iniciantes ou clique no botão Ignorar para pular esta etapa.
   Observação : o usuário pode optar por seguir (botão Enter ) ou ignorar (botão Skip ). A orientação para iniciantes fornece descrições de todo o sistema. A interface também destaca as instruções de operação passo-a-passo para a realização das operações ou equipamentos pretendidos. A Figura 1 mostra os equipamentos utilizados no experimento, incluindo sete tipos de equipamentos nas disciplinas mecânica e materiais. Recomenda-se que os iniciantes sigam esta orientação.

2. Preparação dos materiais

1. Inicie o experimento depois de concluir o treinamento de nível iniciante. Siga as instruções na interface para "caminhar" perto da tabela de laboratório que contém os wafers de silício, revise as diferenças entre os wafers de silício do tipo normal e do tipo crack e selecione o modelo de rachadura.
   NOTA: Entre na interface do experimento e conduza experimentos de acordo com a orientação do caminho destacado. A orientação destacada é fornecida durante todo o processo para oferecer orientações claras para a experimentação.
2. Selecione um material na lista de materiais fornecidos.
   NOTA: A lista de materiais fornecida inclui ouro, prata, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, poliéter-éter-cetona (PEEK) e polimetilmetacrilato (PMMA).
3. Coloque o material selecionado na braçadeira do cortador com um clique no material destacado. Clique no botão ON/OFF destacado (no lado direito) para ligar a braçadeira do cortador, clique no botão Velocidade (no lado esquerdo) e defina a velocidade da máquina de corte metalográfica em uma interface pop-up.
   NOTA: O usuário pode definir uma velocidade adequada como desejar. Uma vez que a velocidade é definida pelo usuário, a braçadeira do cortador será ativada, e a barra bruta será cortada em fatias finas.
4. Empilhe o molde, a chapa metálica e a folha de cobertura juntos, clicando e arrastando o objeto realçado conforme guiado na interface do usuário.
   OBS: Após o corte do material, esta etapa de montagem é necessária antes da fundição do nanomolde.

3. Moldagem do espécime

1. Caminhe virtualmente até a máquina de teste de fluência universal de alta temperatura seguindo a orientação mostrada na Figura 2 e coloque virtualmente as amostras empilhadas entre as abraçadeiras da placa da máquina universal de teste de fluência.
   Observação : após esta etapa, o computador virtual no lado esquerdo da máquina de teste de fluência universal de alta temperatura será realçado.
2. Clique no Computador Virtual e defina o esquema de teste no computador de controle da máquina universal de teste de fluência.
   NOTA: Após esta etapa, o equipamento auxiliar da máquina universal de teste de fluência de alta temperatura para aquecimento e bombeamento a vácuo será destacado para fornecer orientação ao usuário.
3. Clique no destaque Equipamento de Aquecimento e Bombeamento a Vácuo e ligue a fonte de alimentação. Abra a bomba mecânica virtual e a válvula de apoio na interface clicando nos botões destacados.
   NOTA: Esta etapa completa as configurações de controle de vácuo do sistema no sistema de controle de vácuo da máquina universal de teste de fluência.
4. Clique no botão Limpar no Painel de Controle da máquina de teste de fluência universal para limpar os dados. Clique no botão Executar no Painel de Controle da máquina universal de teste de fluência para concluir o experimento, que copia o padrão no molde para a chapa metálica usando o método de moldagem por compressão de placa paralela.
   NOTA: Após a conclusão da fundição do molde, remova a amostra e feche a válvula de apoio e a bomba mecânica, etc., do equipamento de aquecimento e bombeamento a vácuo, clicando nos botões por sua vez, conforme necessário (em equipamentos reais de aquecimento e bombeamento a vácuo, a ordem inversa pode causar a queima da bomba molecular).
5. Clique no Computador Virtual novamente e verifique os dados experimentais no computador de controle da máquina universal de teste de fluência.
6. Abra a placa de cobertura na máquina de incrustação do espécime metalográfico e coloque o espécime.
   1. Clique no pó de PMMA destacado para despejar o pó preparado e clique no molde destacado para colocá-lo em cima do pó de PMMA.
   2. Clique na roda de mão destacada para ajustar a posição do molde, que cobrirá a placa de cobertura automaticamente. Clique no botão ON/OFF para ligar a máquina de incrustação. Retire o espécime incrustado de PMMA após o resfriamento.
      OBS: O corpo de prova moldado deve ser montado na máquina de incrustação na direção correta, como mostra a Figura 3, na qual o material termoplástico PMMA é utilizado no experimento. Certifique-se de que o pó de PMMA derrete e adere à superfície da amostra. O canto inferior esquerdo da Figura 4 ilustra a direção correta após o usuário confirmar a seleção mostrada na Figura 3.
7. Entre na sala para polimento e corrosão seguindo a orientação do caminho, como mostra a Figura 5. Encontre a máquina de polimento destacada e clique na garra da máquina de polimento para montar o espécime embutido na pinça. Ajuste a velocidade de moagem e polimento do corpo de prova para remover o substrato do material moldado.
   OBS: Triture o molde de um dos lados do molde até que o padrão no molde fique exposto.

4. Caracterização do espécime

1. Cadastre-se no e-notebook antes de usar um produto químico. Abra o armário de armazenamento de produtos químicos e retire a solução sólida de KOH e acetona. Clique no copo destacado para usar a solução de acetona para limpar o espécime. Clique em outro copo destacado e KOH sólido para preparação de líquido de corrosão para preparar uma solução de KOH a 10%. Clique na solução de KOH destacada e no espécime para corroê-lo em um espécime metalográfico.
   NOTA: Neste experimento, para remover o molde de silício, uma solução de KOH 6 mol/L é geralmente preparada, o corpo de prova é colocado na solução de preparação, e o copo contendo a solução de corrosão e o corpo de prova é colocado em uma placa quente para aquecer para acelerar a taxa de corrosão.
2. Limpe o espécime depois de remover o substrato de silício e execute um teste caracterizado com o espécime preparado sob um microscópio óptico.
   OBS: Lembre-se de determinar a integridade do corpo de prova após a retificação e corrosão.

5. Carregamento do espécime e instalação do nanoindenter

1. Coloque o espécime no estágio de amostra do nanoindenter. Escolha o indenter do cone para montá-lo no driver do sistema de teste de micro e nanomecânica. Clique na unidade destacada para conectá-la com o nanoindenter.
   NOTA: O "Pino" deve ser inserido no eixo de acionamento ao instalar o indenter, e como o eixo de transmissão é uma barra fina, a trava evita danificar o eixo de acionamento ao parafusar o indenter com uma extremidade rosqueada no acionamento.

6. Experimento in situ de MEV

1. Clique no botão Vent no software de controle de MEV depois de instalar o indenter do nanoindenter e carregar a amostra conforme descrito em 5.1.
2. Abra a câmara de MEV após quebrar o vácuo, instale o nanoindenter no estágio de amostra de MEV e conecte os fios (a Figura 6 mostra um exemplo de conexão de um dos fios).
3. Abra o software de controle do nanoindenter e selecione Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
   NOTA: O processo de inicialização da posição do estágio de amostra de nanoindenter deve ser realizado no estado em que a cavidade de MEV está aberta para evitar que o processo de inicialização do estágio de amostra de nanoindenter atinja o polo da porta de saída de elétrons de MEV.
4. Feche a câmara de MEV e clique no botão Bomba no software de controle de MEV.
5. Clique no botão Para cima ou para baixo no software de controle de MEV para ajustar a posição do estágio de amostra para que a amostra a ser medida caia no campo de visão de MEV. Clique no botão OK para corrigir a posição. Clique no botão EHT realçado para ligar o canhão de elétrons. Clique no botão Câmera e alterne para o modo de observação de microscopia eletrônica.
   NOTA: O indenter do nanoindenter deve ser controlado em modo de observação para se aproximar gradualmente da amostra a ser medida.
6. Clique no botão Executar no software de controle do nanoindenter.
   NOTA: Durante o experimento, é necessário observar e registrar as características de deformação e o processo de falha durante o processo de carregamento do corpo de prova e abrir os dados originais do experimento na janela de análise de dados após a conclusão do experimento para plotagem e exportação dos dados.
7. Clique no botão Parar no software de controle do nanoindenter para encerrar o experimento.
   NOTA: O experimento de simulação virtual termina aqui. O usuário é solicitado a completar o exercício de exame on-line na interface virtual após a experimentação.

Resultados

O sistema fornece orientações claras para as operações do usuário. Primeiro, o treinamento de nível iniciante é integrado quando um usuário entra no sistema. Em segundo lugar, destacam-se os equipamentos e a sala de laboratório a ser utilizada para a operação da próxima etapa.

O sistema pode ser usado para vários fins educacionais diferentes para diferentes níveis de alunos. Por exemplo, a Figura 1 inclui sete dos tipos de equipamentos mais comumente...

Discussão

Uma das vantagens dos experimentos de simulação virtual é que eles permitem que os usuários conduzam os experimentos sem preocupações em danificar o sistema físico ou causar qualquer dano a si mesmos¹¹. Assim, os usuários podem realizar quaisquer operações, incluindo operações corretas ou erradas. No entanto, o sistema dá ao usuário uma mensagem de aviso que é integrada ao experimento interativo para orientá-lo a conduzir os experimentos corretamente quando uma operação errada é...

Materiais

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