Mekaniğin Sanal Bir Simülasyon Deneyi: Taramalı Elektron Mikroskobuna Dayalı Malzeme Deformasyonu ve Arızası

Özet

Bu çalışma, görselleştirilmiş deneysel süreçler sağlayan malzeme deformasyonu ve arızası için üç boyutlu bir sanal simülasyon deneyi sunmaktadır. Bir dizi deney sayesinde, kullanıcılar ekipmana aşina olabilir ve işlemleri sürükleyici ve etkileşimli bir öğrenme ortamında öğrenebilirler.

Özet

Bu çalışma, malzeme deformasyonunu ve arızasını tespit etmek için bir dizi kapsamlı sanal deney sunmaktadır. Metalografik kesme makinesi ve yüksek sıcaklıktaki üniversal sürünme test makinesi gibi mekanik ve malzeme disiplinlerinde en yaygın kullanılan ekipman parçaları, kullanıcılara sürükleyici ve etkileşimli bir öğrenme ortamında farklı deneysel hizmetler sunmak için web tabanlı bir sisteme entegre edilmiştir. Bu çalışmadaki protokol, malzemelerin hazırlanması, numunenin kalıplanması, numune karakterizasyonu, numune yükleme, nanoindenter kurulumu ve SEM in situ deneyleri olmak üzere beş alt bölüme ayrılmıştır ve bu protokol, kullanıcılara farklı ekipmanların ve ilgili işlemlerin tanınması ve laboratuvar bilincinin artırılması konusunda bir fırsat sunmayı amaçlamaktadır. vb., sanal bir simülasyon yaklaşımı kullanarak. Deney için net bir rehberlik sağlamak amacıyla sistem, bir sonraki adımda kullanılacak ekipmanı/numuneyi vurgular ve ekipmana giden yolu belirgin bir okla işaretler. Uygulamalı deneyi mümkün olduğunca yakından taklit etmek için üç boyutlu bir laboratuvar odası, ekipman, operasyon ve deneysel prosedürler tasarladık ve geliştirdik. Ayrıca, sanal sistem deney sırasında kimyasalları kullanmadan önce etkileşimli egzersizleri ve kayıtları da dikkate alır. Yanlış işlemlere de izin verilir, bu da kullanıcıyı bilgilendiren bir uyarı mesajıyla sonuçlanır. Sistem, kullanıcılara farklı seviyelerde etkileşimli ve görselleştirilmiş deneyler sağlayabilir.

Giriş

Mekanik, matematiksel mekaniğin ve teorik bilginin temeline verilen önem ve öğrencilerin pratik yeteneklerinin geliştirilmesine verilen önemin gösterdiği gibi, mühendislikteki temel disiplinlerden biridir. Modern bilim ve teknolojinin hızla ilerlemesiyle, nanobilim ve teknolojinin insan hayatı ve ekonomi üzerinde büyük bir etkisi olmuştur. ABD Ulusal Bilim Vakfı'nın (NSF) eski direktörü Rita Colwell, 2002 yılında nano ölçekli teknolojinin Sanayi Devrimi^1'e eşit bir etkiye sahip olacağını açıklamış ve nanoteknolojinin gerçekten yeni bir dünyaya açılan bir portal olduğunu belirtmişti². Nano ölçekte malzemelerin mekanik özellikleri, nano cihazlar ^3,4,5 gibi yüksek teknoloji uygulamalarının geliştirilmesi için en temel ve gerekli faktörlerden biridir. Malzemelerin nano ölçekte mekanik davranışları ve stres altındaki yapısal evrim, mevcut nanomekanik araştırmalarda önemli konular haline gelmiştir.

Son yıllarda, nanogirinti teknolojisinin, elektron mikroskobu teknolojisinin, tarama probu mikroskobunun vb. geliştirilmesi ve iyileştirilmesi, "yerinde mekanik" deneylerini nanomekanik araştırmalarında önemli olan ileri bir test tekniği haline getirmiştir ^6,7. Açıkçası, öğretim ve bilimsel araştırma perspektifinden, mekanik deneylerle ilgili geleneksel öğretim içeriğine sınır deneysel teknikleri sokmak gerekir.

Bununla birlikte, mikroskobik mekaniğin deneyleri, makroskobik temel mekanik deneylerinden önemli ölçüde farklıdır. Bir yandan, ilgili araç ve gereçler hemen hemen tüm kolej ve üniversitelerde yaygınlaşmış olmasına rağmen, yüksek fiyat ve bakım maliyeti nedeniyle sayıları sınırlıdır. Kısa vadede, çevrimdışı öğretim için yeterli ekipman satın almak mümkün değildir. Finansal kaynaklar olsa bile, çevrimdışı deneylerin yönetim ve bakım maliyetleri çok yüksektir, çünkü bu tür ekipmanlar yüksek hassasiyetli özelliklere sahiptir.

Öte yandan, taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi yerinde mekanik deneyler, yüksek operasyonel gereksinimler ve son derece uzun bir deney süresi ile çok kapsamlıdır ^8,9. Çevrimdışı deneyler, öğrencilerin uzun süre yüksek oranda odaklanmalarını gerektirir ve yanlış kullanım cihaza zarar verebilir. Çok yetenekli bireylerle bile, başarılı bir deneyin tamamlanması, nitelikli örneklerin hazırlanmasından in situ mekanik deneyler için numunelerin yüklenmesine kadar birkaç gün gerektirir. Bu nedenle, çevrimdışı deneysel öğretimin verimliliği son derece düşüktür.

Yukarıdaki sorunları ele almak için sanal simülasyon kullanılabilir. Sanal simülasyon deneyi öğretiminin geliştirilmesi, yerinde mekanik deney ekipmanının maliyet ve miktar darboğazını ele alabilir ve böylece öğrencilerin yüksek teknoloji ürünü aletlere zarar vermeden çeşitli gelişmiş ekipman parçalarını kolayca kullanmalarını sağlayabilir. Simülasyon deney öğretimi ayrıca öğrencilerin sanal simülasyon deney platformuna internet üzerinden her zaman ve her yerden erişmelerini sağlar. Bazı düşük maliyetli enstrümanlar için bile, öğrenciler sanal enstrümanları eğitim ve uygulama için önceden kullanabilirler, bu da öğretim verimliliğini artırabilir.

Web tabanlı sistemlerin erişilebilirliği ve kullanılabilirliği göz önüne alındığında¹⁰, bu çalışmada, yerinde mekanik deneyine odaklanarak, mekanik ve malzemelerdeki temel işlemlerle ilgili bir dizi deney sağlayabilen web tabanlı bir sanal simülasyon deney sistemi sunuyoruz.

Protokol

Bu çalışmada, http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd yoluyla serbest erişime açık olan mikrokonsol kiriş kırığı deneyinin çatlakları aşağıdaki gibi ele alınmıştır. Tüm adımlar online sistemde sanal simülasyon yaklaşımına dayalı olarak yürütülmektedir. Bu çalışma için Kurumsal Değerlendirme Kurulu onayı gerekmemiştir. Bu çalışmaya katılan gönüllü öğrencilerden onam alınmıştır.

1. Sisteme erişim ve arayüze girme

1. Bir web tarayıcısı açın ve sisteme erişmek için http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd URL'yi girin.
   NOT: Sağlanan URL'ye kullanıcı adı ve parola olmadan ana akım bir web tarayıcısı üzerinden erişilebilir.
2. Dikey kaydırma çubuğunu kullanarak sanal simülasyon arayüzünü bulun.
   NOT: Sanal sahne web'e gömülüdür.
3. Tam ekran arayüzünü etkinleştirmek için sağ alt köşedeki Tam Ekran simgesine tıklayın.
4. Başlamak için Denemeyi Başlat düğmesine tıklayın.
5. Yeni başlayanlar için rehberliği takip etmek için Enter düğmesine tıklayın veya bu adımı atlamak için Atla düğmesine tıklayın.
   NOT: Kullanıcı takip etmeyi (Enter düğmesi) veya atlamayı (Atla düğmesi) seçebilir. Yeni başlayanlar için rehberlik, tüm sistemin açıklamalarını sağlar. Arayüz ayrıca, amaçlanan işlemleri veya ekipmanı gerçekleştirmek için kullanım talimatlarını adım adım vurgular. Şekil 1 , mekanik ve malzeme disiplinlerinde yedi tip ekipman da dahil olmak üzere deneyde kullanılan ekipmanı göstermektedir. Yeni başlayanların bu kılavuzu izlemeleri önerilir.

2. Malzemelerin hazırlanması

1. Başlangıç seviyesindeki eğitimi tamamladıktan sonra denemeye başlayın. Silikon gofretleri içeren laboratuvar masasına "yaklaşmak" için arayüzdeki istemleri izleyin, normal tip ve çatlak tipi silikon gofretler arasındaki farkları gözden geçirin ve çatlak şablonunu seçin.
   NOT: Deneme arayüzüne girin ve vurgulanan yol kılavuzuna göre denemeler yapın. Vurgulanan rehberlik, deneme için net bir rehberlik sunmak üzere süreç boyunca sağlanır.
2. Sağlanan malzemeler listesinden bir malzeme seçin.
   NOT: Sağlanan malzeme listesi altın, gümüş, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polieter-eter-keton (PEEK) ve polimetil metakrilat (PMMA) içerir.
3. Seçilen malzemeyi, vurgulanan malzemeye tek bir tıklama ile kesici kelepçesine yükleyin. Kesici kelepçesini açmak için vurgulanan ON / OFF düğmesine (sağ tarafta) tıklayın, Hız düğmesine (sol tarafta) tıklayın ve metalografik kesme makinesinin hızını bir açılır arayüzde ayarlayın.
   NOT: Kullanıcı istediği gibi uygun bir hız ayarlayabilir. Hız kullanıcı tarafından ayarlandıktan sonra, kesici kelepçe etkinleştirilecek ve ham çubuk ince dilimler halinde kesilecektir.
4. Kullanıcı arabiriminde kılavuz olarak vurgulanan nesneyi tıklatıp sürükleyerek kalıbı, metal levhayı ve kapak levhasını sırayla bir araya getirin.
   NOT: Malzemeyi kestikten sonra, nano kalıp dökümünden önce bu montaj adımı gereklidir.

3. Numunenin kalıplanması

1. Şekil 2'de gösterilen kılavuzu izleyerek yüksek sıcaklıktaki üniversal sünme test makinesine sanal olarak yürüyün ve istiflenmiş numuneleri üniversal sünme test makinesinin plaka kelepçeleri arasına sanal olarak yerleştirin.
   NOT: Bu adımdan sonra, yüksek sıcaklık üniversal sünme test makinesinin sol tarafındaki sanal bilgisayar vurgulanacaktır.
2. Sanal Bilgisayar'a tıklayın ve evrensel sürünme test makinesinin kontrol bilgisayarında test şemasını ayarlayın.
   NOT: Bu adımdan sonra, ısıtma ve vakum pompalama için yüksek sıcaklık üniversal sünme test makinesinin yardımcı ekipmanı, kullanıcıya rehberlik etmek için vurgulanacaktır.
3. Vurgulanan Isıtma ve Vakum Pompalama Ekipmanına tıklayın ve güç kaynağını açın. Vurgulanan düğmelere tıklayarak sanal mekanik pompayı ve destek vanasını arayüzde açın.
   NOT: Bu adım, üniversal sünme test makinesinin vakum kontrol sistemindeki sistem vakum kontrol ayarlarını tamamlar.
4. Verileri temizlemek için evrensel sürünme test makinesinin Kontrol Panelindeki Temizle düğmesine tıklayın. Denemeyi tamamlamak için üniversal sürünme test makinesinin Kontrol Panelindeki Çalıştır düğmesine tıklayın, bu da paralel plaka sıkıştırma kalıplama yöntemini kullanarak kalıp üzerindeki deseni metal levhaya kopyalar.
   NOT: Kalıp dökümü tamamlandıktan sonra, numuneyi çıkarın ve gerektiğinde sırayla düğmelere tıklayarak ısıtma ve vakum pompalama ekipmanının destek valfini ve mekanik pompasını vb. kapatın (gerçek ısıtma ve vakum pompalama ekipmanında, ters sıra moleküler pompanın yanmasına neden olabilir).
5. Sanal Bilgisayara tekrar tıklayın ve evrensel sürünme test makinesinin kontrol bilgisayarındaki deneysel verileri kontrol edin.
6. Metalografik numune kakma makinesindeki kapak plakasını açın ve numuneyi yerleştirin.
   1. Hazırlanan tozu dökmek için vurgulanan PMMA tozuna tıklayın ve PMMA tozunun üzerine yerleştirmek için vurgulanan kalıba tıklayın.
   2. Kapak plakasını otomatik olarak kaplayacak olan kalıbın konumunu ayarlamak için vurgulanan el çarkına tıklayın. Kakma makinesini açmak için AÇIK/KAPALI düğmesine tıklayın. PMMA kakma örneğini soğuduktan sonra çıkarın.
      NOT: Kalıplanmış numune, deneyde termoplastik malzeme PMMA'nın kullanıldığı Şekil 3'te gösterildiği gibi kakma makinesine doğru yönde monte edilmelidir. PMMA tozunun eridiğinden ve numunenin yüzeyine yapıştığından emin olun. Şekil 4'ün sol alt köşesi, kullanıcı Şekil 3'te gösterilen seçimi onayladıktan sonra doğru yönü göstermektedir.
7. Şekil 5'te gösterildiği gibi, yol kılavuzunu izleyerek parlatma ve korozyon odasına girin. Vurgulanan parlatma makinesini bulun ve kakma örneğini tutucuya monte etmek için parlatma makinesinin tutucusuna tıklayın. Kalıplanmış malzeme substratını çıkarmak için numuneyi taşlama ve parlatma hızını ayarlayın.
   NOT: Kalıbın bir tarafındaki kalıbı, kalıp üzerindeki desen açığa çıkana kadar taşlayın.

4. Numune karakterizasyonu

1. Bir kimyasal kullanmadan önce e-deftere kaydolun. Kimyasal saklama dolabını açın ve katı KOH ve aseton çözeltisini çıkarın. Numuneyi temizlemek üzere aseton çözeltisini kullanmak için vurgulanan beherin üzerine tıklayın. % 10'luk bir KOH çözeltisi hazırlamak için korozyon sıvısı hazırlama için vurgulanmış başka bir beher ve katı KOH'ye tıklayın. Numuneyi metalografik bir numuneye paslandırmak için vurgulanan KOH çözeltisine ve numuneye tıklayın.
   NOT: Bu deneyde, silikon kalıbı çıkarmak için genellikle 6 mol / L KOH çözeltisi hazırlanır, numune hazırlama çözeltisine yerleştirilir ve korozyon çözeltisini ve numuneyi içeren beher, korozyon hızını hızlandırmak için ısınmak üzere bir sıcak plaka üzerine yerleştirilir.
2. Silikon substratı çıkardıktan sonra numuneyi temizleyin ve hazırlanan numune ile optik mikroskop altında karakterize bir test yapın.
   NOT: Taşlama ve korozyondan sonra numunenin bütünlüğünü belirlemeyi unutmayın.

5. Numune yükleme ve nanoindenter kurulumu

1. Numuneyi nanoindenterin numune aşamasına yükleyin. Mikro ve nanomekanik test sisteminin sürücüsüne monte etmek için koni girintiyi seçin. Nanoindenter'a bağlamak için vurgulanan sürücüye tıklayın.
   NOT: Girintiyi takarken "Pim" tahrik miline yerleştirilmelidir ve tahrik mili ince bir çubuk olduğundan, mandal, girintiyi dişli bir uçla tahrike vidalarken tahrik miline zarar vermekten kaçınır.

6. SEM in situ deneyi

1. Nanoindenter'ın indenterini kurduktan ve numuneyi 5.1'de açıklandığı gibi yükledikten sonra SEM kontrol yazılımındaki Havalandırma düğmesine tıklayın.
2. Vakumu kırdıktan sonra SEM odasını açın, nanoindenter'ı SEM numune aşamasına takın ve telleri bağlayın (Şekil 6 , tellerden birinin bağlanmasına bir örnek göstermektedir).
3. Nanoindenter'ın kontrol yazılımını açın ve Loaded Indenter Range'i seçin > Deneysel Protokol'ü seçin > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization) öğesini seçin.
   NOT: Nanoindenter numune aşamasının pozisyon başlatma işlemi, nanoindenter numune aşamasının başlatma işleminin SEM elektron çıkış portunun kutbuna çarpmasını önlemek için SEM boşluğunun açık olduğu durumda gerçekleştirilmelidir.
4. SEM odasını kapatın ve SEM kontrol yazılımındaki Pompa düğmesine tıklayın.
5. Numune aşamasının konumunu, ölçülecek numunenin SEM görüş alanına düşecek şekilde ayarlamak için SEM kontrol yazılımındaki Yukarı veya Aşağı düğmesine tıklayın. Konumu düzeltmek için Tamam düğmesine tıklayın. Elektron tabancasını açmak için vurgulanan EHT düğmesine tıklayın. Kamera düğmesine tıklayın ve elektron mikroskobu gözlem moduna geçin.
   NOT: Nanoindenter'ın girinticisi, ölçülecek numuneye kademeli olarak yaklaşmak için gözlem modunda kontrol edilmelidir.
6. Nanoindenter'ın kontrol yazılımındaki Çalıştır düğmesine tıklayın.
   NOT: Deney sırasında, numunenin yüklenme işlemi sırasında deformasyon karakteristiklerinin ve arıza sürecinin gözlemlenip kaydedilmesi ve verilerin çizilmesi ve dışa aktarılması için deney tamamlandıktan sonra deneyin orijinal verilerinin veri analizi penceresinde açılması gerekmektedir.
7. Deneyi sonlandırmak için nanoindenter'ın kontrol yazılımındaki Durdur düğmesine tıklayın.
   NOT: Sanal simülasyon deneyi burada sona ermektedir. Kullanıcıdan denemeden sonra sanal arayüzde çevrimiçi sınav alıştırmasını tamamlaması istenir.

Sonuçlar

Sistem, kullanıcının işlemleri için net bir rehberlik sağlar. İlk olarak, bir kullanıcı sisteme girdiğinde başlangıç seviyesi eğitim entegre edilir. İkinci olarak, bir sonraki adımdaki operasyon için kullanılacak ekipman ve laboratuvar odası vurgulanır.

Sistem, farklı seviyelerdeki öğrenciler için birkaç farklı eğitim amacı için kullanılabilir. Örneğin, Şekil 1, mekanik ve malzeme disiplinlerinde en yaygın kullanılan ekipman tür...

Tartışmalar

Sanal simülasyon deneylerinin avantajlarından biri, kullanıcıların fiziksel sisteme zarar verme veya kendilerine zarar verme endişesi olmadan deneyleri yapmalarına izin vermeleridir¹¹. Böylece, kullanıcılar doğru veya yanlış işlemler de dahil olmak üzere herhangi bir işlemi gerçekleştirebilirler. Bununla birlikte, sistem kullanıcıya, yanlış bir işlem yapıldığında deneyleri doğru bir şekilde yürütmeleri için rehberlik etmek üzere etkileşimli deneye entegre edilmiş...

Malzemeler

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