Name: a virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy
Uploaded: 2023-01-20T13:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy at JoVE.com

Работа выполнена при частичной поддержке Фондов фундаментальных исследований центральных университетов в рамках гранта 2042022kf1059; Фонд естественных наук провинции Хубэй в рамках гранта 2022CFB757; Китайский фонд постдокторантуры в рамках гранта 2022TQ0244; финансирование проекта экспериментальных технологий Уханьского университета в рамках гранта WHU-2021-SYJS-11; провинциальные учебные и исследовательские проекты в колледжах и университетах провинции Хубэй в 2021 году в рамках гранта 2021038; и Провинциальный лабораторный исследовательский проект в колледжах и университетах провинции Хубэй в рамках гранта HBSY2021-01.

В данной работе рассматриваются следующие методики эксперимента по разрушению микрокантилевера пучка с трещинами, который открыт для свободного доступа через http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Все этапы проводятся в онлайн-системе на основе подхода виртуального моделирования. Для этого иссл...

<ol>
	<li>Chong, K., Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano+mechanics/materials+research.">Nano mechanics/materials research.</a> Nanomechanics of Materials and Structures. , 13-22 (2006).</li><li>Ratner, B. M., Ratner, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , (2003).</li><li>Li, Y., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precipitation+behavior+in+boundaries+and+its+influence+on+impact+toughness+in+22Cr25Ni3W3CuCoNbN+steel+during+short-term+ageing.">Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing.</a> Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).</li><li>Li, Y., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strengthening+mechanisms+and+creep+rupture+behavior+of+advanced+austenitic+heat+resistant+steel+SA-213+S31035+for+A-USC+power+plants.">Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants.</a> Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).</li><li>Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precipitate+evolution+during+the+aging+of+Super304H+steel+and+its+influence+on+impact+toughness.">Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness.</a> Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).</li><li>Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+SEM+cyclic+nanoindentation+of+pre-sintered+and+sintered+zirconia+materials.">In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).</li><li>Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+during+in-situ+mechanical+testing:+Some+practical+considerations+and+limitations.">Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations.</a> In-situ Mechanics of Materials. , 227-238 (2020).</li><li>Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+mechanics+of+boron+nitride+nanotube+&amp;#34;Buckypaper&amp;#34;+for+engineering+advanced+structural+materials.">High-temperature mechanics of boron nitride nanotube &amp;#34;Buckypaper&amp;#34; for engineering advanced structural materials.</a> ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).</li><li>Cao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlations+between+microstructure,+fracture+morphology,+and+fracture+toughness+of+nanocrystalline+Ni-W+alloys.">Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys.</a> Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+a+web-based+digital+twin+thermal+power.">Toward a web-based digital twin thermal power.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+virtual+simulation+to+digital+twins+in+online+laboratories.">From virtual simulation to digital twins in online laboratories.</a> 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).</li><li>Dede, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Immersive+interfaces+for+engagement+and+learning.">Immersive interfaces for engagement and learning.</a> Science. 323 (5910), 66-69 (2009).</li><li>Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Training+effectiveness+evaluation+of+helicopter+emergency+relief+based+on+virtual+simulation.">Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interactive+and+visualized+online+experimentation+system+for+engineering+education+and+research.">Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research.</a> Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).</li><li>Gal&#225;n, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safe+experimentation+in+optical+levitation+of+charged+droplets+using+remote+labs.">Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs.</a> Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).</li><li>Ouyang, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Unity3D-based+interactive+three-dimensional+virtual+practice+platform+for+chemical+engineering.">A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering.</a> Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).</li></ol>

Одним из преимуществ экспериментов по виртуальному моделированию является то, что они позволяют пользователям проводить эксперименты, не беспокоясь о повреждении физической системы или причинении какого-либо вреда себе11. Таким образом, пользователи могут проводить любы...

Механика является одной из основных дисциплин в технике, о чем свидетельствует акцент, сделанный на основе математической механики и теоретических знаний, а также внимание, уделяемое развитию практических способностей студентов. С быстрым развитием современной науки и техники нанонаука и технологии оказали огромное влияние на жизнь человека и экономику. Рита Колвелл, бывший директор Национального научного фонда США (NSF), заявила в 2002 году, что наноразмерные технологии окажут влияние, равное промышленной революции1, и отметила, что нанотехнологии действительно являются порталом в новый мир2. Механические свойства материалов на наноуровне являются одним из наиболее фундаментальных и необходимых факторов для развития высокотехнологичных приложений, таких как наноустройства 3,4,5. Механическое поведение материалов на наноуровне и структурная эволюция под напряжением стали важными вопросами в современных наномеханических исследованиях.
В последние годы развитие и совершенствование технологии наноиндентирования, технологии электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии и т. д. сделали эксперименты по «механике in situ» передовым методом тестирования, важным в исследованиях наномеханики 6,7. Очевидно, что с точки зрения преподавания и научных исследований необходимо ввести передовые экспериментальные методы в традиционное содержание обучения механическим экспериментам.
Однако эксперименты по микроскопической механике существенно отличаются от экспериментов по макроскопической базовой механике. С одной стороны, хотя соответствующие инструменты и оборудование популяризированы практически во всех колледжах и университетах, их количество ограничено из-за высокой цены и стоимости обслуживания. В ближайшей перспективе невозможно закупить достаточное количество оборудования для офлайн-обучения. Даже при наличии финансовых ресурсов затраты на управление и обслуживание оффлайн-экспериментов слишком высоки, так как данный вид оборудования обладает высокоточными характеристиками.
С другой стороны, эксперименты по механике in situ, такие как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), являются очень всеобъемлющими, с высокими эксплуатационными требованиями и чрезвычайно длительным периодом эксперимента 8,9. Автономные эксперименты требуют от учащихся высокой концентрации в течение длительного времени, а неправильная работа может повредить инструмент. Даже с очень квалифицированными людьми для успешного эксперимента требуется несколько дней, от подготовки квалифицированных образцов до загрузки образцов для механических экспериментов на месте. Поэтому эффективность автономного экспериментального обучения крайне низка.
Для решения вышеуказанных проблем можно использовать виртуальное моделирование. Развитие обучения виртуальным симуляционным экспериментам может решить проблему стоимости и количества экспериментального оборудования для механики in situ и, таким образом, позволить учащимся легко использовать различные передовые элементы оборудования, не повреждая высокотехнологичные инструменты. Преподавание симуляционных экспериментов также позволяет учащимся получить доступ к виртуальной платформе симуляционного эксперимента через Интернет в любое время и в любом месте. Даже для некоторых недорогих инструментов студенты могут заранее использовать виртуальные инструменты для обучения и практики, что может повысить эффективность обучения.
Учитывая доступность и доступность веб-систем10, в этой работе мы представляем веб-систему виртуальных имитационных экспериментов, которая может обеспечить набор экспериментов, связанных с фундаментальными операциями в механике и материалах, с акцентом на эксперимент по механике in situ .

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Virtual interface</td>
			<td>None</td>
			<td>None</td>
			<td>http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy

В данной работе представлен комплекс комплексных виртуальных экспериментов по обнаружению деформации и разрушения материала. Наиболее часто используемые единицы оборудования в механике и материаловедении, такие как металлографический режущий станок и высокотемпературная универсальная машина для испытания на ползучесть, интегрированы в веб-систему для предоставления различных экспериментальных услуг пользователям в иммерсивной и интерактивной учебной среде. Протокол в этой работе разделен на пять подразделов, а именно: подготовка материалов, формование образца, характеристика образца, загрузка образца, установка наноиндентора и эксперименты SEM in situ , и этот протокол направлен на предоставление пользователям возможности в отношении распознавания различного оборудования и соответствующих операций, а также повышение осведомленности лаборатории, и т. д., используя подход виртуального моделирования. Чтобы обеспечить четкое руководство для эксперимента, система выделяет оборудование/образец, который будет использоваться на следующем этапе, и отмечает путь, ведущий к оборудованию, заметной стрелкой. Чтобы максимально точно имитировать практический эксперимент, мы спроектировали и разработали трехмерную лабораторную комнату, оборудование, операции и экспериментальные процедуры. Кроме того, виртуальная система также учитывает интерактивные упражнения и регистрацию перед использованием химических веществ во время эксперимента. Также допускаются некорректные операции, что приводит к появлению предупреждающего сообщения, информирующего пользователя. Система может предоставлять интерактивные и визуализированные эксперименты пользователям на разных уровнях.

Система обеспечивает четкое руководство по операциям пользователя. Во-первых, обучение начального уровня интегрируется, когда пользователь входит в систему. Во-вторых, выделяются оборудование и лабораторное помещение, которое будет использоваться для следующего этапа операции.
<p cl...

Watch this Scientific Journal Video about A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy at JoVE.com

A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy

В этой работе представлен трехмерный виртуальный имитационный эксперимент по деформации и разрушению материала, который обеспечивает визуализированные экспериментальные процессы. С помощью ряда экспериментов пользователи могут ознакомиться с оборудованием и изучить операции в иммерсивной и интерактивной учебной среде.

Виртуальный имитационный эксперимент по механике: деформация и разрушение материала на основе сканирующей электронной микроскопии

This work presents a set of comprehensive virtual experiments to detect material deformation and failure. The most commonly used pieces of equipment in ...

Система может быть использована для обучения наших студентов экспериментальным протоколам, использованию оборудования и теоретической проверке, что позволяет им многократно улучшать свои операции и лабораторные навыки. Можно проводить трехмерные эксперименты по виртуальному моделированию для обнаружения деформации материала и разрушения, не опасаясь нанести вред физической системе или поранить себя. После доступа к интерфейсу и входа в него следуйте указаниям, приведенным на рисунке, чтобы виртуально добраться до высокотемпературной универсальной машины для испытания на ползучесть и поместить образцы стека между пластинчатыми зажимами машины.После того, как виртуальный компьютер с левой стороны испытательной машины будет выделен, нажмите на виртуальный компьютер и установите схему тестирования на управляющем компьютере машины. Затем нажмите на выделенное отопительное и вакуумное насосное оборудование и включите электропитание. Откройте виртуальный механический насос и форвакуумный клапан в интерфейсе, нажав на соответствующие выделенные кнопки, чтобы завершить настройки управления вакуумом в системе.На панели управления универсальной машины для испытания на ползучесть нажмите кнопку очистки, чтобы очистить данные, а затем нажмите кнопку запуска, чтобы завершить эксперимент по копированию рисунка на форме на металлический лист с использованием метода компрессионного формования параллельной пластины. После завершения литья в форму снова нажмите на виртуальный компьютер и проверьте экспериментальные данные на управляющем компьютере универсальной машины для испытания на ползучесть. Откройте крышку на машине для инкрустации металлографическими образцами и поместите образец.Чтобы залить приготовленный порошок, нажмите на выделенный полиметилметакрилат, или порошок ПММА. Затем нажмите на выделенную форму, чтобы поместить ее поверх порошка ПММА. Затем нажмите на выделенный маховик и отрегулируйте положение формы, чтобы автоматически закрыть крышку.Нажмите кнопку включения, выключения, чтобы включить инкрустатор. Выньте инкрустированный образец из ПММА после охлаждения. Войдите в помещение для полировки и коррозии, следуя указаниям по пути, показанному на рисунке.Найдите выделенную полировальную машину и нажмите на захват машины, чтобы установить инкрустированный образец на захват. Установите скорость шлифовки и полировки образца, удалив подложку из формованного материала. Отшлифуйте форму с одной стороны, пока не обнажится рисунок на форме.Для определения характеристик образцов виртуально откройте шкаф для хранения химикатов и извлеките твердый гидроксид калия. Нажмите на выделенный стакан и твердый гидроксид калия для приготовления коррозионной жидкости, чтобы получить 10%-ный раствор гидроксида калия. Выберите выделенный раствор гидроксида калия и образец, чтобы разъесть лестницу в металлографический образец.Затем очистите образец после удаления кремниевой подложки и проведите характерное тестирование с подготовленным образцом под оптическим микроскопом. Загрузите образец на предметный столик наноиндентора и выберите конус и индентор, чтобы установить его на драйвер системы тестирования микро- и наномеханики. Нажмите на выделенный диск, чтобы соединить его с наноиндентором.После установки наноиндентора и загрузки образца в управляющее программное обеспечение SEM нажмите кнопку вентиляционного отверстия. Откройте камеру SEM после разрыва вакуума, установите наноиндентор на столик образца SEM и подключите провода, как показано на рисунке. Затем откройте управляющее программное обеспечение наноиндентора и последовательно выберите диапазон нагруженного индентора.Выберите экспериментальный протокол. Запустите контроллер и инициализируйте его, чтобы инициировать инициализацию этапа выборки. После инициализации закройте камеру SEM и нажмите кнопку насоса в программном обеспечении управления SEM.Затем нажмите кнопку вверх или вниз в управляющем программном обеспечении SEM, чтобы отрегулировать положение предметного столика образца вдоль поля зрения SEM. Зафиксируйте положение, нажав кнопку ОК. Включите электронную пушку, выбрав выделенную кнопку EHT.Переключитесь в режим наблюдения электронной микроскопии, нажав кнопку камеры. Наконец, нажмите «Выполнить» в программном обеспечении управления наноиндентором. Чтобы завершить эксперимент, нажмите кнопку остановки на управляющем программном обеспечении наноиндентора.Система улучшила дизайн экспериментальной схемы, объединив ее с операциями, обеспечив мгновенную проверку. Например, когда пользователь выбирал направление размещения образца, интерфейс для использования металлографической машины для инкрустации образцов показывал результаты. Аналогичным образом, анализируя результирующее время смещения и кривые деформации напряжений, полученные в результате эксперимента внутреннего механика с микроконсольной балкой с существующими трещинами, пользователь мог определить, как были получены результаты.В смоделированном сценарии студенты должны были оценить размер груза и время загрузки в соответствии с отношением длины к диаметру образца, который должен быть подготовлен перед проведением реологического эксперимента, вместо часто используемого метода проб и ошибок. Кроме того, с помощью интегрированных упражнений после экспериментов пользователи могут систематически просматривать весь процесс эксперимента и связывать теорию с экспериментом. Используя виртуальную симуляцию на основе веб-технологий, студенты в среднем завершили эксперимент примерно за 73 минуты, проверив эффективность подхода.Результаты онлайн-экзаменов двух групп студентов-механиков показали, что те, у кого есть опыт работы с виртуальным интерфейсом, показали лучшие результаты, чем те, у кого его нет, что еще раз продемонстрировало эффективность подхода. Это научило студентов исследовательскому интересу и чувству инноваций, обучая их овладевать методами, методами и принципами передовых механических экспериментов с микро- и нанонавыками.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Сканирующего зонда Одноэлектронные емкостной спектроскопии

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Экспериментальные методы исследования формы памяти на основе процессов Охлаждение Elastocaloric и проверки достоверности моделей

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

Моделирование Вибрации человека индуцированных На основе Характеризуется In-поле поведения пешеходов

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography (CT) and Light Microscopy (LM) Correlated with Scanning Electron Microscopy (SEM)

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography CT and Light Microscopy LM Correlated with Scanning Electron Microscopy SEM

В Depth Анализы светодиодов с помощью комбинации рентгеновской компьютерной томографии (КТ) и световой микроскопии (LM) коррелируют с сканирующей электронной микроскопии (SEM)

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Исчерпывающая характеристика протяженных дефектов в полупроводниковых материалах на растровом электронном микроскопе

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Ручным управлением Манипуляции одиночных молекул с помощью сканирующего зондового микроскопа с 3D-интерфейсом виртуальной реальности

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Изучение динамических процессов наноразмерных объектов в жидкости с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

Точность Фрезерование углеродная нанотрубка лесов Использование низкого давления Сканирование электронной микроскопии

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions ÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã‚Â A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

Проблемы в реологической Характеристике высококонцентрированных суспензий - тематическое исследование для трафаретной печати Silver Пасты

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Исследование сифон выключатель эксперимента и моделирования для исследовательского реактора

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...