Mekaniğin Sanal Bir Simülasyon Deneyi: Taramalı Elektron Mikroskobuna Dayalı Malzeme Deformasyonu ve Arızası
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 Devrimi1’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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen 2042022kf1059 Hibe kapsamında Merkez Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları tarafından desteklenmiştir; Hubei Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı 2022CFB757 Hibesi kapsamında; Hibe 2022TQ0244 kapsamında Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı; WHU-2021-SYJS-11 Hibe kapsamında Wuhan Üniversitesi Deney Teknolojisi Proje Fonu; Hibe 2021038 kapsamında 2021 yılında Hubei Eyaleti Kolej ve Üniversitelerinde İl Eğitim ve Araştırma Projeleri; ve Hubei Eyaleti Kolej ve Üniversitelerinde HBSY2021-01 Hibesi kapsamında İl Laboratuvar Araştırma Projesi.
References
- Chong, K., Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. Nano mechanics/materials research. Nanomechanics of Materials and Structures. , 13-22 (2006).
- Ratner, B. M., Ratner, D. . Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , (2003).
- Li, Y., Wang, X. Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing. Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).
- Li, Y., Wang, X. Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants. Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).
- Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness. Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).
- Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).
- Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. In-situ Mechanics of Materials. , 227-238 (2020).
- Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. High-temperature mechanics of boron nitride nanotube "Buckypaper" for engineering advanced structural materials. ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).
- Cao, W., et al. Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys. Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).
- Lei, Z., et al. Toward a web-based digital twin thermal power. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).
- Lei, Z., et al. From virtual simulation to digital twins in online laboratories. 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).
- Dede, C. Immersive interfaces for engagement and learning. Science. 323 (5910), 66-69 (2009).
- Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).
- Galán, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).
- Ouyang, S. G., et al. A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering. Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).
