走査型電子顕微鏡による力学の仮想シミュレーション実験:材料の変形と破壊
Summary
本研究では、材料の変形・破壊に関する3次元仮想シミュレーション実験を行い、可視化された実験プロセスを提供します。一連の実験を通じて、ユーザーは機器に精通し、没入型のインタラクティブな学習環境で操作を学ぶことができます。
Abstract
この作業では、材料の変形と破壊を検出するための一連の包括的な仮想実験を提示します。金属組織切断機や高温ユニバーサルクリープ試験機など、力学および材料分野で最も一般的に使用される機器は、Webベースのシステムに統合され、没入型のインタラクティブな学習環境でユーザーにさまざまな実験サービスを提供します。この作業のプロトコルは、材料の準備、標本の成形、標本の特性評価、標本のローディング、ナノインデンターの設置、およびSEM のin situ 実験の5つのサブセクションに分かれており、このプロトコルは、さまざまな機器の認識と対応する操作、および実験室の意識の向上に関する機会をユーザーに提供することを目的としています。 など、仮想シミュレーションアプローチを使用します。実験の明確なガイダンスを提供するために、システムは次のステップで使用する機器/標本を強調表示し、機器につながる経路を目立つ矢印でマークします。実践的な実験を可能な限り模倣するために、3次元の実験室、機器、操作、および実験手順を設計および開発しました。さらに、仮想システムは、実験中に化学物質を使用する前に、インタラクティブな演習と登録も考慮します。誤った操作も許可され、ユーザーに通知する警告メッセージが表示されます。システムは、さまざまなレベルのユーザーにインタラクティブで視覚化された実験を提供できます。
Introduction
力学は工学の基礎学問の一つであり、数理力学と理論知識の基礎に重点が置かれ、学生の実践力の育成に注意が払われています。現代の科学技術の急速な進歩に伴い、ナノ科学技術は人間の生活と経済に大きな影響を与えてきました。米国国立科学財団(NSF)の元所長であるリタ・コルウェルは、2002年にナノスケール技術が産業革命1に匹敵する影響を与えると宣言し、ナノテクノロジーは本当に新しい世界へのポータルであると述べました2。ナノスケールでの材料の機械的特性は、ナノデバイス3,4,5などのハイテクアプリケーションの開発にとって最も基本的で必要な要素の1つです。ナノスケールでの材料の力学的挙動と応力下での構造進化は、現在のナノメカニカル研究において重要な課題となっています。
近年、ナノインデンテーション技術、電子顕微鏡技術、走査プローブ顕微鏡などの開発と改善により、「in situ力学」実験はナノメカニクス研究において重要な高度な試験技術となっています6,7。明らかに、教育と科学研究の観点から、機械実験に関する伝統的な教育内容に最先端の実験技術を導入する必要があります。
しかし、微視的力学の実験は、巨視的な基礎力学の実験とは大きく異なります。一方では、関連する機器や機器はほとんどすべての大学で普及していますが、価格とメンテナンスコストが高いため、その数は限られています。短期的には、オフライン教育に十分な機器を購入することは不可能です。財源があっても、このタイプの機器は高精度の特性を備えているため、オフライン実験の管理および保守コストが高すぎます。
一方、走査型電子顕微鏡(SEM)などのin situ力学実験は非常に包括的であり、高い運用要件と非常に長い実験期間があります8,9。オフライン実験では、学生は長時間集中する必要があり、誤操作は機器を損傷する可能性があります。非常に熟練した個人であっても、実験を成功させるには、適格な標本の準備から、その場力学実験のための標本のロードまで、完了するまでに数日かかります。したがって、オフライン実験教育の効率は非常に低いです。
上記の問題に対処するために、仮想シミュレーションを利用することができます。仮想シミュレーション実験教育の開発は、 in situ 力学実験機器のコストと量のボトルネックに対処できるため、学生はハイテク機器に損傷を与えることなく、さまざまな高度な機器を簡単に使用できます。また、シミュレーション実験実習では、いつでもどこでもインターネット を介して 仮想シミュレーション実験プラットフォームにアクセスすることができます。一部の低コストの楽器でも、学生は事前に仮想楽器を使用してトレーニングや練習を行うことができるため、教育効率が向上する可能性があります。
本研究では、Webベースのシステム10のアクセシビリティと可用性を考慮して、in situ 力学実験を中心に、力学と材料の基本操作に関連する一連の実験を提供できるWebベースの仮想シミュレーション実験システムを提示します。
Protocol
Representative Results
Discussion
仮想シミュレーション実験の利点の1つは、ユーザーが物理システムの損傷や自分自身への危害を心配することなく実験を実行できることです11。したがって、ユーザーは、正しい操作または間違った操作を含む任意の操作を実行できます。ただし、システムは、インタラクティブな実験に統合された警告メッセージをユーザーに提供し、間違った操作が行われたときに実験?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、助成金2042022kf1059に基づく中央大学の基礎研究基金によって部分的にサポートされました。助成金2022CFB757に基づく湖北省自然科学財団。助成金2022TQ0244の下の中国ポスドク科学財団;助成金WHU-2021-SYJS-11に基づく武漢大学実験技術プロジェクト資金。助成金の下で2021年に湖北省の大学と大学での州の教育および研究プロジェクト2021038。助成金HBSY2021-01の下で湖北省の大学における州の実験室研究プロジェクト。
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).
