基于扫描电子显微镜的力学虚拟仿真实验：材料变形与失效

该系统可用于指导学生进行实验方案操作、仪器使用以及理论验证，使其能够反复提升实验操作能力和实验室技能。可通过三维虚拟仿真实验来检测材料变形与失效情况，且无需担心损坏实际设备或造成人身伤害。在登录并进入界面后，请根据图示指引，虚拟进入高温万能蠕变试验机，并将试样叠放在机器的平板夹具之间。

当测试机左侧的虚拟计算机被高亮显示后，单击该虚拟计算机，并在设备的控制计算机上设置测试方案。然后单击被高亮显示的加热与真空抽气装置，并打开电源。通过单击界面上相应高亮的按钮，打开虚拟机械泵和前级阀，以完成系统的真空控制设置。

在万能蠕变试验机的控制面板上，单击清除按钮以清除数据，然后单击运行按钮，完成使用平行板压缩成型法将模具上的图案复制到金属片上的实验。完成模具浇铸后，再次单击虚拟计算机，并在万能蠕变试验机的控制计算机上查看实验数据。打开金相试样镶嵌机的盖板，放入试样。

倒入制备好的粉末时，单击高亮显示的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate）或PMMA粉末。然后单击高亮显示的模具，将其放置在PMMA粉末上方。接下来，单击高亮显示的手轮，并调整模具位置，使其自动覆盖盖板。

按下开关按钮以启动镶嵌机。冷却后取出镶嵌的PMMA样品。按照图中所示路径指引，进入房间进行抛光和腐蚀处理。

找到高亮显示的抛光机，点击机器的夹具，将镶嵌好的样品安装到夹具上。通过去除模制材料基底，设置研磨和抛光样品的速度。在一侧研磨模具，直至模具上的图案暴露出来。

进行试样表征时，虚拟打开化学品储存柜，取出固体氢氧化钾。点击高亮显示的烧杯和固体氢氧化钾，以配制腐蚀液，制备10%氢氧化钾溶液。选择高亮显示的氢氧化钾溶液和试样，将试样腐蚀成金相试样。

接下来，在去除硅基底后清洁样品，并在光学显微镜下使用制备好的样品进行表征测试。将样品装载到纳米压痕仪的样品台上，选择锥形压头并将其安装至微纳米力学测试系统的驱动装置上。单击高亮显示的驱动装置，将其与纳米压痕仪连接。

在安装纳米压痕仪并将样品装入 SEM 控制软件后，点击排气按钮。真空解除后打开 SEM 腔室，将纳米压痕仪安装在 SEM 样品台上，并按照图示连接导线。然后打开纳米压痕仪的控制软件，依次选择已加载的压头范围。

选择实验方案。启动控制器并点击“init”以初始化样品台。初始化完成后，关闭扫描电镜（SEM）腔室，并点击扫描电镜控制软件上的“pump”按钮。

接下来，点击扫描电镜控制软件中的向上或向下按钮，沿扫描电镜视野方向调节样品台位置。点击确定按钮以固定位置。通过选择高亮显示的 EHT 按钮，开启电子枪。

通过选择相机按钮切换至电子显微镜观察模式。最后，在纳米压痕仪控制软件中点击运行。如需终止实验，请点击纳米压痕仪控制软件中的停止按钮。

该系统通过将实验方案设计与操作相结合，实现了即时验证，从而增强了实验设计。例如，当用户选择试样的放置方向时，界面会显示使用金相试样镶嵌机的操作结果。同样，通过分析含裂纹微悬臂梁内部力学实验所得的位移-时间曲线和应力-应变曲线，用户可确定结果的获取过程。

在模拟场景中，学生必须根据待制备样品的长径比来评估载荷大小和加载时间，而不是采用常见的试错法。此外，通过实验后的综合练习，使用者能够系统地回顾整个实验过程，并将理论与实验相结合。利用基于网络的虚拟仿真，学生平均约用73分钟完成实验，验证了该方法的高效性。

两组工程力学学生在线考试结果表明，具有虚拟界面学习经历的学生表现优于无此经历的学生，进一步证明了该方法的有效性。通过训练学生掌握先进的微纳米尺度力学实验的测试技术、方法和原理，有助于激发学生的研究兴趣，培养其创新意识。