Experimental micromechanics in three dimensions
- Reference number
- ITM17-0003
- Start and end dates
- 190101-221231
- Amount granted
- 5 407 484 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Mechanical testing on the microstructural length scale (micromechanical testing) is critical both for fundamental understanding of deformation and fracture phenomena, and for development, calibration and verification of models for integrated multiscale simulations. The proposed project is aimed at developing a versatile micromechanical testing platform for in-situ use in scanning electron microscopes, based on a micromanipulator with unconstrained movement in three dimensions. This will allow testing in arbitrary directions, compared to the single-axis linear-only movement of traditional solutions, and thus provide unparalleled flexibility in terms of testing methods. A finite element model capable of simulating the piezo-resistive force measurement sensor will be developed to correctly interpret the output signals when the sensor is subjected to loads from arbitrary directions, and approximate analytical models for real-time data analysis will be derived. Using the proposed platform, methods, strategies and documented protocols for both specimen preparation and testing will be developed, covering a number of different representative cases including load path changes in bending, tensile loading and testing of embedded and surface adherent features. The unique flexibility of the proposed set-up, in combination with low cost and low threshold for implementation, will make it widely accessible for both industry and academia.
Popular science description
Utveckling av nya material sker idag i allt större utsträckning genom modellering i så kallade flerskalesimuleringar. Detta innebär att modeller som förutsäger struktur och egenskaper på olika längd- och tidsskalor kopplas ihop för att förutsäga materialets ”makroskopiska” egenskaper. Detta reducerar tiden och kostnaden för materialutveckling och kan därmed ge oerhörda fördelar, då man kan designa materialets egenskaper för att passa en given tillämpning istället för att utgå från ett givet utbud av existerande material. Förmågan att hantera detta kommer att vara en nyckel till framtida konkurrenskraft i många materialberoende industrier. Men för att kunna utveckla tillförlitliga modeller på mikroskala är det avgörande att det finns experimentella metoder som kan ge information på samma längdskala som modellen arbetar. Detta både för att studera de fundamentala fenomen som modellerna skall fånga, men även för kalibrering och validering. I detta projekt kommer vi att utveckla en ny plattform för så kallad ”mikromekanisk provning”, dvs metoder för att mäta mekaniska egenskaper hos prover med storlekar på mikrometer-nivå. Detta gör vi genom att använda oss av en mikromanipulator. Mikromanipulatorn liknar en industrirobot, med en arm som kan röra sig fritt i tre dimensioner, men är tillräckligt liten för att få plats i vakuumkammaren på ett svepelektronmikroskop. Med denna utrustning kan vi utföra många olika typer av mikromekanisk provning inuti mikroskopet, och det är detta som är den stora fördelen med konceptet. Konventionella utrustningar för mikromekanisk provning kan endas röra sig i en dimension, vilket skapar kraftiga begränsningar i vilken typ av prov som kan göras och vilka egenskaper man kan mäta. Genom att utveckla en plattform med unik flexibilitet, kombinerat med låg utrustningskostnad, kan vi tillgängliggöra mikromekanisk provning för många fler användare och därigenom möjliggöra framsteg inom modellutveckling och flerskalesimuleringar i ett stort antal områden.