一种位错运动的演示教具的制作方法

本发明涉及一种演示教具的技术领域，具体涉及一种位错运动的演示教具。

背景技术：

1、刃型位错的概念

晶体是由组成原子按一定规则周期重复地排列而构成的物质。如晶体内所有原子都是规则排列的，这种晶体称为理想晶体，如图9所示（为后续说明方便，注明了行号和列号），理想晶体是不存在的。实际晶体内或多或少存在着这样那样的晶格缺陷，按三维方向尺寸的大小，晶格缺陷可分为三大类，即点缺陷、线缺陷和面缺陷。线缺陷包含刃型位错和螺型位错两种。所谓刃型位错是指半原子面产生了位置错动，错动的半原子面像刀刃一样切入规则排列的原子面之间，如图10所示，图中第ⅰ列的半原子面插入了第ⅱ列和第ⅲ列之间。刃型位错对实际金属晶体塑性变形具有重要的影响。

2、塑性变形的本质

金属晶体在超过弹性极限的应力作用下产生变形，应力去除后，消失的那部分变形称为弹性变形；能够永久保留下来的那部分变形称为塑性变形。

如图11所示，切应力达到临界值τk后，原子移动的距离大于一个原子平衡间距（一般用t表示），因此，除了产生弹性变形外，还产生了塑性变形。

去除切应力后，偏离平衡位置（晶格结点）的原子不再能够回到原有的平衡位置，而是只能回到越过的那个平衡位置。原子处于该平衡位置由于同样具有最低的能量状态，因而可以永久存在，形成塑性变形，如图12所示。从图12可以看出，塑性变形本质上是由原子从一个平衡位置滑动到另一个平衡位置造成的。

3、位错的易动性

塑性变形主要以滑移的方式进行，滑移总是沿着一定的滑移面上一定的滑移方向进行，一般把某一滑移面上某一滑移方向称为一个滑移系，这里，不妨假设晶体上下部分对称线为一个滑移系，图9和图10中用虚线表示。

对于理想晶体而言，滑移只能是晶体的一部分相对于另一部分作整体的刚性移动，即图9中第一行到第三行的原子相对于第四行到第六行的原子作刚性移动，即上面三行中每个原子相对于下面三行原子同时产生滑移，并且从一个平衡位置一次性滑移到另一个平衡位置，滑移的距离至少是一个原子平衡间距（t）。如图13所示，第ⅰ列上面三个原子滑移到了第ⅱ列，同时第ⅱ列上面三个原子滑移到了第ⅲ列，以此类推，第ⅶ列上面三个原子滑移到了最右边形成了第ⅷ列，从而完成了一个原子平衡距离（t）的塑性变形。

按此模型，理想晶体滑移所需的临界切应力τk可以计算得到，譬如铜，理论计算的临界切应力τk为1500mpa。而实际晶体铜的实测值为0.98mpa，与理论计算值相差很大，一般实际金属晶体的实测值只有理论计算值的万分之一到千分之一，因此，实际晶体的滑移过程并不是两部分的刚性移动。

进一步研究表明，实际晶体内存在位错，滑移通过位错逐步移动进行，并不需要所有原子同时参与，只是位错附近的原子参与滑移。如图14所示，位于第ⅱ列与第ⅲ列之间的位错原子，在临界切应力τk的作用下，滑移到第ⅲ列的平衡位置上；而第ⅲ列的平衡位置上的原子滑移到第ⅲ列与第ⅳ中间成为新的位错原子。此时，若去除切应力，所有原子将不再作任何滑移。

从图14可以看出，位错原子只需滑移原子平衡间距的一半距离（1/2t）就可以到平衡位置上，相应地，平衡位置的原子也只需滑移原子平衡间距的一半距离（1/2t）就成为新的位错原子。由于滑移距离小，因此，实际晶体滑移所需的临界切应力远比理想晶体小，位错使滑移变得容易了，这种现象称为位错的易动性。

4、位错的运动过程

含有位错的实际晶体，施加临界切应力τk后，原来位于第ⅱ列与第ⅲ列之间的位错滑移一个原子平衡间距到了第ⅲ列与第ⅳ列之间。若此时去除切应力，则位错不再向右滑移，晶体不会产生塑性变形，只是内部少数的位错原子位置发生了改变。若保持临界切应力τk，位错将继续向右依次滑移到第ⅳ列与第ⅴ列、第ⅴ列与ⅵ列、第ⅵ列与第ⅶ列之间，最后，位错滑移到晶体边界上，边界上的原子形成第ⅷ列，造成一个原子平衡间距的塑性变形。

从上述分析看，位错依次运动到边界形成了实际晶体的塑性变形，如图15所示。

5、金属材料课程的教学现状

金属学与热处理课程是机械类及近机类专业学生必修的专业基础课。多所学校的任课教师反映，学生对该课程普遍厌学，逃课或隐性逃课现象严重，教师的付出与学生的收获不成比例，教学效果欠佳。主要原因在于该课程涉及的概念众多、知识点繁杂，理论抽象，晦涩难懂。因此，教师需要不断改进教学方法，提炼教学内容。

6、金属材料课程的理论核心

金属材料课程的教学主线是金属材料的强化方法，包括强化理论及实践。只有掌握好理论，才能更好地指导实践，所以，金属材料强化理论的教学在课程中占有重要地位。

学习任何理论，就如同解开一团乱麻一样，首先要找到绳头。金属材料强化理论的这个绳头就是弹性变形与塑性变形的相关知识，尤其是塑性变形。塑性变形的本质是原子运动的结果，因而，能够阻碍原子运动就能够提高金属材料的强度。阻碍原子运动的途径主要是造成晶格缺陷，简单地说，就是使规则排列的原子变成不规则排列的原子，使尽量多的原子偏离其平衡位置。偏离平衡位置的原子具有高能态，作剧烈振动，由此可阻碍其它原子的运动。

7、现有教学手段的不足

既然，塑性变形的本质在课程理论中具有如此纲领性的作用，加强这部分内容的教学就显得尤为必要。目前，对于塑性变形滑移知识的讲解有两种常见的方式，一种是用图形演示，另一种是用动画演示。

图形演示的不足在于只有结果没有过程，只能表达初始和终了状态。显然，因为没有变化过程，直观性就比较差。

动画演示就是将图15中的运动过程体现出来，直观性明显好于图形演示，但可信度比较低，而且，学生也不能感受其中力的变化情况。

所以，上述两种演示方法都存在缺陷，尤其不能体现力的作用。因此，有必要开发一种教学实物模型，让学生在操作后，既能感受力对晶体滑移过程的影响，又能够看到位错依次运动形成塑性变形的基本过程。

目前，就金属材料的弹性变形和塑性变形的教具而言，是一个技术空白，也是市场空白。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种位错运动的演示教具，通过教具的使用，实现了从晶格的微观角度来具体演示位错运动和塑性变形的原理；使用位错运动教学模型开展位错知识的教学，既能克服示意图教学无变化过程的缺点，还能克服动画教学没有力的大小感受的缺点，其具有显著的真实、可信的优点。在教师演示或学生操作的过程中，都能体会到力的大小、变形的过程，这种客观感受明显有助于对位错知识的理解。在相关材料科学教学领域，具有一定的推广价值；通过教具演示位错移动的过程，演示的效果更加具体、更加形象、更加感性，便于学生理解位错移动和塑性变形的原理；结构精巧、便于批量化生产，教具的拆装非常方便。

发明所采取的技术方案是：一种位错运动的演示教具，所述演示教具包括基板，所述基板的两相对端面为演示面和操作面，所述演示面上设有上下两组演示模型球，每组演示模型球均分布有多列多行，每列演示模型球分别平行、每行演示模型球也分别平行，并且两组演示模型球的列数相等；下方一组演示模型球通过操作面所设的固定杆穿过基板所设的连接通孔与基板固定；上方一组演示模型球中的其中一端所在列的演示模型球通过操作面所设的固定螺杆穿过基板所设的连接通孔对应固定于下方一组演示模型球中对应端第二列的演示模型球的正上方，上方一组其余多列演示模型球沿着演示模型球横向排列的行的方向往复移动、并且同一列演示模型球之间相互固定连接；当上方一组演示模型球均位于下方一组演示模型球范围内的时候，所述演示教具处于位错运动过程的演示状态；当上方一组演示模型球中另一端所在列的演示模型球位于下方一组演示模型球的范围外、且上方一组的各列演示模型球均与下方一组演示模型球对应的时候，所述演示教具处于位错运动结束的演示状态。

本发明进一步改进方案是，下方一组的每一行演示模型球分别通过横杆连接，所述横杆的两端分别固定于位于该行两端的演示模型球，该行其余的演示模型球套设于横杆上，下方一组相邻两行的对应演示模型球之间通过连杆a固定连接；所述下方一组中最高一行的演示模型球顶部分别固定有向上延伸至上方一组中最低一行对应演示模型球的立杆；所述上方一组的每一行演示模型球分别通过横管连接，所述横管内穿设有芯杆a，所述芯杆a的其中一端从横管的其中一端穿出后与该行中固定于基板的演示模型球固定，所述横管的另一端与该行对应端最外侧的演示模型球固定，所述横管对应行的其余演示模型球套设于横管上。

本发明更进一步改进方案是，相邻两个演示模型球之间还均设有弹簧a，所述横杆上、位于相邻两个演示模型球之间套置有弹簧，所述连杆a上、位于相邻两个演示模型球之间套置有弹簧a，所述横管上、位于相邻两个演示模型球之间套置有弹簧a，所述立杆上套置有弹簧a。

本发明更进一步改进方案是，所述基板对应于横管的位置处分别对应设有横向条形通孔，所述条形通孔连通基板的演示面和操作面，套至于横管上的演示模型球分别固定与穿过条形通孔的固定螺栓a固定，所述固定螺栓a的螺帽位于基板的操作面一侧，所述基板的操作面上还设有锁止装置，所述锁止装置至少与一个固定于横管的演示模型球连接。

本发明更进一步改进方案是，与锁止装置连接的演示模型球所在的条形通孔面向操作面的一侧端面上、对应于锁止装置一端的槽壁设有解锁槽，所述锁止装置包括沿着基板的操作面滑动的滑片，所述滑片面向条形通孔的一端与“u”型槽的一侧槽壁固定连接，所述“u”型槽的槽口面向条形通孔，所述“u”型槽内的槽口位置处固定有垫板，所述“u”型槽内还设有锁止销，所述锁止销的一端依次穿过垫板和条形通孔之后插入对应的演示模型球所设的锁止销槽内，所述锁止销位于“u”型槽内的一端设有扩大头，所述锁止销位于扩大头与垫板之间套置有设有预压作用力的弹簧c，所述“u”型槽内的槽底与滑片连接的槽壁之间设有凸起，所述凸起使锁止销克服弹簧c的压力至锁止销插入演示模型球的锁止销槽内。

本发明更进一步改进方案是，所述基板的操作面上固定连接有卡件，所述滑片远离“u”型槽的一端从卡件与基板之间穿过。

本发明更进一步改进方案是，所述卡件通过固定螺栓b与基板固定连接。

本发明更进一步改进方案是，所述基板的演示面上、对应于条形通孔远离对应的连接通孔一端同轴心设有条形槽，所述基板的演示面上位于条形通孔的上下两侧边沿、沿着条形通孔的长度方向依次对应设有多个定位槽a，所述条形槽的槽宽、以及定位槽a均与演示模型球匹配，当演示模型球位于定位槽a内的时候，所述演示模型球与下方一组的演示模型球所在列对应、或者对应位于下方一组的两相邻列演示模型球的中间；位于条形通孔远离锁止装置一端的演示模型球对应位于下方一组演示模型球中对应端第二列的演示模型球与第三列的演示模型球的中间；位于条形通孔面向锁止装置一端的演示模型球对应位于下方一组演示模型球中对应端最后一列的演示模型球的正上方。

本发明更进一步改进方案是，所述固定螺栓a上位于基板的操作面一侧、沿着从操作面至演示面的方向依次套置有设有预压作用力的弹簧b和操作模型球b，所述操作模型球b在弹簧b的作用力下与基板的操作面接触，所述固定螺杆位于基板的操作面一端固定连接有操作模型球a，所述操作模型球a的尺寸和操作模型球b的尺寸均与演示模型球的尺寸相同，所述基板的操作面上位于条形通孔的上下两侧边沿、沿着条形通孔的长度方向依次对应设有多个定位槽b，并且基板的操作面上的定位槽b位置与演示面上的定位槽a位置相对应；相邻两行的对应操作模型球b之间通过连杆b固定连接。

本发明更进一步改进方案是，所述芯杆a的另一端固定连接有定位挡销，所述横管对应于定位挡销一端沿着横管的长度方向设有活动通孔，所述定位挡销的端部伸入活动通孔内、并沿着活动通孔往复移动；所述横管相对于芯杆a与演示模型球固定的另一端内通过芯杆b与该端位置处对应的演示模型球固定。

本发明的有益效果在于：

第一、本发明的一种位错运动的演示教具，通过教具的使用，实现了从晶格的微观角度来具体演示位错运动和塑性变形的原理。

第二、本发明的一种位错运动的演示教具，使用位错运动教学模型开展位错知识的教学，既能克服示意图教学无变化过程的缺点，还能克服动画教学没有力的大小感受的缺点，其具有显著的真实、可信的优点。在教师演示或学生操作的过程中，都能体会到力的大小、变形的过程，这种客观感受明显有助于对位错知识的理解。在相关材料科学教学领域，具有一定的推广价值。

第三、本发明的一种位错运动的演示教具，通过教具演示位错移动的过程，演示的效果更加具体、更加形象、更加感性，便于学生理解位错移动和塑性变形的原理。

第四、本发明的一种位错运动的演示教具，结构精巧、便于批量化生产，教具的拆装非常方便。

附图说明：

图1为本发明的演示面（主视）示意图。

图2为图1中的ⅰ-ⅰ位置处、ⅱ-ⅱ位置处、ⅲ-ⅲ位置处、ⅳ-ⅳ位置处的左视剖视示意图。

图3为图1中锁止装置位置处的俯视剖视示意图。

图4为本发明的操作面（后视）示意图。

图5为本发明除去演示模型球后的演示面（主视）示意图。

图6为图5中的ⅱ-ⅱ位置处、ⅳ-ⅳ位置处、ⅴ-ⅴ位置处的左视剖视示意图。

图7为图5中a-a位置处、b-b位置处的俯视剖视示意图。

图8为本发明除去操作模型球后的操作面（后视）示意图。

图9为理想晶体示意图。

图10为刃型位错示意图。

图11为弹性变形+塑性变形示意图。

图12为塑性变形示意图。

图13为理想晶体的滑移示意图。

图14为实际晶体的滑移示意图。

图15为位错运动示意图。

具体实施方式：

结合图1~图8可知，本发明的一种位错运动的演示教具，所述演示教具包括基板1，所述基板1的两相对端面为演示面和操作面，所述演示面上设有上下两组演示模型球2，每组演示模型球2均分布有多列多行，每列演示模型球2分别平行、每行演示模型球2也分别平行，并且两组演示模型球2的列数相等；下方一组演示模型球2通过操作面所设的固定杆10穿过基板1所设的连接通孔9与基板1固定；上方一组演示模型球2中的其中一端所在列的演示模型球2通过操作面所设的固定螺杆10穿过基板1所设的连接通孔9对应固定于下方一组演示模型球2中对应端第二列的演示模型球2的正上方，上方一组其余多列演示模型球2沿着演示模型球2横向排列的行的方向往复移动、并且同一列演示模型球2之间相互固定连接；当上方一组演示模型球2均位于下方一组演示模型球2范围内的时候，所述演示教具处于位错运动过程的演示状态；当上方一组演示模型球2中另一端所在列的演示模型球2位于下方一组演示模型球2的范围外、且上方一组的各列演示模型球2均与下方一组演示模型球2对应的时候，所述演示教具处于位错运动结束的演示状态。

下方一组的每一行演示模型球2分别通过横杆3连接，所述横杆3的两端分别固定于位于该行两端的演示模型球2，该行其余的演示模型球2套设于横杆3上，下方一组相邻两行的对应演示模型球2之间通过连杆a4固定连接；所述下方一组中最高一行的演示模型球2顶部分别固定有向上延伸至上方一组中最低一行对应演示模型球2的立杆6；所述上方一组的每一行演示模型球2分别通过横管5连接，所述横管5内穿设有芯杆a17，所述芯杆a17的其中一端从横管5的其中一端穿出后与该行中固定于基板1的演示模型球2固定，所述横管5的另一端与该行对应端最外侧的演示模型球2固定，所述横管5对应行的其余演示模型球2套设于横管5上。

相邻两个演示模型球2之间还均设有弹簧a7，所述横杆3上、位于相邻两个演示模型球2之间套置有弹簧7，所述连杆a4上、位于相邻两个演示模型球2之间套置有弹簧a7，所述横管5上、位于相邻两个演示模型球2之间套置有弹簧a7，所述立杆6上套置有弹簧a7。

所述基板1对应于横管5的位置处分别对应设有横向条形通孔8，所述条形通孔8连通基板1的演示面和操作面，套至于横管5上的演示模型球2分别固定与穿过条形通孔8的固定螺栓a12固定，所述固定螺栓a12的螺帽位于基板1的操作面一侧，所述基板1的操作面上还设有锁止装置16，所述锁止装置16至少与一个固定于横管5的演示模型球2连接。

与锁止装置16连接的演示模型球2所在的条形通孔8面向操作面的一侧端面上、对应于锁止装置一端16的槽壁设有解锁槽28，所述锁止装置16包括沿着基板1的操作面滑动的滑片30，所述滑片30面向条形通孔8的一端与“u”型槽22的一侧槽壁固定连接，所述“u”型槽22的槽口面向条形通孔8，所述“u”型槽22内的槽口位置处固定有垫板25，所述“u”型槽22内还设有锁止销23，所述锁止销23的一端依次穿过垫板25和条形通孔8之后插入对应的演示模型球2所设的锁止销槽29内，所述锁止销23位于“u”型槽22内的一端设有扩大头26，所述锁止销23位于扩大头26与垫板25之间套置有设有预压作用力的弹簧c27，所述“u”型槽22内的槽底与滑片30连接的槽壁之间设有凸起24，所述凸起24使锁止销23克服弹簧c27的压力至锁止销23插入演示模型球2的锁止销槽29内。

所述基板1的操作面上固定连接有卡件31，所述滑片30远离“u”型槽22的一端从卡件31与基板1之间穿过。

所述卡件31通过固定螺栓b33与基板1固定连接。

所述基板1的演示面上、对应于条形通孔8远离对应的连接通孔9一端同轴心设有条形槽19，所述基板1的演示面上位于条形通孔8的上下两侧边沿、沿着条形通孔8的长度方向依次对应设有多个定位槽a32，所述条形槽19的槽宽、以及定位槽a32均与演示模型球2匹配，当演示模型球2位于定位槽a32内的时候，所述演示模型球2与下方一组的演示模型球2所在列对应、或者对应位于下方一组的两相邻列演示模型球2的中间（形成位错列）；位于条形通孔8远离锁止装置16一端的演示模型球2对应位于下方一组演示模型球2中对应端第二列的演示模型球2与第三列的演示模型球2的中间（形成位错列）；位于条形通孔8面向锁止装置16一端的演示模型球2对应位于下方一组演示模型球2中对应端最后一列的演示模型球2的正上方。

所述固定螺栓a12上位于基板1的操作面一侧、沿着从操作面至演示面的方向依次套置有设有预压作用力的弹簧b14和操作模型球b13，所述操作模型球b13在弹簧b14的作用力下与基板1的操作面接触，所述固定螺杆10位于基板1的操作面一端固定连接有操作模型球a11，所述操作模型球a11的尺寸和操作模型球b13的尺寸均与演示模型球2的尺寸相同，所述基板1的操作面上位于条形通孔8的上下两侧边沿、沿着条形通孔8的长度方向依次对应设有多个定位槽b34，并且基板1的操作面上的定位槽b34位置与演示面上的定位槽a32位置相对应；相邻两行的对应操作模型球b13之间通过连杆b15固定连接。

所述芯杆a17的另一端固定连接有定位挡销20，所述横管5对应于定位挡销20一端沿着横管5的长度方向设有活动通孔18，所述定位挡销20的端部伸入活动通孔18内、并沿着活动通孔18往复移动；所述横管5相对于芯杆a17与演示模型球2固定的另一端内通过芯杆b21与该端位置处对应的演示模型球2固定。

本发明演示位错运动的时候，使用者将如图1所示的基板1的演示面面向观看者，然后通过将图1中位于ⅲ-ⅲ位置处（位错列）的演示模型球2所对应的操作模型球b13之间的连杆b15带动操作面对应位置处的操作模型球b13和演示面对应位置处的演示模型球2同时离开ⅲ-ⅲ位置处的定位槽a32向ⅳ-ⅳ位置处移动；所述演示模型球2沿着横管5移动的时候使该演示模型球2两侧的弹簧a7，位于移动方向上的一侧弹簧a7被压缩、另一侧弹簧a7被拉伸，当离开ⅲ-ⅲ位置处的定位槽a32的演示模型球2与位于ⅳ-ⅳ位置处的演示模型球2之间的弹簧a7被压缩至最大压缩量的时候，使用者通过被压缩的弹簧a7将原来ⅲ-ⅲ位置处的定位槽a32的演示模型球2所受使用者的作用力传递给位于ⅳ-ⅳ位置处的演示模型球2，并将原来位于ⅳ-ⅳ位置处的演示模型球2和对应的操作模型球b13推出位于ⅳ-ⅳ位置处的定位槽a32和定位槽b34后、使原来位于ⅲ-ⅲ位置处的演示模型球2和对应的操作模型球b13位于ⅳ-ⅳ位置处的定位槽a32和定位槽b34内，而从ⅳ-ⅳ位置处的定位槽a32和定位槽b34推出的演示模型球2和对应的操作模型球b13则在弹簧a7和教师的推动力的作用下移动至ⅳ-ⅳ位置处与ⅳ-ⅳ位置处背向ⅲ-ⅲ一侧相邻一列之间的定位槽a32和定位槽b34、形成为新的位错列。

重复上述动作，将新的位错列的演示模型球2所对应的操作模型球b13之间的连杆b15带动操作面对应位置处的操作模型球b13和演示面对应位置处的演示模型球2继续沿着横管5移动，进而使新的位错列的演示模型球2和对应的操作模型球b13将相邻一列的演示模型球2和对应的操作模型球b13再次推出对应的定位槽a32和定位槽b34后、新的位错列的演示模型球2和对应的操作模型球b13位于该对应的定位槽a32和定位槽b34内，然后再次又继续形成新的位错列。

直至最后一列的操作模型球b13中对应于锁止装置16所在行的操作模型球b13移动至与“u”形槽22远离滑片30一侧的槽壁接触的时候，操作模型球b13带动“u”形槽22和滑片30沿着卡件31和基板1的操作面一起移动，从而使锁止销23的扩大头26相对于凸起24移动，当锁止销23的扩大头26与“u”型槽22的凸起24分离的时候，锁止销23在弹簧c27的作用下向操作面一侧移动，从而使锁止销23与最后一列的演示模型球2的锁止销槽29分离；此时锁止销23的扩大头26与“u”形槽22的槽底接触、并随“u”形槽22移动至解锁槽28内；而与锁止销23分离的演示模型球2则在使用者的作用力推动下移动至条形槽19内；从而最终演示完了位错运动的整个过程。

使用结束后，可以通过与上述操作相反的对应操作、从而将演示模型球2和操作模型球11分别移动至起始位置。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除