[發明專利]一種位錯運動的演示教具

在審

• 申請號: 202011105831.7
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112150899A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 張樓英;孫少東;孫迎遠;舒希勇
• 申請（專利權）人: 江蘇電子信息職業學院
• 主分類號: G09B23/26
• 分類號: G09B23/26
• 代理公司: 淮安菁聯知識產權代理事務所(普通合伙) 32378
• 代理人: 馮曉昀

本發明公開了一種位錯運動的演示教具，演示面上設有上下兩組演示模型球，每組演示模型球均分布有多列多行，每列演示模型球分別平行、每行演示模型球也分別平行；下方一組演示模型球通過操作面所設的固定螺桿穿過基板所設的連接通孔與基板固定；上方一組演示模型球中的其中一端所在列的演示模型球通過操作面所設的固定螺桿穿過基板所設的連接通孔對應固定，上方一組其余多列演示模型球沿著橫向往復移動、同一列演示模型球之間相互固定連接。從上述結構可知，本發明的一種位錯運動的演示教具，通過教具的作用，實現了從晶格的微觀角度來具體演示金屬的位錯運動和塑性變形的原理。

技術領域

本發明涉及一種演示教具的技術領域，具體涉及一種位錯運動的演示教具。

背景技術

1、刃型位錯的概念

晶體是由組成原子按一定規則周期重復地排列而構成的物質。如晶體內所有原子都是規則排列的，這種晶體稱為理想晶體，如圖9所示（為后續說明方便，注明了行號和列號），理想晶體是不存在的。實際晶體內或多或少存在著這樣那樣的晶格缺陷，按三維方向尺寸的大小，晶格缺陷可分為三大類，即點缺陷、線缺陷和面缺陷。線缺陷包含刃型位錯和螺型位錯兩種。所謂刃型位錯是指半原子面產生了位置錯動，錯動的半原子面像刀刃一樣切入規則排列的原子面之間，如圖10所示，圖中第Ⅰ列的半原子面插入了第Ⅱ列和第Ⅲ列之間。刃型位錯對實際金屬晶體塑性變形具有重要的影響。

2、塑性變形的本質

金屬晶體在超過彈性極限的應力作用下產生變形，應力去除后，消失的那部分變形稱為彈性變形；能夠永久保留下來的那部分變形稱為塑性變形。

如圖11所示，切應力達到臨界值τ_k后，原子移動的距離大于一個原子平衡間距（一般用t表示），因此，除了產生彈性變形外，還產生了塑性變形。

去除切應力后，偏離平衡位置（晶格結點）的原子不再能夠回到原有的平衡位置，而是只能回到越過的那個平衡位置。原子處于該平衡位置由于同樣具有最低的能量狀態，因而可以永久存在，形成塑性變形，如圖12所示。從圖12可以看出，塑性變形本質上是由原子從一個平衡位置滑動到另一個平衡位置造成的。

3、位錯的易動性

塑性變形主要以滑移的方式進行，滑移總是沿著一定的滑移面上一定的滑移方向進行，一般把某一滑移面上某一滑移方向稱為一個滑移系，這里，不妨假設晶體上下部分對稱線為一個滑移系，圖9和圖10中用虛線表示。

對于理想晶體而言，滑移只能是晶體的一部分相對于另一部分作整體的剛性移動，即圖9中第一行到第三行的原子相對于第四行到第六行的原子作剛性移動，即上面三行中每個原子相對于下面三行原子同時產生滑移，并且從一個平衡位置一次性滑移到另一個平衡位置，滑移的距離至少是一個原子平衡間距（t）。如圖13所示，第Ⅰ列上面三個原子滑移到了第Ⅱ列，同時第Ⅱ列上面三個原子滑移到了第Ⅲ列，以此類推，第Ⅶ列上面三個原子滑移到了最右邊形成了第Ⅷ列，從而完成了一個原子平衡距離（t）的塑性變形。

按此模型，理想晶體滑移所需的臨界切應力τ_k可以計算得到，譬如銅，理論計算的臨界切應力τ_k為1500MPa。而實際晶體銅的實測值為0.98 MPa，與理論計算值相差很大，一般實際金屬晶體的實測值只有理論計算值的萬分之一到千分之一，因此，實際晶體的滑移過程并不是兩部分的剛性移動。

進一步研究表明，實際晶體內存在位錯，滑移通過位錯逐步移動進行，并不需要所有原子同時參與，只是位錯附近的原子參與滑移。如圖14所示，位于第Ⅱ列與第Ⅲ列之間的位錯原子，在臨界切應力τ_k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列與第Ⅳ中間成為新的位錯原子。此時，若去除切應力，所有原子將不再作任何滑移。