CN104992602B - 晶体位错结构的运动模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种晶体位错结构的运动模型，包括若干模拟原子的圆球、若干模拟晶格结构的杆件；杆件的两端设有与圆球相配合的对接结构；一个杆件的两端各连接一个圆球；所述圆球和杆件连接组成表示晶体位错结构的运动模型；所述对接结构包括设置于圆球上的插槽或插头以及设置于杆件端部的插头或插槽；所述圆球上设有若干插槽或插头；或者所述圆球为钢珠，所述杆件的两端对应设有磁石。本发明可单独或者同时存在刃型位错、螺型位错和混合型位错；通过充分体现三种位错的共同特征和区别特征，从基本结构、晶体滑移产生方式、晶体滑移的结果等角度展示位错及其运动，通过更加直观的方式使学生理解位错的基本结构及其基本运动特征这两个重要概念，支撑形象生动的深入理解。

Description

晶体位错结构的运动模型

【技术领域】

本发明属于材料类教学器具领域，涉及一种晶体位错结构的运动模型。

【背景技术】

《材料科学基础》是材料科学与工程学科的专业基础课，是全部材料学科后续课程的最基本理论，因此其重要作用不言而喻。在国内外各院校的材料学科均受到重视，从课程教材建设、教学大纲制定、教师能力培养和素质提升等各方面均做了很多努力。

《材料科学基础》中关于“位错”及其运动既是本课程的教学重点也是教学难点。现代材料强化的最基本理论可总结为缺陷强化，而四种基本强化方式的最基本特征就是对位错的阻止作用。因此，位错作为材料中最为重要的缺陷形式，是影响甚至决定材料多方面性能的最重要结构特征。

然而，位错及其运动这两个基本概念，却是本门课程中最抽象、最难以理解的难点和重点之一。如何通过更加直观的方式使学生理解位错的基本结构及其基本运动特征这两个重要概念，是《材料科学基础》教学工作迄今需要解决的重要问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种晶体位错结构的运动模型，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

晶体位错结构的运动模型，包括若干模拟原子的圆球、若干模拟晶格结构的杆件；杆件的两端设有与圆球相配合的对接结构；一个杆件的两端各连接一个圆球；所述圆球和杆件连接组成表示晶体位错结构的运动模型。

所述对接结构包括设置于圆球上的插槽或插头、设置于杆件端部的插头或插槽；所述圆球上设有若干插槽或插头。

所述圆球为钢珠，所述杆件的两端对应设有磁石。

若干模拟原子的圆球中部分圆球由两个半圆球组成。

所述杆件为整体长度能够弹性伸缩的弹性杆。

所述弹性杆包括套筒、活动杆和弹簧；所述套筒沿其轴向设有容置仓，弹簧设置于容置仓中；活动杆一端束缚于容置仓中且接触弹簧的一端，另一端连接对应的圆球；所述活动杆能够沿套筒轴向运动；套筒的两端均设有活动杆，或者套筒的一端设有活动杆。

当晶体位错结构的运动模型受外力作用发生局部滑移的方向与位错线垂直时便形成一个刃型位错；刃型位错中存在一个额外的半原子面，半原子面在模型内部的边界线称为刃型位错的位错线，刃形位错线和滑移矢量所确定的平面称为刃型位错的滑移面，刃型位错的滑移必须在滑移面内进行，其位错线和滑移矢量垂直。

当晶体位错结构的运动模型受外力作用发生局部滑移是沿着与位错线平行的方向移动一个原子间距时，在滑移区和未滑移区的边界上便形成螺型位错，在螺型位错位错线周围原子呈螺旋状分布螺型位错线和滑移矢量所确定的平面称为螺型位错的滑移面。

当晶体位错结构的运动模型的局部滑移的方向与位错线的方向既不始终平行也不始终垂直时形成混合型位错。

所述晶体位错结构的运动模型中存在刃型位错、螺型位错和混合型位错中的一种或几种。

本发明采用圆球模拟原子，采用杆件与圆球相连模拟晶格结构；圆球与杆件按照所表示的晶体结构和位错特征的要求拼装在一起且相互连接时可按要求形成特定的角度并允许弹性变形；位错滑移面上的圆球采用两个半圆球组合的方式，且两个半圆球之间可分离或连接；位错滑移面上的杆件采用整体长度可弹性伸缩且两端与圆球相互吸引或粘结的结构，在位错运动的过程中杆件可按照要求形成特定的长度和角度。

圆球在用于与杆件按照所表示的晶体结构粘结的位置设置有与杆件之间角度定位的装置，二者对应连接后按照所表示的晶体结构的角度方位固定。

为了进一步增加位错滑移面之外的原子结构的稳定性，将远离滑移面1或2或3或4层及之外的且不参与位错运动的圆球和杆件之间进行固定。

为了进一步模拟位错的攀移，使用工具将插入半原子面的端面原子以及与之相连的杆件取走。

为了进一步模拟位错边缘的原子的畸变，在位错周围采用可弹性伸缩的杆件与圆球相连，在位错运动过程中，杆件可根据畸变的要求进行伸缩。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

针对刃型位错和螺型位错两类最基本的位错结构形式以及混合位错，采用钢珠或两个半钢珠的组合来模拟原子，采用两头带有磁石的杆件模拟晶格结构，并在可移动的原子及其晶格结构的局部采用可伸缩的晶格结构，形象生动的展现了位错的结构及其运动过程。该模型结构简单，可以从空间方位、产生原理、运动模式、运动结果等不同的角度，通过充分体现不同位错的共同特征和区别特征而更加直观的使学生理解位错的基本结构及其基本运动特征这两个重要概念，支撑形象生动和准确深刻的教学效果。

【附图说明】

图1-1是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型原始态的示意图；

图1-2是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型刃型位错在原始态的基础上沿图中箭头所示方向移动一个原子间距后的示意图；

图1-3是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型刃型位错在图1-2的基础上沿图中箭头所示方向移动一个原子间距后的示意图；

图1-4是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型刃型位错在图1-3的基础上沿图中箭头所示方向移动一个原子间距后的示意图；

图1-5是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型位错滑移的最终状态的示意图；

图2-1是晶体位错结构的运动模型中混合位错结构与运动模型原始态示意图；

其中：1、用来模拟原子的钢珠，2、两端具有磁石的杆件，4、刃型位错中的半原子面，5、刃型位错线，12、可伸缩的弹性结构(特殊的杆件2)。

以下结合附图和发明人给出的具体实施例对本发明做进一步详细说明。

【具体实施方式】

图1-1是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型原始态的示意图，晶体中的原子在三维空间呈现有规则的周期性重复排列，并具有完全相同的周围环境，各原子之间依靠化学键连接。图1-1用钢珠1模拟晶体中的原子，用两端具有磁石的杆件2模拟晶格结构(原子间的化学键)，采用可伸缩的弹性结构12模拟位错变化过程中原子键随着位错产生及运动的变化而变化。

请参阅图1-2是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型刃型位错在原始态的基础上沿图中箭头所示方向移动一个原子间距后的示意图；晶体中存在很多薄弱环节，晶体受力会发生塑性变形，此过程是通过滑移(或孪晶)的方式来完成，而滑移的过程并不是晶体中两个原子面之间集体的相对移动，而是通过晶体中存在的薄弱环节在很低的应力下就开始进行。在三维空间两个方向上尺寸很小，在另外一个方向上延伸较长，这样的薄弱环节就称之为位错。位错受力会产生滑移，其中，刃型位错引起的局部滑移的方向是与位错线垂直的，位错滑移一步的示意图如图1-2所示。其中：1、用来模拟原子的钢珠，2、两端具有磁石的杆件，4、刃型位错中的半原子面，5、刃型位错线，12、可伸缩的弹性结构。可伸缩的弹性结构为弹簧杆，弹性杆包括套筒、活动杆和弹簧；套筒沿其轴向设有容置仓，弹簧设置于容置仓中；活动杆一端束缚于容置仓中且接触弹簧的一端，另一端连接对应的圆球；活动杆能够沿套筒轴向运动；套筒的两端均设有活动杆，或者套筒的一端设有活动杆。压缩弹簧时，弹簧杆压缩，弹簧伸展时，弹簧杆伸长；在杆件模拟位错变化过程中原子键时，杆件倾斜连接相邻的一个圆球，需要杆件伸长，本发明弹簧杆能够伸缩，倾斜时弹簧杆伸长连接相邻的圆球，以模拟位错的滑移。

图1-3是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型刃型位错在图1-2的基础上受力沿图中箭头所示方向移动一个原子间距后的前示意图，晶体中的位错在受到超过屈服强度的力时便会发生位错的滑移，图1-3就是图1-2中的位错受力后发生滑移运动后的结果。

图1-4是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型刃型位错在图1-3的基础上沿图中箭头所示方向移动一个原子间距后的示意图，晶体中的位错在受到超过屈服强度的力时便会发生位错的滑移，图1-4就是图1-3中的位错受力后发生滑移运动后的结果。

图1-5是晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型位错滑移的最终状态的示意图。晶体中的刃型位错可能是由于晶体形成过程(凝固或冷却)中由于原子错排并聚合成为半原子面，更可能的是由于局部滑移引入。晶体受内应力或者外应力的作用，有可能在局部区域使理想晶体在某一晶面发生滑移，于是就把一个半原子面挤入晶格中间，从而形成一个刃型位错。因此，可以把位错定义为晶体中已滑移区和未滑移区的边界，因此位错就不可能突然中断于晶体内部，他们或者在表面露头，或者终止于晶界或相界或者与其他位错线相交或自成一个封闭环。在本晶体位错结构的运动模型刃型位错的模型中，图1-5是位错受力滑移的终态，此模型的位错线终止于晶体表面。

本发明晶体位错结构的运动模型还可以模拟螺型位错：刃型位错中，晶体发生局部滑移的方向是与位错线垂直的，如果局部滑移的方向与位错线平行移动一个原子间距，那么在滑移区和未滑移区的边界上就会形成螺型位错。滑移面上模拟原子的两个半钢珠的组合。

图2-1是晶体位错结构的运动模型中混合位错结构与运动模型原始态示意图；晶体中的原子在三维空间呈现有规则的周期性重复排列，并具有完全相同的周围环境，各原子之间依靠化学键连接。其中：1、用来模拟原子的钢珠，2、两端具有磁石的杆件。实际晶体中的位错常常是混合型的，介于刃型位错和螺型位错之间，晶体在切应力作用下发生局部滑移，此时滑移区和非滑移区的交界线就是混合位错的位错线。位错线与滑移方向垂直，是刃型位错线；位错线与滑移方向平行，是螺型位错线；在位错线的中间部分，位错线与滑移方向既不平行也不垂直。

为了更详细的理解本发明所涉及的模型，以下是发明人给出的几个具体实施例。

实施例1

晶体位错结构的运动模型中刃型位错结构与运动模型原始态和位错滑移一步的示意图分别如图1-1和图1-2所示。位错存在于晶体中，晶体中的原子在三维空间呈现有规则的周期性重复排列，并具有完全相同的周围环境，各原子之间依靠化学键连接。图1-1用钢珠1模拟晶体中的原子，用两端具有磁石的杆件2模拟晶格结构(原子间的化学键)，采用可伸缩的弹性结构12模拟位错变化过程中原子键的变化。

采用辅助工具，使图1-1最右侧的半个原子面按照图1-2箭头所示方向移动一个原子间距，在变化的过程中，规则的原子排列由于半原子面的产生而发生畸变，便在晶体中产生了一个刃型位错，采用可伸缩的弹性结构12模拟位错滑移过程中产生的畸变；位错线所在并且与刃型位错半原子面垂直的平面称为滑移面。

实施例2

位错模型中刃型位错结构与运动模型位错滑移二步的示意图如图1-3所示。采用辅助工具，使图1-2中的半个原子面4按照图中箭头所示方向移动一个原子间距，即是位错的滑移运动过程；在位错滑移运动过程中，半原子面按照图中所示滑移方向移动一个原子间距，畸变中心区域随着半原子面的滑移而移动，采用可伸缩的弹性结构12模拟位错滑移过程中产生的畸变，位错线所在并且与刃型位错半原子面垂直的平面称为滑移面。

实施例3

位错模型中刃型位错结构与运动模型位错滑移三步的示意图如图1-4所示。采用辅助工具，使图1-3中的半个原子面4按照图中箭头所示方向移动一个原子间距，即是位错的滑移运动过程；在位错滑移运动过程中，半原子面按照图中所示滑移方向移动一个原子间距，畸变中心区域随着半原子面的滑移而移动，采用可伸缩的弹性结构12模拟位错滑移过程中产生的畸变，位错线所在并且与刃型位错半原子面垂直的平面称为滑移面。

实施例4

位错模型中刃型位错结构与运动模型位错滑移四步的示意图，即此刃型位错模型位错滑移的终态，如图1-5所示。采用辅助工具，使图1-4中的半个原子面4按照图中箭头所示方向移动一个原子间距，即是位错的滑移运动过程；在位错滑移运动过程中，半原子面按照图中所示滑移方向移动一个原子间距，畸变中心区域随着半原子面的滑移而移动，采用可伸缩的弹性结构12模拟位错滑移过程中产生的畸变，位错线所在并且与刃型位错半原子面垂直的平面称为滑移面。

实施例5

位错模型中混合位错结构与运动模型原始态和终态的示意图如图2-1所示。位错存在于晶体中，晶体中的原子在三维空间呈现有规则的周期性重复排列，并具有完全相同的周围环境，各原子之间依靠化学键连接。图2-1采用钢珠1模拟晶体中的原子，用两端具有磁石的杆件2模拟晶格结构(原子间的化学键)，采用可伸缩的弹性结构模拟位错变化过程中原子键的变化。

为了更为形象的演示混合位错的变化过程，混合位错滑移面上的原子采用两个半钢珠的组合来模拟。采用辅助工具，使部分区域按照箭头所示方向移动一个原子间距，在变化的过程中，规则的原子排列由于半原子面的产生而发生畸变，便在晶体中一处产生了一个刃型位错，在晶体中另一处产生一个螺型位错，采用可伸缩的弹性结构模拟位错滑移过程中产生的畸变；在位错运动过程中，规则的原子排列被打破从而产生畸变，采用可伸缩的弹性结构模拟发生畸变的原子之间的原子键。

Claims (8)

1.晶体位错结构的运动模型，其特征在于，包括若干模拟原子的圆球、若干模拟晶格结构的杆件；杆件的两端设有与圆球相配合的对接结构；一个杆件的两端各连接一个圆球；所述圆球和杆件连接组成表示晶体位错结构的运动模型；

所述杆件为整体长度能够弹性伸缩的弹性杆；

所述弹性杆包括套筒、活动杆和弹簧；所述套筒沿其轴向设有容置仓，弹簧设置于容置仓中；活动杆一端束缚于容置仓中且接触弹簧的一端，另一端连接对应的圆球；所述活动杆能够沿套筒轴向运动；套筒的两端均设有活动杆，或者套筒的一端设有活动杆。

2.根据权利要求1所述的晶体位错结构的运动模型，其特征在于，所述对接结构包括设置于圆球上的插槽或插头、设置于杆件端部的插头或插槽；所述圆球上设有若干插槽或插头。

3.根据权利要求1所述的晶体位错结构的运动模型，其特征在于，所述圆球为钢珠，所述杆件的两端对应设有磁石。

4.根据权利要求1所述的晶体位错结构的运动模型，其特征在于，若干模拟原子的圆球中处于滑移面上的圆球由两个半圆球组成。

5.根据权利要求1所述的晶体位错结构的运动模型，其特征在于，当晶体位错结构的运动模型受外力作用发生局部滑移的方向与位错线垂直时便形成一个刃型位错；刃型位错中存在一个额外的半原子面，半原子面在模型内部的边界线称为刃型位错的位错线，刃形位错线和滑移矢量所确定的平面称为刃型位错的滑移面，刃型位错的滑移必须在滑移面内进行，其位错线和滑移矢量垂直。

6.根据权利要求1所述的晶体位错结构的运动模型，其特征在于，当晶体位错结构的运动模型受外力作用发生局部滑移是沿着与位错线平行的方向移动一个原子间距时，在滑移区和未滑移区的边界上便形成螺型位错，在螺型位错位错线周围原子呈螺旋状分布螺型位错线和滑移矢量所确定的平面称为螺型位错的滑移面。

7.根据权利要求1所述的晶体位错结构的运动模型，其特征在于，当晶体位错结构的运动模型的局部滑移的方向与位错线的方向既不始终平行也不始终垂直时形成混合型位错。

8.根据权利要求1所述的晶体位错结构的运动模型，其特征在于，所述晶体位错结构的运动模型中存在刃型位错、螺型位错和混合型位错中的一种或几种。