一种金属晶体缺陷形成的演示教具及演示方法与流程

1.本发明属于金属材料学科的教学辅助用具技术领域，具体涉及一种金属晶体缺陷形成的演示教具及演示方法。


背景技术：

[0002]“材料科学基础”是材料类专业学生的必修课，是学习后续专业课程的基础。金属晶体缺陷又是材料科学基础中非常重要的概念，现有的关于金属晶体缺陷的教学基本都是依靠课本内容，而课本中关于金属晶体缺陷的内容大多从原子的微观角度出发进行讲解，虽然课本中已通过多幅示意图最大程度地向学生直观地呈现金属晶体缺陷的实际微观结构，但是学生对金属晶体缺陷仍然会感到十分抽象，无法准确理解金属晶体缺陷的形成过程。


技术实现要素：

[0003]
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种金属晶体缺陷形成的演示教具及演示方法，实现不同环境条件下金属内部原子运动状态模拟，宏观形象地展示金属晶体缺陷形成的过程。
[0004]
结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
[0005]
一种金属晶体缺陷形成的演示教具，所述教具由演示箱体8和呈单层自由滚动分布于内部的模型球9组成，且当演示箱体8发生倾斜时，模型球9因自身重力在演示箱体8一侧形成堆垛；
[0006]
所述演示箱体8与内部模型球9分布形态相对应的平面为透明状的演示面；
[0007]
进一步地，所述演示箱体8为密封扁平状，所述演示箱体8内侧高度h与模型球9的直径d之间满足如下关系式：
[0008]
d＜h＜2d。
[0009]
一种金属晶体缺陷形成的演示教具所述的演示方法，所述演示方法包括：金属内部缺陷状态的演示方法，具体过程如下：
[0010]
首先：将演示箱体8的演示面水平朝上并水平晃动演示箱体8，使模型球9在演示箱体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0011]
然后，倾斜演示箱体8的演示面，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态恢复低能量状态，此时，模型球9在演示箱体8形成若干不规则球群区域，每个不规则球群区域内的模型球9均匀分布，且相邻的不规则球群区域之间存在间隙，此时，演示箱体8内模型球9形成的堆垛状态即为金属内部缺陷状态。
[0012]
更进一步地，所述演示方法还包括：金属冷却速度对金属晶体晶粒大小和缺陷密度影响的演示方法，具体过程如下：
[0013]
首先：将演示箱体8的演示面水平朝上并水平晃动演示箱体8，使模型球9在演示箱
体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0014]
然后，以不同的倾斜速度控制演示箱体8的演示面倾斜，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态以不同的速度恢复低能量状态，即模拟不同的金属冷却速度；
[0015]
最后，观察不同倾斜速度下，演示箱体8内模型球9的堆垛形态，以演示不同金属冷却速度下，金属晶体晶粒大小和缺陷密度。
[0016]
进一步地，所述演示教具还包括：底座1、支撑架2、驱动电机3、电子控制装置4、驱动齿轮5、摆动连接架6、支撑平台7和从动齿轮10；
[0017]
所述驱动电机3固定在底座1上，所述电子控制装置4与驱动电机3的控制信号接收端信号连接，所述驱动齿轮5安装在驱动电机3输出端，所述支撑架2竖直设立并固定在底座1两侧，所述支撑平台7固定连接在支撑架2上，所述摆动连接架6固定在支撑平台7底部，所述从动齿轮10与摆动连接架6固定为一体地旋转安装在支撑架2上，从动齿轮10的下半部分为分布半圆周的从动轮齿结构，且从动轮齿与驱动齿轮5相啮合。
[0018]
一种金属晶体缺陷形成的演示教具的演示方法，演示方法包括：金属内部缺陷状态的演示方法，具体过程如下：
[0019]
首先：将演示箱体8的演示面水平朝上，使模型球9能够在演示箱体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0020]
然后，通过电子控制装置4向驱动电机3发送控制指令信号，控制驱动电机3按照一定的角速度输出扭矩，并控制驱动电机3输出的角位移大小，进而依次通过驱动齿轮5、从动齿轮10、摆动连接架6和支撑平台7控制演示箱体8按照一定角速度倾斜至一定角度并静止，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态恢复低能量状态，此时，模型球9在演示箱体8形成若干不规则球群区域，每个不规则球群区域内的模型球9均匀分布，且相邻的不规则球群区域之间存在间隙，此时，演示箱体8内模型球9形成的堆垛状态即为金属内部缺陷状态。
[0021]
进一步地，所述演示方法还包括：金属冷却速度对金属晶体晶粒大小和缺陷密度影响的演示方法，具体过程如下：
[0022]
首先，将演示箱体8的演示面水平朝上，使模型球9能够在演示箱体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0023]
然后，通过电子控制装置4向驱动电机3发送控制指令信号，控制驱动电机3按照不同的角速度输出扭矩，并控制驱动电机3输出的角位移大小，进而依次通过驱动齿轮5、从动齿轮10、摆动连接架6和支撑平台7控制演示箱体8按照不同角速度倾斜至一定角度并静止，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态以不同的速度恢复低能量状态，以模拟不同的金属冷却速度；
[0024]
最后，观察不同倾斜速度下，演示箱体8内模型球9的堆垛形态，以演示不同金属冷却速度下，金属晶体晶粒大小和缺陷密度。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0026]
1、本发明所述金属晶体缺陷形成的演示教具及演示方法，将抽象的原子排列方式具体化，能够模拟不同环境条件下金属内部原子运动状态，宏观形象地展示金属晶体缺陷形成的过程，解释冷却速度对晶粒大小以及晶体缺陷密度的影响。
[0027]
2、本发明所述金属晶体缺陷形成的演示教具及演示方法，填补了金属晶体缺陷形成演示教具的空白，既方便教师讲解，又能够加深学生对金属晶体缺陷知识点的印象，提高学生对材料学学习的兴趣，同时增强师生之间的互动。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例一所述金属晶体缺陷形成的演示教具正面结构示意图；
[0029]
图2为本发明实施例一所述金属晶体缺陷形成的演示教具侧面结构示意图；
[0030]
图3为本发明实施例三所述金属晶体缺陷形成的演示教具的结构示意图；
[0031]
图4为本发明实施例三所述金属晶体缺陷形成的演示教具水平状态示意图；
[0032]
图5为本发明实施例三所述金属晶体缺陷形成的演示教具倾斜状态示意图；
[0033]
图6为本发明所述金属晶体缺陷形成的演示教具演示形成的金属晶体缺陷平面示意图；
[0034]
图7为本发明所述金属晶体缺陷形成的演示教具演示形成的金属晶体缺陷立体示意图；
[0035]
图8为本发明所述金属晶体缺陷形成的演示教具演示形成的金属理想晶体平面示意图；
[0036]
图9为本发明所述金属晶体缺陷形成的演示教具演示形成的金属理想晶体立体示意图；
[0037]
图中：
[0038]1‑
底座，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2‑
支撑架，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ3‑
驱动电机，
[0039]4‑
电子控制装置，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ5‑
驱动齿轮，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6‑
摆动连接架，
[0040]7‑
支撑平台，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ8‑
演示箱体，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ9‑
模型球，
[0041]
10
‑
从动齿轮。
具体实施方式
[0042]
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
[0043]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0045]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0046]
实施例一：
[0047]
本实施例一公开了一种金属晶体缺陷形成的演示教具，如图1和图2所示，所述教具由演示箱体8和分布于演示箱体8内部的模型球9组成；
[0048]
所述演示箱体8为密封扁平状，所述演示箱体8内侧高度h与模型球9的直径d之间满足如下关系式：
[0049]
d＜h＜2d
[0050]
即有且仅有一层模型球9分布放置在演示箱体8，且模型球9可在演示箱体8内自由滚动，且当演示箱体8发生倾斜时，模型球9因自身重力在演示箱体8一侧形成堆垛；
[0051]
所述演示箱体8与内部模型球9分布形态相对应的平面为演示面，所述演示箱体8的演示面为透明状，以便于观察内部模型球9的状态。
[0052]
实施例二：
[0053]
本实施例二公开了一种金属晶体缺陷形成的演示教具的演示方法，所述演示教具为上述实施例一所述金属晶体缺陷形成的演示教具，演示方法包括：金属内部缺陷状态的演示方法，以及金属冷却速度对金属晶体晶粒大小和缺陷密度影响的演示方法；其中：
[0054]
所述金属内部缺陷状态的演示方法，具体如下：
[0055]
首先：将演示箱体8的演示面水平朝上并水平晃动演示箱体8，使模型球9在演示箱体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0056]
然后，倾斜演示箱体8的演示面，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态恢复低能量状态，此时，模型球9在演示箱体8形成若干不规则球群区域，每个不规则球群区域内的模型球9均匀分布，且相邻的不规则球群区域之间存在间隙，此时，演示箱体8内模型球9形成的堆垛状态即为金属内部缺陷状态；
[0057]
如图6和图7所示，所述不规则球群区域代表金属晶体晶粒；所述不规则球群区域之间存在的间隙代表金属晶体晶粒之间的位相差；
[0058]
所述金属冷却速度对金属晶体晶粒大小和缺陷密度影响的演示方法，具体如下：
[0059]
首先：将演示箱体8的演示面水平朝上并水平晃动演示箱体8，使模型球9在演示箱体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0060]
然后，以不同的倾斜速度控制演示箱体8的演示面倾斜，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态以不同的速度恢复低能量状态，即模拟不同的金属冷却速度；
[0061]
最后，观察不同倾斜速度下，演示箱体8内模型球9的堆垛形态，以演示不同金属冷却速度下，金属晶体晶粒大小和缺陷密度；其中：
[0062]
倾斜速度越大，模型球9在演示箱体8内堆垛形成的不规则球群区域越多，不规则球群区域之间的间隙越大，且不规则球群区域之间的间隙数量越多；即演示出：金属冷却越快，金属晶体晶粒越小，晶粒位相差越大，金属晶体内产生的缺陷密度越大；
[0063]
以较大的倾斜速度控制演示箱体8的演示面倾斜，则对应金属热处理中淬火处理的金属晶体缺陷形成演示。
[0064]
倾斜速度越小，模型球9在演示箱体8内堆垛形成的不规则球群区域越少，不规则球群区域之间的间隙越小，且不规则球群区域之间的间隙数量越少；即演示出：金属冷却越慢，金属晶体晶粒越大，晶粒位相差越小，金属晶体内产生的缺陷密度越小；
[0065]
以较小的倾斜速度控制演示箱体8的演示面倾斜，则对应金属热处理中退火、正火或回火处理的金属晶体缺陷形成演示。
[0066]
当以足够慢的倾斜速度控制演示箱体8的演示面倾斜时，演示箱体8内的所有模型球9会规则堆垛，不会出现不规则球群区域之间的间隙；即演示出：无晶体缺陷出现的理想金属晶体状态，如图8和图9所示。
[0067]
实施例三：
[0068]
本实施例三公开了一种金属晶体缺陷形成的演示教具，如图3所示，所述教具由底座1、支撑架2、驱动电机3、电子控制装置4、驱动齿轮5、摆动连接架6、支撑平台7、演示箱体8、模型球9和从动齿轮10；其中：
[0069]
所述底座1水平设置，驱动电机3底部固定在底座1上表面；所述电子控制装置4固定在驱动电机3的侧面，并与驱动电机3的控制信号接收端信号连接，所述电子控制装置4通过向驱动电机3的控制信号接收端发送控制指令信号以控制驱动电机3输出轴的运动状态；所述驱动齿轮5同轴固定在驱动电机3的输出轴上；所述支撑架2竖直设立并固定在底座1两侧；所述支撑平台7设置在支撑架2顶部两侧之间，支撑平台7固定连接在支撑架2上，所述摆动连接架6顶部与支撑平台7底部固定连接；所述从动齿轮10为半圆周轮齿结构，从动齿轮10的上半部分与摆动连接架6固定为一体结构，从动齿轮10的下半部分为分布半圆周的从动轮齿结构，且从动齿轮10下方的从动轮齿与驱动齿轮5啮合连接，从动齿轮10的圆心位置通过旋转轴旋转安装在支撑架2上；
[0070]
所述演示箱体8为密封扁平状，演示箱体8平行卡接固定在支撑平台7上，演示箱体8的顶面为透明材质的演示面，所述模型球9分布于演示箱体8内部，所述演示箱体8内侧高度h与模型球9的直径d之间满足如下关系式：
[0071]
d＜h＜2d
[0072]
即有且仅有一层模型球9分布放置在演示箱体8，且模型球9可在演示箱体8内自由滚动，且当演示箱体8反生倾斜时，模型球9因自身重力在演示箱体8一侧形成堆垛。
[0073]
上述金属晶体缺陷形成的演示教具中，驱动电机3在电子控制装置4的控制下，经输出轴通过驱动齿轮5带动从动齿轮10旋转运动，摆动连接架6随驱动齿轮5转动的同时，带动支撑平台7旋转摆动，卡接固定在支撑平台7上的演示箱体8随之倾斜运动。
[0074]
实施例四：
[0075]
本实施例四公开了一种金属晶体缺陷形成的演示教具的演示方法，所述演示教具
为上述实施例三所述金属晶体缺陷形成的演示教具，演示方法包括：金属内部缺陷状态的演示方法，以及金属冷却速度对金属晶体晶粒大小和缺陷密度影响的演示方法；其中：
[0076]
所述金属内部缺陷状态的演示方法，具体如下：
[0077]
首先：如图4所示，将演示箱体8的演示面水平朝上，使模型球9能够在演示箱体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0078]
然后，如图5所示，通过电子控制装置4向驱动电机3发送控制指令信号，控制驱动电机3按照一定的角速度输出扭矩，并控制驱动电机3输出的角位移大小，进而依次通过驱动齿轮5、从动齿轮10、摆动连接架6和支撑平台7控制演示箱体8按照一定角速度倾斜至一定角度并静止，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态恢复低能量状态，此时，模型球9在演示箱体8形成若干不规则球群区域，每个不规则球群区域内的模型球9均匀分布，且相邻的不规则球群区域之间存在间隙，此时，演示箱体8内模型球9形成的堆垛状态即为金属内部缺陷状态；
[0079]
如图6和图7所示，所述不规则球群区域代表金属晶体晶粒；所述不规则球群区域之间存在的间隙代表金属晶体晶粒之间的位相差；
[0080]
所述金属冷却速度对金属晶体晶粒大小和缺陷密度影响的演示方法，具体如下：
[0081]
首先，如图4所示，将演示箱体8的演示面水平朝上，使模型球9能够在演示箱体8内部沿水平方向无规则自由滚动，以模拟金属原子在能量较高的自由运动状态；
[0082]
然后，如图5所示，通过电子控制装置4向驱动电机3发送控制指令信号，控制驱动电机3按照不同的角速度输出扭矩，并控制驱动电机3输出的角位移大小，进而依次通过驱动齿轮5、从动齿轮10、摆动连接架6和支撑平台7控制演示箱体8按照不同角速度倾斜至一定角度并静止，使模型球9在演示箱体8内部在自身重力作用下向演示箱体8倾斜一侧运动直至静止，且静止的模型球9在演示箱体8内部形成堆垛，以模拟金属原子从能量较高的自由运动状态以不同的速度恢复低能量状态，以模拟不同的金属冷却速度；
[0083]
最后，观察不同倾斜速度下，演示箱体8内模型球9的堆垛形态，以演示不同金属冷却速度下，金属晶体晶粒大小和缺陷密度；其中：
[0084]
由于采用电子控制装置4控制驱动电机3进而带动演示箱体8倾斜，可实现倾斜角速度的定量准确控制，其中，本实施例四种，分别以15
°
/s、3
°
/s和0.5
°
/s的角速度控制演示箱体8倾斜；
[0085]
当以15
°
/s的角速度演示箱体8时，倾斜速度越大，模型球9在演示箱体8内堆垛形成的不规则球群区域越多，不规则球群区域之间的间隙越大，且不规则球群区域之间的间隙数量越多；即演示出：金属冷却越快，金属晶体晶粒越小，晶粒位相差越大，金属晶体内产生的缺陷密度越大；
[0086]
以较大的倾斜速度控制演示箱体8的演示面倾斜，则对应金属热处理中淬火处理的金属晶体缺陷形成演示。
[0087]
当以3
°
/s的角速度倾斜演示箱体8时，倾斜速度越小，模型球9在演示箱体8内堆垛形成的不规则球群区域越少，不规则球群区域之间的间隙越小，且不规则球群区域之间的间隙数量越少；即演示出：金属冷却越慢，金属晶体晶粒越大，晶粒位相差越小，金属晶体内产生的缺陷密度越小；
[0088]
以较小的倾斜速度控制演示箱体8的演示面倾斜，则对应金属热处理中退火、正火或回火处理的金属晶体缺陷形成演示。
[0089]
此外，当以0.5
°
/s的角速度倾斜演示箱体8时，此时演示箱体8倾斜速度足够慢，演示箱体8内的所有模型球9会规则堆垛，不会出现不规则球群区域之间的间隙；即演示出：无晶体缺陷出现的理想金属晶体状态，如图8和图9所示。
[0090]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0091]
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。