[发明专利]一种金属材料弹性变形与塑性变形的演示教具及其装配方法

说明书

本发明公开了一种金属材料弹性变形与塑性变形的演示教具及其装配方法，半模A的一侧端面和半模B的对应一侧端面组成演示面，半模A的演示面上至少设有一排与半模A和半模B相对移动方向平行的金属原子模型，半模B的对应演示面上至少设有一排与半模A金属原子模型位置匹配的金属原子模型，同一演示面内、任何相邻两个金属原子模型之间设有晶格线模型；半模A和半模B之间设有复位装置和定位装置，定位装置沿着半模A与半模B相对滑动的范围内设有多个定位位置。从上述结构可知，本发明的一种金属材料弹性变形与塑性变形的演示教具，通过教具的作用，实现了从晶格的微观角度来具体演示金属的弹性变形和塑性变形的原理。

技术领域

本发明涉及一种演示教具的技术领域，具体涉及一种金属材料弹性变形与塑性变形的演示教具及其装配方法。

背景技术

1.1滑移的概念

塑性变形有滑移和孪晶两种方式，塑性变形主要以滑移方式进行，本发明也仅针对滑移方式展开。

所谓滑移就是金属晶体在外力作用下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面上的一定晶向发生相对滑动。作用在金属晶体上的外力可以按正交分解法分解为垂直于滑移面的分力和平行于滑移面的分力，见图1a所示。其中，垂直于滑移面的分力只能引起弹性变形，对滑移没有影响，只有平行于滑移面的分力才能导致金属晶体的两部分相对滑动，因此，为简化问题起见，将外力设置为与滑移面平行的力F和F’，这两个力大小相等，方向相反，见图1b所示。

1.2弹性变形与塑性变形定义

金属晶体在外力作用下产生变形，外力去除后，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。

当外力比较小的时候，金属晶体只产生弹性变形，此时，去除外力，金属晶体将完全恢复其原有的形状和尺寸。所产生的弹性变形量与外力的大小成正比，满足胡克定律，但是存在一个最大值，该最大值与金属晶体的弹性极限有关。

当外力超过一定值（引起的应力超过材料的弹性极限）以后，弹性变形量不再增加，所增加的变形为塑性变形。去除外力，弹性变形消失，但塑性变形不会消失，而是永久保留了下来。塑性变形量的大小与外力大小、金属晶体的塑性有关，显然，外力越大，塑性变形量越大；金属晶体的塑性越好，断裂后产生的塑性变形量也越大。

1.3弹性变形的本质

如图2a所示，金属晶体是由原子按一定的规则周期排列而成的晶体，原子处于晶格的节点上，具有最低的能量状态，因此，结点是原子的平衡位置。如图2b所示，在外力作用下，原子将偏离其平衡位置，处于非平衡位置上，具有高的能量状态。偏离平衡位置的原子受到周围原子排斥力或者吸引力的作用，这种作用相当于弹性力，因此，其具有高的弹性势能，是一种不稳定状态，有向低能态（平衡态）转变的趋势。

如图2c所示，外力去除，在周围原子之间这种弹性力的作用下，偏离平衡位置的原子回到原有的平衡位置上，即由高能量状态重新回到了最低能量状态。

所以，弹性变形本质上是由原子偏离平衡位置造成的，单个原子产生的弹性变形量不超过一个原子平衡间距。

1.4塑性变形的本质

如图3a所示，当外力超过一定值后，原子移动的距离将大于一个原子平衡间距，因此，除了产生弹性变形外，还产生了塑性变形。如图3b所示，去除外力，偏离平衡位置的原子不再能够回到原有的平衡位置上，而是只能回到越过的那个平衡位置上，原子处于该平衡位置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。所以，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。显然，塑性变形量是总变形量与最大弹性变形量的差值，应为原子间距的整数倍。

1.5金属材料课程的教学现状