鑄鐵和低碳鋼力學(xué)性能實驗探討

范志毅 / 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

鑄鐵和低碳鋼力學(xué)性能實驗探討

范志毅 / 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

鑄鐵和低碳鋼力學(xué)性能實驗是材料力學(xué)課程中重要內(nèi)容。將鑄鐵和低碳鋼力學(xué)性能的抽象概念，通過實驗呈現(xiàn)出來。如何提高實驗的教學(xué)效果，使實驗內(nèi)容更加豐富，改變灌輸式教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，創(chuàng)新思維，對實驗教學(xué)的思路和方法提出了一些建議。

鑄鐵；低碳鋼；實驗教學(xué)

材料力學(xué)是高等學(xué)校工科類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。材料力學(xué)概念抽象，理論性強，但目前理論教學(xué)課時數(shù)普遍壓縮，理論與實驗相結(jié)合是加強學(xué)生對概念和理論理解的有效途徑。材料力學(xué)課程中的力學(xué)性能實驗采用鑄鐵試件和低碳鋼試件進(jìn)行。鑄鐵是脆性材料的代表，低碳鋼是塑性材料的代表。實驗通過對鑄鐵和低碳鋼進(jìn)行壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)，讓學(xué)生掌握力學(xué)性能的檢測方法，觀察實驗現(xiàn)象，比較兩種材料的力學(xué)性能，加強對相關(guān)理論的理解。

實驗教學(xué)過程中，往往學(xué)生只是按照教師或教材的指導(dǎo)機(jī)械地完成操作，對于實驗?zāi)康摹嶒灛F(xiàn)象所反映的問題缺乏深入的思考，多數(shù)學(xué)生只知其然不知其所以然，實驗不能很好地達(dá)到理論聯(lián)系實際的效果。為改變這樣的狀況，在實驗的每一個環(huán)節(jié)都要注意引導(dǎo)學(xué)生，啟發(fā)思考，經(jīng)過反復(fù)的教學(xué)實踐，提出了一些體會。

1.實驗前的準(zhǔn)備

1.1試件的分辨和取用。鑄鐵和低碳鋼試件看上去一樣。鑄鐵試件落地聲音沉悶，低碳鋼落地的聲音清脆。為什么兩者的落地聲音不同？簡單來說，鑄鐵含碳量高，低碳鋼含碳量低，除了落地聲音不同，力學(xué)性能也會有很大的差別。接下來的實驗就是深入發(fā)現(xiàn)兩者的區(qū)別。通過這樣啟發(fā)式的提問，引發(fā)學(xué)生的興趣。然后要求學(xué)生自己取用試件，發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生會反復(fù)將試件擲地聽聲，顯然是激發(fā)了他們的探索的興趣。

1.2試件上繪制輔助線。壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)實驗一般是分組進(jìn)行，一組有3-4個學(xué)生，每個學(xué)生各有分工，有的讀數(shù)據(jù)，有的記數(shù)據(jù)，有的操作。如果實驗現(xiàn)象不是很明顯，在實驗過程中不能有效地觀察到，只有回去處理實驗數(shù)據(jù)時再分析。在鑄鐵和低碳鋼扭轉(zhuǎn)實驗中，不是一直盯著試件，肉眼上看不到兩種材料試件破壞時變形有很大的區(qū)別。在扭轉(zhuǎn)實驗前，可以要求學(xué)生在試件沿軸線方向用紅色粉筆繪制一條平行于軸線的直線，扭轉(zhuǎn)實驗中就可以直接觀測到繪制直線的變形。破壞時，鑄鐵上的輔助線扭轉(zhuǎn)的角度不大，而低碳鋼很清晰地看到繪制的直線變成了螺旋線，這樣使實驗現(xiàn)象更為直觀。

1.3實驗前要先講解相關(guān)的理論。分析試件的應(yīng)力狀態(tài)，讓學(xué)生計算最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，及其所在的斜截面位置。根據(jù)強度理論讓學(xué)生判斷試件破壞時斷口的形態(tài)和位置。鑄鐵和低碳鋼的力學(xué)性能檢測實驗是驗證實驗，學(xué)生在實驗前通過計算，對試件的破壞形式有個預(yù)先的判斷，可以引導(dǎo)學(xué)生的探索精神，在實驗中的觀測更有方向。通過實驗驗證了預(yù)期的破壞形式，也會使學(xué)生加深對理論的理解和應(yīng)用。

2.實驗操作

2.1強調(diào)實驗安全問題。尤其是壓縮實驗，誤操作可能會損壞試驗機(jī)或者危及學(xué)生安全。實驗室一般貼有操作規(guī)程，學(xué)生要熟知，做到心中有數(shù)，按鍵的功能作用明確。每小組確定一名組長負(fù)責(zé)管理和工作分配。

2.2強調(diào)操作規(guī)范的重要性。如試件的安裝、實驗的順序、加載的速度等。通常是先對鑄鐵試件進(jìn)行實驗，然后是低碳鋼試件。加載速度不宜過快，便于實驗數(shù)據(jù)的讀取，如果加載速度過快，試件的變形滯后于加在其上的荷載，也會導(dǎo)致測出的強度值會大于材料的實際強度。

2.3強調(diào)注意關(guān)鍵節(jié)點。每次實驗數(shù)據(jù)的讀取，要注意幾個關(guān)鍵的節(jié)點，以免錯過。拉伸實驗中鑄鐵的破壞、低碳鋼的屈服及破壞；壓縮實驗中低碳鋼的屈服、鑄鐵的破壞；扭轉(zhuǎn)實驗中鑄鐵的破壞、低碳鋼的屈服及破壞。以上都是要注意的節(jié)點，特別是低碳鋼的屈服，稍不注意，就容易錯過。而且是否有屈服階段也是鑄鐵和低碳鋼力學(xué)性能的一個重要區(qū)別。把握好關(guān)鍵的節(jié)點也是實驗順利完成的關(guān)鍵。

2.4斷口的形態(tài)和位置的觀測。除了低碳鋼的壓縮實驗，每次實驗完成，要求學(xué)生及時觀測斷口的形態(tài)和位置，與預(yù)期的進(jìn)行比較。斷口平整還是粗糙，思考試件是由什么應(yīng)力導(dǎo)致的破壞，與根據(jù)理論計算斷口上的應(yīng)力狀態(tài)是不是相符。

3.實驗現(xiàn)象分析及思考

3.1壓縮實驗中由于鑄鐵試件在破壞時有可能飛出來，所以一般該實驗由教師演示完成。學(xué)生能觀察到鑄鐵受壓時在很小塑性變形下發(fā)生破壞，試件出現(xiàn)與橫截面呈45o～50o的斜裂紋。只能測量鑄鐵壓縮的強度極限。鑄鐵的斷口較為平整，實際上是發(fā)生了剪切破壞。低碳鋼試件由原來圓柱形逐漸地變成鼓狀，繼續(xù)不斷加壓，試件愈壓愈扁抗壓能力不斷增大，最后成餅狀無法測出壓縮的強度極限。壓縮實驗雖然是演示實驗，往往安排在拉伸和扭轉(zhuǎn)實驗之前。要求學(xué)生隨同教師一起記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)完成實驗報告。在實驗中詳細(xì)講解操作步驟及注意事項，及時引導(dǎo)學(xué)生觀察試件的變化，不僅可以使學(xué)生熟悉實驗操作，而且可以看到脆性材料和塑性材料兩者的顯著區(qū)別，為接下來的實驗做好準(zhǔn)備。實驗結(jié)束后讓學(xué)生計算鑄鐵斷口的應(yīng)力狀態(tài)，可得到斷口是最大切應(yīng)力所在斜面，這與斷口平整的實驗現(xiàn)象相符，理論與實驗進(jìn)行了相互的驗證。

3.3扭轉(zhuǎn)實驗中低碳鋼破壞時的扭轉(zhuǎn)角遠(yuǎn)大于鑄鐵的扭轉(zhuǎn)角，低碳鋼的塑性要大于鑄鐵。鑄鐵沿與橫截面呈45o～50o的斜截面破壞，斷口表面粗糙，是拉應(yīng)力導(dǎo)致的破壞。低碳鋼沿橫截面破壞，斷口表面平整，是剪應(yīng)力導(dǎo)致破壞?？梢砸髮W(xué)生處理數(shù)據(jù)時，計算出鑄鐵破壞時的最大拉應(yīng)力和與拉伸實驗鑄鐵破壞的拉應(yīng)力進(jìn)行比較。雖然兩個實驗中鑄鐵的受力方式不同，但最終導(dǎo)致破壞的都是拉應(yīng)力。這樣不僅可以讓學(xué)生溫習(xí)不同應(yīng)力狀態(tài)下最大拉應(yīng)力的計算方法，還可以加深對強度理論的理解。

4.結(jié)語

鑄鐵和低碳鋼的材料力學(xué)實驗是材料力學(xué)課程中的重要實踐環(huán)節(jié)。材料力學(xué)是研究材料破壞的科學(xué)。在理論學(xué)習(xí)中會有一些假設(shè)和理論比較抽象，可以通過實驗可以進(jìn)行驗證。實驗不僅培養(yǎng)了學(xué)生們的動手能力，還提升了用實驗解決實際問題的能力。在鑄鐵和低碳鋼實驗中注重引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，注意理論講解的時機(jī)。要求學(xué)生再熟悉操作步驟和要點后，再進(jìn)行操作。通過鑄鐵和低碳鋼的力學(xué)性能實驗，讓學(xué)生掌握了實驗的方法，對相應(yīng)的理論有了深入的了解。以后面對復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，理論不易判斷時，同樣也可以通過實驗來尋求答案。

[1]鮑俊，黃慧春.工程力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]單輝祖.材料力學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]劉鴻文.簡明材料力學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2008.

范志毅（1978-），女，講師，碩士，研究方向為固體力學(xué)。