鑄鐵和低碳鋼力學性能實驗探討

范志毅 / 上海工程技術大學機械工程學院

鑄鐵和低碳鋼力學性能實驗探討

范志毅 / 上海工程技術大學機械工程學院

鑄鐵和低碳鋼力學性能實驗是材料力學課程中重要內容。將鑄鐵和低碳鋼力學性能的抽象概念，通過實驗呈現出來。如何提高實驗的教學效果，使實驗內容更加豐富，改變灌輸式教學，啟發學生獨立思考，培養學生的動手能力，創新思維，對實驗教學的思路和方法提出了一些建議。

鑄鐵；低碳鋼；實驗教學

材料力學是高等學校工科類專業的一門重要專業基礎課。材料力學概念抽象，理論性強，但目前理論教學課時數普遍壓縮，理論與實驗相結合是加強學生對概念和理論理解的有效途徑。材料力學課程中的力學性能實驗采用鑄鐵試件和低碳鋼試件進行。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行壓縮、拉伸、扭轉，讓學生掌握力學性能的檢測方法，觀察實驗現象，比較兩種材料的力學性能，加強對相關理論的理解。

實驗教學過程中，往往學生只是按照教師或教材的指導機械地完成操作，對于實驗目的、實驗現象所反映的問題缺乏深入的思考，多數學生只知其然不知其所以然，實驗不能很好地達到理論聯系實際的效果。為改變這樣的狀況，在實驗的每一個環節都要注意引導學生，啟發思考，經過反復的教學實踐，提出了一些體會。

1.實驗前的準備

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，力學性能也會有很大的差別。接下來的實驗就是深入發現兩者的區別。通過這樣啟發式的提問，引發學生的興趣。然后要求學生自己取用試件，發現不少學生會反復將試件擲地聽聲，顯然是激發了他們的探索的興趣。

1.2試件上繪制輔助線。壓縮、拉伸、扭轉實驗一般是分組進行，一組有3-4個學生，每個學生各有分工，有的讀數據，有的記數據，有的操作。如果實驗現象不是很明顯，在實驗過程中不能有效地觀察到，只有回去處理實驗數據時再分析。在鑄鐵和低碳鋼扭轉實驗中，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別。在扭轉實驗前，可以要求學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，這樣使實驗現象更為直觀。

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

2.實驗操作

2.1強調實驗安全問題。尤其是壓縮實驗，誤操作可能會損壞試驗機或者危及學生安全。實驗室一般貼有操作規程，學生要熟知，做到心中有數，按鍵的功能作用明確。每小組確定一名組長負責管理和工作分配。

2.2強調操作規范的重要性。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行實驗，然后是低碳鋼試件。加載速度不宜過快，便于實驗數據的讀取，如果加載速度過快，試件的變形滯后于加在其上的荷載，也會導致測出的強度值會大于材料的實際強度。

2.3強調注意關鍵節點。每次實驗數據的讀取，要注意幾個關鍵的節點，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性能的一個重要區別。把握好關鍵的節點也是實驗順利完成的關鍵。

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

3.實驗現象分析及思考

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。學生能觀察到鑄鐵受壓時在很小塑性變形下發生破壞，試件出現與橫截面呈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實驗之前。要求學生隨同教師一起記錄數據，并根據數據完成實驗報告。在實驗中詳細講解操作步驟及注意事項，及時引導學生觀察試件的變化，不僅可以使學生熟悉實驗操作，而且可以看到脆性材料和塑性材料兩者的顯著區別，為接下來的實驗做好準備。實驗結束后讓學生計算鑄鐵斷口的應力狀態，可得到斷口是最大切應力所在斜面，這與斷口平整的實驗現象相符，理論與實驗進行了相互的驗證。

3.3扭轉實驗中低碳鋼破壞時的扭轉角遠大于鑄鐵的扭轉角，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，是拉應力導致的破壞。低碳鋼沿橫截面破壞，斷口表面平整，是剪應力導致破壞。可以要求學生處理數據時，計算出鑄鐵破壞時的最大拉應力和與拉伸實驗鑄鐵破壞的拉應力進行比較。雖然兩個實驗中鑄鐵的受力方式不同，但最終導致破壞的都是拉應力。這樣不僅可以讓學生溫習不同應力狀態下最大拉應力的計算方法，還可以加深對強度理論的理解。

4.結語

鑄鐵和低碳鋼的材料力學實驗是材料力學課程中的重要實踐環節。材料力學是研究材料破壞的科學。在理論學習中會有一些假設和理論比較抽象，可以通過實驗可以進行驗證。實驗不僅培養了學生們的動手能力，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學生觀察和思考，注意理論講解的時機。要求學生再熟悉操作步驟和要點后，再進行操作。通過鑄鐵和低碳鋼的力學性能實驗，讓學生掌握了實驗的方法，對相應的理論有了深入的了解。以后面對復雜的應力狀態，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[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]單輝祖.材料力學教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]劉鴻文.簡明材料力學[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。