關于材料力學拉伸實驗樣品制造方式的改革

方濤 楊鳳雙 于捷 樸英錫

摘 要：目前，材料力學拉伸實驗樣品主要是購買或者是訂購的，而拉伸實驗是一項破壞性實驗，因此每年需要大量的試件樣品。而金工實習中車床操作的小錘柄的技術難度遠高于拉伸實驗樣品，所以學生完全可以在完成小錘柄的工作之后，再加工一個拉伸試樣，這樣可以大大降低實驗成本，還能提高學生在工程訓練中操作的積極性。

關鍵詞：拉伸試樣 車工 材料力學拉伸實驗

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（b）-0201-03

在人們運用材料進行建筑、工業生產的過程中，需要對材料的實際承受能力和內部變化進行研究，這就催生了材料力學。《材料力學》課程在高等工科院校機械類各專業的教學計劃中，是一門重要的必修專業基礎課，也是大多數機械專業考研的專業課之一。其主要任務是使學生掌握固體材料在承受各種載荷時的力學性能，研究實際工程構件在外力作用下產生變形和破壞的規律，為構件的合理設計提供必要的理論基礎和計算方法。

1 力學拉伸實驗

材料的一些力學性能是指在力的作用下，材料在變形、強度等方面表現出的一些特性，如彈性極限、屈服極限、強度極限、彈性模量、疲勞極限、沖擊韌性等。這些強度指標或參數都是構件強度、剛度和穩定性計算的依據，而它們一般要通過實驗來測定。此外，經過簡化得出的理論是否可信，也要由實驗來驗證。還有一些尚無理論結果的問題，也要借助實驗的方法來解決。所以，實驗分析是材料力學解決問題的方法。因此，實驗課是《材料力學》課程的重要環節，它與理論教學同等重要[1]。

生產實踐中，經常會遇見承受拉伸的桿件，研究材料拉伸時的力學性能具有普遍代表意義。拉伸實驗是力學中一個重要試驗，研究其改革方式和方法是很有必要的[2]。低碳鋼在工程中應用較廣，在拉伸實驗中表現出的力學性能最為典型，而灰鑄鐵是典型的脆性材料。在實驗中，通過對代表塑性材料的低碳鋼和代表脆性材料的灰鑄鐵進行研究，分析比較兩種材料拉伸情況下變形的區別，從而掌握材料的機械性能。為了便于比較不同材料的實驗結果，對試樣的形狀、加工精度、加載速度、實驗環境等，國家標準都有統一規定，我們在實驗中使用的試樣尺寸，如圖1所示。

實驗目的是學生測定低碳鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率。屈服強度和抗拉強度是材料的強度指標，而斷后伸長率和斷面收縮率是材料的塑性指標。低碳鋼在拉伸過程會表現出典型塑性材料的力學性能，其拉伸曲線，如圖2所示，觀察其在拉伸過程中的變形和破壞特征有助于學生直觀理解塑性和脆性行為。

拉伸實驗是一個破壞性試驗，要求每個同學都操作，也就是每個同學需要一個拉伸試樣，這個樣品的需求量是巨大的。目前，我們的試樣主要是零散購買或者學校統一進行訂購，Q235拉伸Φ10試樣每個約為15元左右，我們學院每年的機械新生約300人，因此這一項每年支出約為4500元。

2 工程訓練項目

對于工科學生來說，金工實習是一門實踐性技術基礎課，工程訓練項目包括車工、鉗工、銑工、刨工、磨工、鑄造、鍛造和焊接等工種。訓練以常規機械加工技術和現代加工技術為主線，從基礎實踐入門，通過示教示范、實踐加工和綜合創新制作，形成一系列完整的教學平臺，使學生初步了解工業生產的基本過程，為后續的專業課和工作打下基礎。車削加工是切削加工中最長用的一種加工方法，通過實習使學生初步了解車床的基本機構，對車削加工常見的加工方法和工業特點有一定了解。通過自己的實踐達到以下要求：（1）了解車削加工的基本知識，車削加工的工藝特點及加工范圍；（2）了解車床型號及種類，掌握臥式車床名稱、主要組成部分及其作用；（3）了解零件加工精度，切削用量和加工經濟性的相互關系；（4）掌握外圓、端面、鉆中心孔、切槽、滾花、圓錐的加工操作方法；（5）了解車床的保養和安全操作。我們目前的車工操作任務是要求每個學生做一個小錘柄，操作時間是4學時。具體的操作步驟如下：夾緊Φ18的毛坯進行粗車加工到Φ10，車端面，端面頂尖打孔；再掉頭粗車到尺寸Φ17，再粗車Φ8， Φ11留余量；進行精車加工各軸段到Φ16。再按軸的尺寸進行滾花、打斜面1：10的錐度；精車Φ11，Φ8最后套螺紋。這個操作過程中涉及到車外圓、車端面、鉆中心孔、切槽、滾花、車圓錐等工序。由此可見，小錘柄的加工難度遠大于拉伸試樣的加工難度。因此我們完全可以在學生完成小錘柄的工作之后，讓學生每人自己加工一個拉伸試樣。

3 創新式力學拉伸實驗與工程訓練相結合

低碳鋼具有較好的塑性，因此在車床上切削加工較容易，在加工拉伸試樣之前老師需要考慮的問題如下。根據要加工做拉伸實驗試樣批量的大小，確定生產類型，然后對試件進行工藝分析。工藝分析中我們應掌握試件的結構形狀是階梯軸，材料為Q235，硬度及熱處理等情況，分析試件有哪些表面需要加工，以及各表面的尺寸精度、形狀精度、位置精度及表面粗糙度等的要求。試件的材料在產品設計中已經確定，毛坯制造方法的選擇也很重要。在機械加工中，毛坯種類很多，如鍛件、鑄件、型材、沖壓件等。拉伸試件材料是低碳鋼，低碳鋼的鍛造性能好，我們的試件是階梯軸類零件，各臺階直徑相差不大，故采用型材中的棒料。擬定工藝路線，首先是定位基準的選擇，試件以一個加工端面為定位基準，這樣可以避免由于基準不重合而出現的定位誤差。試件在拉伸的過程中，拉伸實驗機的上卡頭和下卡頭裝夾試件兩端，試件兩端面Φ15軸應是同軸的，我們選一次裝夾就可以完成。這樣我們選三爪自定心卡盤定位夾緊工件，車右端面定基準，床尾固定頂尖夾緊，車外圓進行加工，分粗加工、半精加工、精加工至尺寸Φ15，車外圓Φ10至尺寸粗糙度Ra3.2，進行倒圓角，之后切斷。材料選擇低碳鋼，直徑為Φ16的棒料。其車工具體操作工藝卡片如圖3所示。

學生完全可以在完成小錘柄的前提下，用4個學時完成這項工作。通過學生自己做試樣，每個樣品的成本降低為棒料的成本，每個Q235毛坯約為1元，價格是購買現成實驗試件的十五分之一，這使實驗成本大大降低，省下的實驗經費完全可以用于購買其他實驗儀器。

4 結語

學校對實驗課的操作非常重視，實驗課成績占《材料力學》總成績的10%，而且對于缺習實驗成績者，課程不予通過。因此，每個學生對于這項操作會非常重視，這樣一個試樣的操作直接會影響到《材料力學》實驗的成績，如果完成不了，導致沒有《材料力學》課程的成績。反過來，這也能夠提高學生在車工工種的操作積極性，讓學生意識到如果車工學習不積極，直接導致樣品加工不合格，最后會導致力學實驗的失敗。另外，通過自己加工樣品，學生能夠更好的理解粗糙度、材料種類對力學性能的影響。根據這些結果，實驗老師甚至于可以做一個開放性的課題，讓學生在操作過程中加深對課程內容的理解。我單位的實習工廠直接隸屬于機械與車輛工程學院，這項改革工作的推進在我單位是非常便利的，這樣一件雙贏的工作相信一定會引起學院領導的重視。

我們探討了在金工實習中，學生自己完成《材料力學》拉伸實驗樣品的改革。這項工作能夠大大降低實驗成本，并且調動學生金工實習操作的積極性和材料力學學習的主動性。

參考文獻

[1] 劉均.材料力學課程體系改革的研究與實踐[J].東北大學學報：社會科學版，2000（3）：217-219.

[2] 孫建國.關于材料力學實驗教學改革的設想[J].力學與實踐，2004（3）：88-89.

[3] 賴基平.新型復合材料集裝箱地板的分層特性研究[D].華南理工大學，2015.