铸铁和低碳钢力学性能实验探讨

范志毅

【摘 要】铸铁和低碳钢力学性能实验是材料力学课程中重要内容。将铸铁和低碳钢力学性能的抽象概念，通过实验呈现出来。如何提高实验的教学效果，使实验内容更加丰富，改变灌输式教学，启发学生独立思考，培养学生的动手能力，创新思维，对实验教学的思路和方法提出了一些建议。

【关键词】铸铁；低碳钢；实验教学

材料力学是高等学校工科类专业的一门重要专业基础课。材料力学概念抽象，理论性强，但目前理论教学课时数普遍压缩，理论与实验相结合是加强学生对概念和理论理解的有效途径。材料力学课程中的力学性能实验采用铸铁试件和低碳钢试件进行。铸铁是脆性材料的代表，低碳钢是塑性材料的代表。实验通过对铸铁和低碳钢进行压缩、拉伸、扭转，让学生掌握力学性能的检测方法，观察实验现象，比较两种材料的力学性能，加强对相关理论的理解。

实验教学过程中，往往学生只是按照教师或教材的指导机械地完成操作，对于实验目的、实验现象所反映的问题缺乏深入的思考，多数学生只知其然不知其所以然，实验不能很好地达到理论联系实际的效果。为改变这样的状况，在实验的每一个环节都要注意引导学生，启发思考，经过反复的教学实践，提出了一些体会。

1.实验前的准备

1.1试件的分辨和取用。铸铁和低碳钢试件看上去一样。铸铁试件落地声音沉闷，低碳钢落地的声音清脆。为什么两者的落地声音不同？简单来说，铸铁含碳量高，低碳钢含碳量低，除了落地声音不同，力学性能也会有很大的差别。接下来的实验就是深入发现两者的区别。通过这样启发式的提问，引发学生的兴趣。然后要求学生自己取用试件，发现不少学生会反复将试件掷地听声，显然是激发了他们的探索的兴趣。

1.2试件上绘制辅助线。压缩、拉伸、扭转实验一般是分组进行，一组有3-4个学生，每个学生各有分工，有的读数据，有的记数据，有的操作。如果实验现象不是很明显，在实验过程中不能有效地观察到，只有回去处理实验数据时再分析。在铸铁和低碳钢扭转实验中，不是一直盯着试件，肉眼上看不到两种材料试件破坏时变形有很大的区别。在扭转实验前，可以要求学生在试件沿轴线方向用红色粉笔绘制一条平行于轴线的直线，扭转实验中就可以直接观测到绘制直线的变形。破坏时，铸铁上的辅助线扭转的角度不大，而低碳钢很清晰地看到绘制的直线变成了螺旋线，这样使实验现象更为直观。

1.3实验前要先讲解相关的理论。分析试件的应力状态，让学生计算最大拉应力和最大剪应力，及其所在的斜截面位置。根据强度理论让学生判断试件破坏时断口的形态和位置。铸铁和低碳钢的力学性能检测实验是验证实验，学生在实验前通过计算，对试件的破坏形式有个预先的判断，可以引导学生的探索精神，在实验中的观测更有方向。通过实验验证了预期的破坏形式，也会使学生加深对理论的理解和应用。

2.实验操作

2.1强调实验安全问题。尤其是压缩实验，误操作可能会损坏试验机或者危及学生安全。实验室一般贴有操作规程，学生要熟知，做到心中有数，按键的功能作用明确。每小组确定一名组长负责管理和工作分配。

2.2强调操作规范的重要性。如试件的安装、实验的顺序、加载的速度等。通常是先对铸铁试件进行实验，然后是低碳钢试件。加载速度不宜过快，便于实验数据的读取，如果加载速度过快，试件的变形滞后于加在其上的荷载，也会导致测出的强度值会大于材料的实际强度。

2.3强调注意关键节点。每次实验数据的读取，要注意几个关键的节点，以免错过。拉伸实验中铸铁的破坏、低碳钢的屈服及破坏；压缩实验中低碳钢的屈服、铸铁的破坏；扭转实验中铸铁的破坏、低碳钢的屈服及破坏。以上都是要注意的节点，特别是低碳钢的屈服，稍不注意，就容易错过。而且是否有屈服阶段也是铸铁和低碳钢力学性能的一个重要区别。把握好关键的节点也是实验顺利完成的关键。

2.4断口的形态和位置的观测。除了低碳钢的压缩实验，每次实验完成，要求学生及时观测断口的形态和位置，与预期的进行比较。断口平整还是粗糙，思考试件是由什么应力导致的破坏，与根据理论计算断口上的应力状态是不是相符。

3.实验现象分析及思考

3.1压缩实验中由于铸铁试件在破坏时有可能飞出来，所以一般该实验由教师演示完成。学生能观察到铸铁受压时在很小塑性变形下发生破坏，试件出现与横截面呈45o～50o的斜裂纹。只能测量铸铁压缩的强度极限。铸铁的断口较为平整，实际上是发生了剪切破坏。低碳钢试件由原来圆柱形逐渐地变成鼓状，继续不断加压，试件愈压愈扁抗压能力不断增大，最后成饼状无法测出压缩的强度极限。压缩实验虽然是演示实验，往往安排在拉伸和扭转实验之前。要求学生随同教师一起记录数据，并根据数据完成实验报告。在实验中详细讲解操作步骤及注意事项，及时引导学生观察试件的变化，不仅可以使学生熟悉实验操作，而且可以看到脆性材料和塑性材料两者的显著区别，为接下来的实验做好准备。实验结束后让学生计算铸铁断口的应力状态，可得到断口是最大切应力所在斜面，这与断口平整的实验现象相符，理论与实验进行了相互的验证。

3.2拉伸实验要求测量铸铁的强度极限。根据实验数据绘制拉伸曲线（P-⊿L曲线），铸铁的拉伸曲线没有明显的屈服阶段，塑性变形比较小。要求低碳钢的屈服极限、强度极限、延伸率、断面收缩率，并绘制拉伸曲线（P-⊿L曲线）。要求学生绘制拉伸图，要注意低碳钢的四个阶段不同的线形。重点是比较两者的拉伸图，同时要求学生将低碳钢的延伸率、断面收缩率与教材里塑性材料的定义进行比较。

3.3扭转实验中低碳钢破坏时的扭转角远大于铸铁的扭转角，低碳钢的塑性要大于铸铁。铸铁沿与横截面呈45o～50o的斜截面破坏，断口表面粗糙，是拉应力导致的破坏。低碳钢沿横截面破坏，断口表面平整，是剪应力导致破坏。可以要求学生处理数据时，计算出铸铁破坏时的最大拉应力和与拉伸实验铸铁破坏的拉应力进行比较。虽然两个实验中铸铁的受力方式不同，但最终导致破坏的都是拉应力。这样不仅可以让学生温习不同应力状态下最大拉应力的计算方法，还可以加深对强度理论的理解。

4.结语

铸铁和低碳钢的材料力学实验是材料力学课程中的重要实践环节。材料力学是研究材料破坏的科学。在理论学习中会有一些假设和理论比较抽象，可以通过实验可以进行验证。实验不仅培养了学生们的动手能力，还提升了用实验解决实际问题的能力。在铸铁和低碳钢实验中注重引导学生觀察和思考，注意理论讲解的时机。要求学生再熟悉操作步骤和要点后，再进行操作。通过铸铁和低碳钢的力学性能实验，让学生掌握了实验的方法，对相应的理论有了深入的了解。以后面对复杂的应力状态，理论不易判断时，同样也可以通过实验来寻求答案。

参考文献：

[1]鲍俊，黄慧春.工程力学[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]单辉祖.材料力学教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]刘鸿文.简明材料力学[M].2版.北京：高等教育出版社，2008.endprint