关于材料力学拉伸实验样品制造方式的改革

方涛 杨凤双 于捷 朴英锡

摘 要：目前，材料力学拉伸实验样品主要是购买或者是订购的，而拉伸实验是一项破坏性实验，因此每年需要大量的试件样品。而金工实习中车床操作的小锤柄的技术难度远高于拉伸实验样品，所以学生完全可以在完成小锤柄的工作之后，再加工一个拉伸试样，这样可以大大降低实验成本，还能提高学生在工程训练中操作的积极性。

关键词：拉伸试样 车工 材料力学拉伸实验

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（b）-0201-03

在人们运用材料进行建筑、工业生产的过程中，需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究，这就催生了材料力学。《材料力学》课程在高等工科院校机械类各专业的教学计划中，是一门重要的必修专业基础课，也是大多数机械专业考研的专业课之一。其主要任务是使学生掌握固体材料在承受各种载荷时的力学性能，研究实际工程构件在外力作用下产生变形和破坏的规律，为构件的合理设计提供必要的理论基础和计算方法。

1 力学拉伸实验

材料的一些力学性能是指在力的作用下，材料在变形、强度等方面表现出的一些特性，如弹性极限、屈服极限、强度极限、弹性模量、疲劳极限、冲击韧性等。这些强度指标或参数都是构件强度、刚度和稳定性计算的依据，而它们一般要通过实验来测定。此外，经过简化得出的理论是否可信，也要由实验来验证。还有一些尚无理论结果的问题，也要借助实验的方法来解决。所以，实验分析是材料力学解决问题的方法。因此，实验课是《材料力学》课程的重要环节，它与理论教学同等重要[1]。

生产实践中，经常会遇见承受拉伸的杆件，研究材料拉伸时的力学性能具有普遍代表意义。拉伸实验是力学中一个重要试验，研究其改革方式和方法是很有必要的[2]。低碳钢在工程中应用较广，在拉伸实验中表现出的力学性能最为典型，而灰铸铁是典型的脆性材料。在实验中，通过对代表塑性材料的低碳钢和代表脆性材料的灰铸铁进行研究，分析比较两种材料拉伸情况下变形的区别，从而掌握材料的机械性能。为了便于比较不同材料的实验结果，对试样的形状、加工精度、加载速度、实验环境等，国家标准都有统一规定，我们在实验中使用的试样尺寸，如图1所示。

实验目的是学生测定低碳钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和斷面收缩率。屈服强度和抗拉强度是材料的强度指标，而断后伸长率和断面收缩率是材料的塑性指标。低碳钢在拉伸过程会表现出典型塑性材料的力学性能，其拉伸曲线，如图2所示，观察其在拉伸过程中的变形和破坏特征有助于学生直观理解塑性和脆性行为。

拉伸实验是一个破坏性试验，要求每个同学都操作，也就是每个同学需要一个拉伸试样，这个样品的需求量是巨大的。目前，我们的试样主要是零散购买或者学校统一进行订购，Q235拉伸Φ10试样每个约为15元左右，我们学院每年的机械新生约300人，因此这一项每年支出约为4500元。

2 工程训练项目

对于工科学生来说，金工实习是一门实践性技术基础课，工程训练项目包括车工、钳工、铣工、刨工、磨工、铸造、锻造和焊接等工种。训练以常规机械加工技术和现代加工技术为主线，从基础实践入门，通过示教示范、实践加工和综合创新制作，形成一系列完整的教学平台，使学生初步了解工业生产的基本过程，为后续的专业课和工作打下基础。车削加工是切削加工中最长用的一种加工方法，通过实习使学生初步了解车床的基本机构，对车削加工常见的加工方法和工业特点有一定了解。通过自己的实践达到以下要求：（1）了解车削加工的基本知识，车削加工的工艺特点及加工范围；（2）了解车床型号及种类，掌握卧式车床名称、主要组成部分及其作用；（3）了解零件加工精度，切削用量和加工经济性的相互关系；（4）掌握外圆、端面、钻中心孔、切槽、滚花、圆锥的加工操作方法；（5）了解车床的保养和安全操作。我们目前的车工操作任务是要求每个学生做一个小锤柄，操作时间是4学时。具体的操作步骤如下：夹紧Φ18的毛坯进行粗车加工到Φ10，车端面，端面顶尖打孔；再掉头粗车到尺寸Φ17，再粗车Φ8， Φ11留余量；进行精车加工各轴段到Φ16。再按轴的尺寸进行滚花、打斜面1：10的锥度；精车Φ11，Φ8最后套螺纹。这个操作过程中涉及到车外圆、车端面、钻中心孔、切槽、滚花、车圆锥等工序。由此可见，小锤柄的加工难度远大于拉伸试样的加工难度。因此我们完全可以在学生完成小锤柄的工作之后，让学生每人自己加工一个拉伸试样。

3 创新式力学拉伸实验与工程训练相结合

低碳钢具有较好的塑性，因此在车床上切削加工较容易，在加工拉伸试样之前老师需要考虑的问题如下。根据要加工做拉伸实验试样批量的大小，确定生产类型，然后对试件进行工艺分析。工艺分析中我们应掌握试件的结构形状是阶梯轴，材料为Q235，硬度及热处理等情况，分析试件有哪些表面需要加工，以及各表面的尺寸精度、形状精度、位置精度及表面粗糙度等的要求。试件的材料在产品设计中已经确定，毛坯制造方法的选择也很重要。在机械加工中，毛坯种类很多，如锻件、铸件、型材、冲压件等。拉伸试件材料是低碳钢，低碳钢的锻造性能好，我们的试件是阶梯轴类零件，各台阶直径相差不大，故采用型材中的棒料。拟定工艺路线，首先是定位基准的选择，试件以一个加工端面为定位基准，这样可以避免由于基准不重合而出现的定位误差。试件在拉伸的过程中，拉伸实验机的上卡头和下卡头装夹试件两端，试件两端面Φ15轴应是同轴的，我们选一次装夹就可以完成。这样我们选三爪自定心卡盘定位夹紧工件，车右端面定基准，床尾固定顶尖夹紧，车外圆进行加工，分粗加工、半精加工、精加工至尺寸Φ15，车外圆Φ10至尺寸粗糙度Ra3.2，进行倒圆角，之后切断。材料选择低碳钢，直径为Φ16的棒料。其车工具体操作工艺卡片如图3所示。

学生完全可以在完成小锤柄的前提下，用4个学时完成这项工作。通过学生自己做试样，每个样品的成本降低为棒料的成本，每个Q235毛坯约为1元，价格是购买现成实验试件的十五分之一，这使实验成本大大降低，省下的实验经费完全可以用于购买其他实验仪器。

4 结语

学校对实验课的操作非常重视，实验课成绩占《材料力学》总成绩的10%，而且对于缺习实验成绩者，课程不予通过。因此，每个学生对于这项操作会非常重视，这样一个试样的操作直接会影响到《材料力学》实验的成绩，如果完成不了，导致没有《材料力学》课程的成绩。反过来，这也能够提高学生在车工工种的操作积极性，让学生意识到如果车工学习不积极，直接导致样品加工不合格，最后会导致力学实验的失败。另外，通过自己加工样品，学生能够更好的理解粗糙度、材料种类对力学性能的影响。根据这些结果，实验老师甚至于可以做一个开放性的课题，让学生在操作过程中加深对课程内容的理解。我单位的实习工厂直接隶属于机械与车辆工程学院，这项改革工作的推进在我单位是非常便利的，这样一件双赢的工作相信一定会引起学院领导的重视。

我们探讨了在金工实习中，学生自己完成《材料力学》拉伸实验样品的改革。这项工作能够大大降低实验成本，并且调动学生金工实习操作的积极性和材料力学学习的主动性。

参考文献

[1] 刘均.材料力学课程体系改革的研究与实践[J].东北大学学报：社会科学版，2000（3）：217-219.

[2] 孙建国.关于材料力学实验教学改革的设想[J].力学与实践，2004（3）：88-89.

[3] 赖基平.新型复合材料集装箱地板的分层特性研究[D].华南理工大学，2015.