模块3 练习题 · 机械工程材料

洛氏硬度压痕小、不损伤成品表面，且可直接读数，最适合测淬火钢件。布氏硬度压痕大，多用于毛坯或退火件。

这五项是选材与强度校核的基本依据，其中强度与塑性由拉伸试验测定，硬度用硬度计测定，冲击韧性用冲击试验测定。

硬度与塑性、韧性一般呈相反趋势：硬度越高，塑性、韧性越差、越脆。因此淬火后必须回火，在硬度与韧性之间取得平衡。

工艺性能指铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理工艺性，反映材料加工成形的难易；强度属力学性能，耐蚀性属化学性能，导电性属物理性能。

① 硬度直接反映耐磨性与使用寿命；② 硬度与强度有一定对应关系，可间接估计强度；③ 硬度试验简便、不破坏零件，可在成品上直接检验；④ 硬度能反映热处理工艺是否达到要求，是质量控制的重要指标。

Q 是“屈”的汉语拼音首字母。Q235 是最常用的普通碳素结构钢，广泛用于型钢、钢板、焊接结构件。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示平均含碳量的万分数，“45”即 0.45%。45 钢调质后综合力学性能好，广泛用于轴、齿轮、连杆。

铸铁牌号用强度表示（HT 为“灰铁”拼音首字母）。灰铸铁抗拉强度低但抗压强度高、减振性好，适合做机床床身、箱体。

20CrMnTi 是合金渗碳钢，渗碳淬火后表面硬度高、耐磨，心部保持良好韧性，能承受冲击与交变载荷，是汽车、拖拉机齿轮的典型用材。

含碳量增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。低碳钢易焊接，中碳钢综合性能好，高碳钢用于工具、弹簧、刃具。

球墨铸铁中的石墨呈球状，对基体的割裂作用小、应力集中轻，因此强度、塑性和韧性都明显高于灰铸铁，可部分代替钢制造受力件（如曲轴、凸轮轴、齿轮）；灰铸铁减振性、铸造性和切削性好、成本低，适合机床床身、箱体、底座等承压不承拉的结构件。

相图上 E 点对应 2.11% C，是奥氏体的最大溶碳量，也是钢与铸铁的分界。＜2.11% 为钢，＞2.11% 为铸铁。

共析转变：奥氏体 → 铁素体 + 渗碳体，两者交替片状排列即珠光体。PSK 线（A₁）是退火、淬火加热温度的重要参考线。

亚共析钢（＜0.77% C）的室温组织是铁素体 + 珠光体；过共析钢才是珠光体 + 二次渗碳体。组织判断错误会直接导致热处理加热温度选错。

渗碳体（Fe₃C）含碳 6.69%，硬而脆，硬度最高；铁素体最软，奥氏体塑性最好，珠光体居中。钢的硬度随渗碳体数量增加而升高。

过共析钢在 A₁ 以上加热时组织为奥氏体 + 未溶二次渗碳体，保留细小的渗碳体颗粒可提高耐磨性；若加热到 A_cm 以上全部奥氏体化，渗碳体全部溶解，奥氏体含碳量过高、晶粒粗大，淬火后残余奥氏体增多、脆性增大，且易过热开裂，反而降低使用性能。

淬火得到马氏体，硬度高但内应力大、脆性大，若不及时回火极易变形开裂。回火温度决定最终性能：低温保硬度、中温得弹性、高温得综合性能。

调质后组织为回火索氏体，强度、塑性、韧性配合良好，是轴类、齿轮、连杆等零件最常用的热处理工艺。

中温回火（350～500 ℃）得到回火托氏体，具有高的弹性极限和屈服强度，正适合弹簧；低温回火用于刀具量具，高温回火用于轴类。

退火为炉冷（最慢），正火为空冷（较快）。正火可细化晶粒、提高强度硬度，常作预备热处理；对低碳钢，正火可代替退火作为最终热处理。

表面淬火适用于中碳钢、中碳合金钢（如 45、40Cr）；渗碳适用于低碳钢、低碳合金钢（如 20、20CrMnTi），渗碳后表层高碳再淬火，硬化层更深、更耐磨。

淬火后组织为马氏体，硬度很高但内应力极大、脆性大，直接使用容易变形或开裂，必须回火消除应力并调整性能。
常见缺陷：变形与开裂、氧化与脱碳、硬度不足或软点、过热与过烧（晶粒粗大甚至晶界熔化，无法挽救）。

H 是“黄”的拼音首字母，表示黄铜（铜锌合金），62 表示铜的平均含量约 62%。黄铜塑性好、易加工、耐蚀，用于轴套、散热管、装饰件。

防锈铝（如 5A02）耐蚀可焊；硬铝（如 2A12）强度高、可时效强化，用于飞机蒙皮；超硬铝（如 7A04）强度最高，用于航空受力件。

巴氏合金（轴承合金）摩擦因数小、嵌藏性与跑合性好，但强度低、价格高，不能单独承载，通常浇铸在钢或铸铁瓦背上形成薄层（0.5～3 mm）使用。

① 密度小（约钢的 1/3），可显著减轻结构重量、降低能耗；② 比强度高，经合金化与时效处理后强度接近甚至超过普通钢；③ 耐大气腐蚀，表面自然形成致密氧化膜；④ 导电导热好、易挤压与压铸成形，适合大批量生产；⑤ 低温性能好、无磁性。缺点是弹性模量低、耐热性差、焊接与切削需专门工艺。

酚醛塑料固化后形成网状结构，受热不再软化，属热固性塑料，耐热、刚性大，用于电器绝缘件、手柄。PE、PVC、PA 均为热塑性塑料，可反复加热成形。

尼龙自润滑性好、噪声低、重量轻，适合轻载、低速、无润滑或洁净场合的传动件；缺点是吸水性大、尺寸稳定性差、耐热性低。

玻璃钢是玻璃纤维增强塑料（GFRP），基体是树脂、增强相是玻璃纤维，不含钢。其比强度高、耐蚀、可整体成形，用于船体、储罐、罩壳。

形状记忆合金在某一温度下发生塑性变形后，加热到特定温度能恢复到变形前的形状（形状记忆效应），本质是热弹性马氏体相变；普通金属塑性变形后不能自行恢复。
应用：管接头（低温扩径装配，升温后收缩抱紧）、温控开关、医疗器械血管支架、航天展开机构。

T10 为碳素工具钢（含碳约 1.0%），淬火 + 低温回火后硬度高（HRC60 以上）、耐磨，适合制造手用工具；Q235 太软，45 钢硬度不足，20CrMnTi 为渗碳钢。

这是铁碳合金的基本规律：渗碳体增多使硬度和强度上升，但塑性、韧性下降；含碳量超过约 0.9% 后，强度反而因网状渗碳体而下降。

三个阶段的温度与速度决定了最终组织与性能。例如淬火的关键是冷却速度必须大于临界冷却速度，以获得马氏体。

床身要求良好的减振性、铸造性、切削性和低成本，且主要承受压应力，灰铸铁最合适；钢的减振性差、成本高，铝刚度不足。

45 钢为亚共析钢（0.45% C），室温平衡组织是 F + P；调质（淬火 + 高温回火）得到回火索氏体，综合力学性能好。

渗碳适用于低碳钢和低碳合金钢（含碳 0.15%～0.25%），使表层增碳后淬火硬化，心部保持低碳的韧性；中碳钢、高碳钢本身含碳已高，应选表面淬火。

Q345 是低合金高强度结构钢（屈服强度 345 MPa）；HT（灰铸铁）、QT（球墨铸铁）、KT（可锻铸铁）都是铸铁牌号，代号首字母即为其类别。

渗碳使表层含碳量提高到 0.8%～1.0%，淬火后表层得到高碳马氏体（HRC58～62），心部为低碳马氏体或铁素体 + 珠光体，韧性好；低温回火消除应力、保留硬度。

适用：轻载、低速、耐蚀、绝缘、减摩、免润滑的零件（齿轮、轴套、外壳、管道、密封件），可减轻重量、降低成本、简化装配。
限制：强度与刚度低、耐热性差（一般＜100 ℃）、易蠕变与老化、导热性差、尺寸稳定性不如金属，不能用于高温、重载、高精度场合。

① 普通螺栓——Q235 或 35 钢，强度足够、成本低、易加工；
② 板弹簧——60Si2Mn 弹簧钢，淬火 + 中温回火获得高弹性极限和疲劳强度；
③ 轴瓦——ZSnSb11Cu6 巴氏合金（或铜合金），减摩、嵌藏性好、易跑合；
④ 机床床身——HT200 灰铸铁，减振性好、铸造性好、成本低，适合承压结构件。