金屬材料與熱處理試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列金屬中，室溫下具有面心立方晶格的是（）A.α-FeB.純鋁C.純鉻D.鎢答案：B解析：α-Fe（體心立方）、純鋁（面心立方）、純鉻（體心立方）、鎢（體心立方），面心立方常見金屬有Al、Cu、Ni等。2.鋼的淬透性主要取決于（）A.冷卻介質(zhì)B.工件尺寸C.鋼的化學(xué)成分D.加熱溫度答案：C解析：淬透性是鋼的固有屬性，由化學(xué)成分（尤其是合金元素）決定，冷卻介質(zhì)和工件尺寸影響淬硬層深度（淬硬性）。3.鑄鐵中石墨形態(tài)為片狀時(shí)，其材料類型為（）A.灰鑄鐵B.可鍛鑄鐵C.球墨鑄鐵D.蠕墨鑄鐵答案：A解析：灰鑄鐵石墨呈片狀，可鍛鑄鐵為團(tuán)絮狀，球墨鑄鐵為球狀，蠕墨鑄鐵為蠕蟲狀。4.下列熱處理工藝中，屬于表面熱處理的是（）A.完全退火B(yǎng).滲碳淬火C.調(diào)質(zhì)處理D.球化退火答案：B解析：表面熱處理包括表面淬火和化學(xué)熱處理（如滲碳、滲氮），其他選項(xiàng)為整體熱處理。5.馬氏體的硬度主要取決于（）A.合金元素含量B.冷卻速度C.含碳量D.奧氏體晶粒大小答案：C解析：馬氏體硬度隨含碳量增加而升高，合金元素主要影響淬透性，冷卻速度影響是否形成馬氏體。6.鐵碳合金中，含碳量為0.77%的鋼稱為（）A.亞共析鋼B.共析鋼C.過(guò)共析鋼D.工業(yè)純鐵答案：B解析：共析鋼含碳量為0.77%，亞共析鋼<0.77%，過(guò)共析鋼>0.77%，工業(yè)純鐵<0.0218%。7.下列材料中，適宜制造刀具（如鉆頭）的是（）A.Q235B.45鋼C.T12AD.20鋼答案：C解析：T12A為高碳工具鋼，硬度高、耐磨性好，適合制造刀具；Q235為低碳鋼，45鋼為中碳鋼，20鋼為低碳鋼，均不適合。8.鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理是（）A.固溶體晶格畸變B.第二相粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)C.晶粒細(xì)化D.馬氏體轉(zhuǎn)變答案：B解析：鋁合金時(shí)效后析出細(xì)小彌散的第二相粒子（如θ相），通過(guò)奧羅萬(wàn)機(jī)制阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。9.完全退火的加熱溫度是（）A.Ac1以上30-50℃B.Ac3以上30-50℃C.Accm以上30-50℃D.Ar1以下答案：B解析：完全退火用于亞共析鋼，加熱至Ac3以上30-50℃，獲得均勻奧氏體，冷卻后得到平衡組織。10.下列硬度測(cè)試方法中，適合測(cè)試薄鋼板表面硬度的是（）A.布氏硬度（HB）B.洛氏硬度（HRC）C.維氏硬度（HV）D.肖氏硬度（HS）答案：C解析：維氏硬度壓痕小，適合測(cè)試薄件或表面硬化層；布氏硬度壓痕大，不適合薄件；HRC適合較硬材料，HS用于大型工件。二、填空題（每空1分，共20分）1.純鐵在912℃以下的晶體結(jié)構(gòu)為______，稱為______；在912-1394℃的晶體結(jié)構(gòu)為______，稱為______。答案：體心立方；α-Fe；面心立方；γ-Fe2.鋼的熱處理工藝由______、______、______三個(gè)階段組成。答案：加熱；保溫；冷卻3.常見的淬火介質(zhì)有______、______、______（任填三種）。答案：水；油；鹽水4.球墨鑄鐵的石墨形態(tài)為______，其機(jī)械性能接近______。答案：球狀；鋼5.高速鋼的典型牌號(hào)是______，其熱處理工藝包括______、______和______。答案：W18Cr4V；退火；淬火；多次回火6.馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為______，其轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是______、______、______。答案：體心正方；無(wú)擴(kuò)散；切變共格；轉(zhuǎn)變不完全7.鐵碳合金相圖中，ES線稱為______，其意義是______。答案：固溶線（Acm線）；碳在奧氏體中的溶解度隨溫度變化的曲線三、判斷題（每題1分，共10分。正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）1.所有金屬在固態(tài)下都是晶體。（）答案：√解析：金屬鍵無(wú)方向性，原子傾向于緊密排列形成規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。2.退火的冷卻速度比正火快。（）答案：×解析：退火一般隨爐冷卻（緩慢），正火為空冷（較快）。3.過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性越高，C曲線越靠右。（）答案：√解析：C曲線右移表示過(guò)冷奧氏體孕育期延長(zhǎng)，穩(wěn)定性提高（如加入合金元素）。4.可鍛鑄鐵可以鍛造。（）答案：×解析：可鍛鑄鐵石墨為團(tuán)絮狀，改善了脆性，但仍不可鍛造，名稱僅表示其韌性優(yōu)于灰鑄鐵。5.表面淬火后必須進(jìn)行低溫回火。（）答案：√解析：表面淬火獲得馬氏體，存在內(nèi)應(yīng)力，低溫回火可消除應(yīng)力，穩(wěn)定組織，保持高硬度。6.合金元素均能提高鋼的淬透性。（）答案：×解析：大部分合金元素（如Cr、Mn、Mo）提高淬透性，但Co會(huì)降低淬透性。7.純鋁的強(qiáng)度低，通過(guò)冷變形可顯著提高其強(qiáng)度。（）答案：√解析：冷變形產(chǎn)生加工硬化，位錯(cuò)密度增加，阻礙滑移，提高強(qiáng)度。8.鐵素體的硬度比珠光體高。（）答案：×解析：鐵素體（F）含碳量低（≈0%），硬度約80HB；珠光體（P）是F+Fe3C的層片狀組織，硬度約180HB。9.滲氮處理的溫度比滲碳高。（）答案：×解析：滲碳溫度一般為900-950℃（奧氏體區(qū)），滲氮溫度約500-580℃（鐵素體區(qū)）。10.鋁合金的時(shí)效分為自然時(shí)效和人工時(shí)效，人工時(shí)效的強(qiáng)化效果更顯著。（）答案：√解析：人工時(shí)效通過(guò)加熱加速析出相形成，析出相更細(xì)小彌散，強(qiáng)化效果優(yōu)于自然時(shí)效（室溫緩慢析出）。四、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述固溶強(qiáng)化的機(jī)理及影響因素。答案：固溶強(qiáng)化是指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格形成固溶體，導(dǎo)致晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料強(qiáng)度的現(xiàn)象。機(jī)理：溶質(zhì)原子（置換型或間隙型）與溶劑原子尺寸不同，引起晶格畸變，形成應(yīng)力場(chǎng)；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)需克服應(yīng)力場(chǎng)的阻力，從而提高臨界分切應(yīng)力。影響因素：①溶質(zhì)原子濃度：濃度越高，畸變?cè)斤@著，強(qiáng)化效果越強(qiáng)（但過(guò)高會(huì)導(dǎo)致塑性下降）；②溶質(zhì)與溶劑原子尺寸差：尺寸差越大，晶格畸變?cè)絿?yán)重，強(qiáng)化效果越好；③溶質(zhì)原子的固溶度：固溶度越大，可溶入更多溶質(zhì)原子，強(qiáng)化潛力更大；④溶質(zhì)原子的類型：間隙原子（如C、N）比置換原子（如Mn、Cr）引起的畸變更顯著，強(qiáng)化效果更明顯。2.比較退火與正火的工藝、組織及應(yīng)用區(qū)別。答案：①工藝區(qū)別：退火加熱溫度為Ac1或Ac3以上30-50℃（完全退火），冷卻方式為隨爐冷卻（緩慢）；正火加熱溫度與退火相同（亞共析鋼Ac3以上，過(guò)共析鋼Accm以上），冷卻方式為空冷（較快）。②組織區(qū)別：退火后得到平衡組織（亞共析鋼為F+P，共析鋼為P，過(guò)共析鋼為P+二次滲碳體）；正火后因冷卻較快，組織更細(xì)（亞共析鋼為F+索氏體，共析鋼為索氏體，過(guò)共析鋼為索氏體+二次滲碳體）。③性能區(qū)別：正火組織更細(xì)，強(qiáng)度、硬度高于退火（如45鋼退火硬度約180HB，正火約220HB）。④應(yīng)用區(qū)別：退火用于消除內(nèi)應(yīng)力、改善切削性能、細(xì)化組織（如鑄件、鍛件）；正火用于提高低碳鋼強(qiáng)度（替代退火）、作為中碳鋼最終熱處理（如不重要零件）、消除過(guò)共析鋼網(wǎng)狀滲碳體（為球化退火做準(zhǔn)備）。3.說(shuō)明過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）的意義及應(yīng)用。答案：C曲線是描述過(guò)冷奧氏體在不同溫度下等溫轉(zhuǎn)變的時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變量關(guān)系的曲線，呈“C”形。意義：①揭示過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律（孕育期、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型及轉(zhuǎn)變量）；②反映鋼的淬透性（C曲線越右，淬透性越好）；③指導(dǎo)制定熱處理工藝（如確定等溫淬火溫度、選擇冷卻介質(zhì)）。應(yīng)用：①確定淬火冷卻速度：需使冷卻曲線避開“鼻尖”（最快轉(zhuǎn)變區(qū)），確保獲得馬氏體；②設(shè)計(jì)等溫?zé)崽幚砉に嚕ㄈ缲愂象w等溫淬火）：選擇轉(zhuǎn)變溫度（如300-400℃獲得下貝氏體）；③分析不同冷卻方式的組織：如空冷（正火）對(duì)應(yīng)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，油冷可能部分進(jìn)入貝氏體區(qū)，水冷則直接過(guò)冷到馬氏體區(qū)。4.簡(jiǎn)述鑄鐵的石墨化過(guò)程及影響因素。答案：石墨化是指鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過(guò)程，分為三個(gè)階段：①第一階段：液態(tài)到奧氏體析出階段，析出一次石墨（過(guò)共晶鑄鐵）或共晶石墨（共晶成分）；②第二階段：奧氏體冷卻到共析溫度時(shí)，析出二次石墨；③第三階段：共析轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體分解為鐵素體和石墨（代替滲碳體）。影響因素：①化學(xué)成分：碳、硅促進(jìn)石墨化（C是石墨來(lái)源，Si降低Fe-C鍵結(jié)合力，利于石墨析出）；硫阻礙石墨化（與Fe結(jié)合成FeS，穩(wěn)定滲碳體）；錳部分抵消硫的阻礙作用（與S結(jié)合成MnS）。②冷卻速度：緩慢冷卻（如砂型鑄造）利于碳原子擴(kuò)散，促進(jìn)石墨化（形成灰鑄鐵）；快速冷卻（如金屬型鑄造）抑制擴(kuò)散，易形成白口鑄鐵（滲碳體為主）。5.分析40Cr鋼（合金結(jié)構(gòu)鋼，含0.4%C，1%Cr）經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織與性能特點(diǎn)。答案：調(diào)質(zhì)處理是淬火+高溫回火（500-650℃）。①工藝過(guò)程：40Cr鋼加熱至Ac3以上（約850℃）保溫，使組織奧氏體化，然后油冷淬火（Cr提高淬透性，可獲得馬氏體）；隨后高溫回火，馬氏體分解為回火索氏體（鐵素體基體+細(xì)小粒狀滲碳體）。②組織特點(diǎn)：回火索氏體中滲碳體呈顆粒狀，均勻分布在鐵素體基體上，與正火的索氏體（層片狀）相比，塑性更好。③性能特點(diǎn)：綜合力學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度約800-1000MPa）、硬度（200-300HB）、塑性（伸長(zhǎng)率12-15%）和韌性（沖擊功50-80J）良好匹配，適用于承受循環(huán)載荷、沖擊載荷的零件（如軸類、齒輪）。五、綜合分析題（每題10分，共20分）1.某汽車齒輪（材料為20CrMnTi）要求表面高硬度（58-62HRC）、耐磨，心部良好強(qiáng)韌性（硬度30-40HRC）。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)其熱處理工藝，并說(shuō)明各步驟的作用及組織轉(zhuǎn)變。答案：熱處理工藝：滲碳→淬火→低溫回火。（1）滲碳：將齒輪加熱至900-950℃（奧氏體區(qū)），通入滲碳介質(zhì)（如煤油、丙烷），使表面增碳至0.8-1.0%C。作用：提高表面含碳量，為后續(xù)淬火獲得高硬度馬氏體做準(zhǔn)備。組織轉(zhuǎn)變：表面奧氏體含碳量升高，心部仍為低碳奧氏體（0.2%C）。（2）淬火：滲碳后預(yù)冷至830-850℃（略高于心部Ac3，低于表面Accm），油冷淬火。作用：表面高碳奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（高硬度），心部低碳奧氏體因Cr、Mn、Ti提高淬透性，轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體或貝氏體（強(qiáng)韌性好）。組織：表面為馬氏體+殘余奧氏體，心部為低碳馬氏體+少量鐵素體（或貝氏體）。（3）低溫回火：180-200℃保溫1-2小時(shí)，空冷。作用：消除淬火內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定馬氏體組織，減少殘余奧氏體量，保持表面高硬度。組織：表面為回火馬氏體（細(xì)針狀，硬度58-62HRC），心部為回火低碳馬氏體（或回火貝氏體，硬度30-40HRC）。最終性能：表面高硬度、耐磨，心部強(qiáng)韌性好，滿足齒輪承受接觸疲勞和沖擊載荷的要求。2.分析T10鋼（含1.0%C）經(jīng)以下工藝處理后的組織與硬度變化：（1）800℃加熱保溫后水冷；（2）800℃加熱保溫后油冷；（3）750℃加熱保溫后水冷。（注：T10鋼Ac1=730℃，Accm=820℃）答案：（1）800℃加熱（Ac1=730℃，Accm=820℃，800℃<Accm）：奧氏體化（含碳量1.0%），水冷（快速冷卻，超過(guò)臨界冷卻速度）。組織：馬氏體（M）+殘余奧氏體（A’）。硬度：馬氏體硬度隨含碳量升高而增加，T10鋼含碳量1.0%，馬氏體硬度約62-64HRC（殘余奧氏體降低硬度，實(shí)際約60-62HRC）。（2）800℃加熱后油冷：冷卻速度低于臨界冷卻速度（油冷比水冷慢），過(guò)冷奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w或貝氏體。組織：馬氏體+屈氏體（T，極細(xì)珠光體）+殘余奧氏體。硬度：屈氏體硬度約45-55HRC，馬氏體約60HRC，整體硬度低于水冷（約55-6