2025年?yáng)|北大學(xué)材料科學(xué)與工程（鋼鐵材料）試驗(yàn)班試題題型及解答考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在鐵碳相圖中，表示鋼開始發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的溫度稱為（）。A.Ac1B.Ac3C.Ar1D.Ar32.下列哪種組織通常具有最高的硬度和最低的韌性？（）A.鐵素體B.珠光體C.馬氏體D.貝氏體3.將鋼緩慢冷卻通過Ar1溫度時(shí)，發(fā)生的轉(zhuǎn)變是（）。A.奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體B.奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體C.奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏wD.鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體4.下列元素中，屬于強(qiáng)碳化物形成元素的是（）。A.SiB.MnC.CrD.Ni5.退火的主要目的是（）。A.提高鋼的硬度和強(qiáng)度B.降低鋼的硬度和改善切削加工性C.獲得馬氏體組織D.消除內(nèi)應(yīng)力6.淬火是指將鋼快速冷卻至（）以下，獲得馬氏體（或貝氏體、珠光體等）組織的熱處理工藝。A.Ac1B.Ac3C.Ar1D.Acm7.淬火后的鋼必須進(jìn)行回火，其主要目的是（）。A.進(jìn)一步提高硬度B.消除內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，獲得所需的綜合性能C.獲得奧氏體組織D.提高鋼的耐腐蝕性8.在其他條件相同的情況下，鋼的淬透性越高，意味著（）。A.獲得馬氏體所需的冷卻速度越慢B.鋼在較大截面尺寸下獲得馬氏體組織的可能性越大C.鋼在淬火時(shí)變形開裂的風(fēng)險(xiǎn)越小D.鋼的回火敏感性越低9.下列熱處理工藝中，主要用于消除內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中的是（）。A.淬火B(yǎng).回火C.正火D.淬火+高溫回火10.能顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度的熱處理工藝是（）。A.退火B(yǎng).正火C.淬火D.調(diào)質(zhì)處理二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將正確答案填在題中的橫線上）1.鋼鐵是含碳量在________之間的鐵碳合金。2.鐵碳相圖中的CS線稱為_______線，它表示含碳量為_______%的共晶轉(zhuǎn)變。3.珠光體是鐵素體和滲碳體的_______混合組織。4.馬氏體是碳在_______中的過飽和固溶體，其形態(tài)通常為_______狀。5.熱處理是指通過改變鋼的_______和_______，來(lái)改善其性能的工藝。6.淬火通常會(huì)引起鋼的_______現(xiàn)象。7.回火分為_______、_______和_______三種基本類型。8.合金元素Cr能顯著提高鋼的_______，而Ni則能降低鋼的_______。9.鋼中存在的_______、_______和_______是常見的冶金缺陷。三、名詞解釋（每小題3分，共12分。請(qǐng)給出每個(gè)名詞的準(zhǔn)確定義）1.奧氏體化2.淬透性3.回火脆性4.帶狀組織四、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)明扼要地回答下列問題）1.簡(jiǎn)述鐵素體和滲碳體的主要區(qū)別。2.簡(jiǎn)述完全退火和正火的主要區(qū)別及適用范圍。3.為什么說(shuō)淬火是熱處理中風(fēng)險(xiǎn)較高的工藝？4.簡(jiǎn)述合金元素對(duì)鋼的淬透性影響的一般規(guī)律。五、計(jì)算題（共13分）某合金鋼的含碳量為0.60%，其Ac1=720℃，Ac3=840℃?，F(xiàn)將其緩慢冷卻，試回答：（1）鋼在冷卻過程中會(huì)發(fā)生哪些組織轉(zhuǎn)變？分別開始轉(zhuǎn)變的溫度大約是多少？（2）若將此鋼進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，在500℃等溫處理，獲得的主要組織是什么？（3）若將此鋼進(jìn)行淬火處理，欲獲得全部馬氏體組織，理論上需要的最低冷卻速度大致是多少？（提示：可從相圖上定性分析）六、論述題（10分）試論述提高鋼材淬透性的意義，并分析在追求更高淬透性的同時(shí)可能遇到的問題及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.B6.C7.B8.B9.C10.C二、填空題1.0.025%~2.11%2.共晶；4.33.珠光體4.鐵素體；針狀5.組織；性能6.膨脹7.低溫；中溫；高溫8.淬透性；淬火溫度范圍9.縮孔；氣孔；裂紋三、名詞解釋1.奧氏體化：將鐵碳合金加熱到單相奧氏體區(qū)，保溫一定時(shí)間，使奧氏體成分均勻化的熱處理過程。2.淬透性：指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力，與鋼中C曲線（或Ac3曲線）的位置有關(guān)，C曲線越右移，淬透性越高。3.回火脆性：淬火鋼在回火過程中，其沖擊韌性出現(xiàn)的明顯下降現(xiàn)象，通常發(fā)生在某個(gè)特定溫度范圍（第一類回火脆性）或稍高的溫度（第二類回火脆性）。4.帶狀組織：指鋼中沿軋制方向或原奧氏體晶界析出的斷續(xù)、寬窄不均的鐵素體和珠光體（或其他相）混合帶的組織。其形成原因是沿奧氏體晶界冷卻速度不同，導(dǎo)致相變不均勻。四、簡(jiǎn)答題1.解析思路：鐵素體（F）是碳在α-Fe中的間隙固溶體，溶碳量極低（<0.02%），具有體心立方晶格，呈鐵磁性，韌性好，強(qiáng)度、硬度低。滲碳體（Fe3C）是鐵和碳形成的化合物，含碳量高（6.69%），硬而脆，呈片狀、針狀或網(wǎng)狀，是鋼中硬相的主要來(lái)源。主要區(qū)別在于：成分不同（F純鐵，F(xiàn)e3C化合物）、結(jié)構(gòu)不同（FBCC，F(xiàn)e3C復(fù)雜晶格）、性能截然相反（F軟韌，F(xiàn)e3C硬脆）。2.解析思路：完全退火是將鋼加熱到Ac3以上30~50℃（對(duì)于亞共析鋼），保溫后緩慢冷卻（通常在爐內(nèi)冷卻），目的是獲得接近平衡的組織（鐵素體+珠光體），降低硬度，改善切削加工性，消除內(nèi)應(yīng)力。正火是將鋼加熱到Ac3以上（對(duì)于亞共析鋼）或Ac1以上（對(duì)于過共析鋼）50~100℃，在空氣中冷卻。目的與退火類似，但冷卻速度較快（空氣冷卻），組織更細(xì)，硬度更高，切削加工性也更好。適用范圍上，退火用于鑄造、鍛造后的再處理，以及焊接前準(zhǔn)備、要求不高的零件；正火用于對(duì)組織精度要求不高、力學(xué)性能要求不高的零件，或作為淬火的預(yù)處理。3.解析思路：淬火是快速冷卻過程，會(huì)引起鋼的體積膨脹，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生巨大的、分布不均勻的殘余應(yīng)力。同時(shí)，淬火獲得的是馬氏體等硬脆組織，硬度過高，韌性極差。這些因素使得鋼在淬火后處于一種極不穩(wěn)定的高應(yīng)力狀態(tài)，即使是很小的外加載荷或沖擊，也可能在應(yīng)力集中處（如孔洞、尖角、缺陷處）導(dǎo)致零件突然發(fā)生開裂，即淬火開裂。因此，淬火是熱處理中風(fēng)險(xiǎn)較高的工藝。4.解析思路：合金元素對(duì)鋼淬透性的影響規(guī)律是：凡是溶入奧氏體后能顯著降低C曲線（或Ac3曲線）位置的元素，都能提高鋼的淬透性。這些元素主要是那些在奧氏體中形成穩(wěn)定碳化物、溶入奧氏體后能顯著改變奧氏體吉布斯自由能的元素，如Cr、Mo、W、V、Si、Mn等（通常稱為“合金元素”或“強(qiáng)淬透性元素”）。這些元素溶入奧氏體，使C曲線向右下方移動(dòng)。C曲線右移越遠(yuǎn)，表示在相同的冷卻速度下，鋼能淬硬的截面尺寸越大，即淬透性越高。反之，那些溶入奧氏體后對(duì)C曲線位置影響不大的元素，如Ni、Co、Cu、Al等，則對(duì)淬透性的影響較小。五、計(jì)算題（1）解析思路：根據(jù)相圖位置，該鋼為亞共析鋼。緩慢冷卻時(shí)，先在Ac3（840℃）以下發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體在Ar1（720℃）以下轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。因此，轉(zhuǎn)變過程為：液相->奧氏體->珠光體。珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度為Ar3（約820℃），完全轉(zhuǎn)變溫度為Ar1（720℃）。（2）解析思路：根據(jù)題意，500℃處于珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（Ar1~Acm，對(duì)于0.60%C鋼，Acm高于Ac3，但低于Ar1，這里簡(jiǎn)化處理或假設(shè)500℃可發(fā)生轉(zhuǎn)變）。根據(jù)C曲線位置，0.60%C鋼在500℃進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，主要獲得的是下貝氏體組織。（3）解析思路：要獲得全部馬氏體，需要使鋼從奧氏體化溫度快速冷卻，使其過冷度遠(yuǎn)大于珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。根據(jù)相圖，奧氏體化溫度應(yīng)高于Ac3（840℃）。從840℃冷卻到Ar1（720℃）之間是發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的區(qū)域，冷卻速度只要能保證在此區(qū)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)變即可獲得馬氏體。理論上，獲得全部馬氏體所需的最低冷卻速度，至少應(yīng)等于使鋼在Ac3到Ar1之間發(fā)生層狀珠光體轉(zhuǎn)變所需的臨界冷卻速度（Vc）。冷卻速度越快，過冷度越大，獲得的馬氏體針越細(xì)，硬度越高。具體數(shù)值需查閱資料或圖表，但定性講，必須顯著快于空氣冷卻速度。六、論述題解析思路：提高鋼材淬透性的意義在于：使得在采用相對(duì)較慢的冷卻速度（如油冷、空冷）或使用普通冷卻介質(zhì)的情況下，鋼材較大尺寸的截面也能被淬硬，從而獲得所需的較高硬度和耐磨性，擴(kuò)大了淬火工藝的應(yīng)用范圍，能夠制造更大尺寸的硬質(zhì)零件。同時(shí)，對(duì)于某些合金鋼，提高淬透性是獲得良好綜合力學(xué)性能的前提。追求更高淬透性的可能遇到的問題及應(yīng)對(duì)措施：1.淬火變形開裂風(fēng)險(xiǎn)增大：淬透性越高，要求冷卻速度越快，內(nèi)部應(yīng)力越大，導(dǎo)致變形和開裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。應(yīng)對(duì)措施：嚴(yán)格控制冷卻速度，采用分段淬火、預(yù)冷等工藝；選擇合適的淬火介質(zhì)；提高工件結(jié)構(gòu)剛性；采用后道工序（如校形、調(diào)質(zhì)）消除應(yīng)力。2.回火敏感性提高：淬透性高的鋼通常含有較多的合金元素，這些元素提高了鋼在回火過程中的硬度下降速度，并使鋼在特定溫度范圍（低溫回火脆性區(qū)、高溫回火脆性區(qū)）表現(xiàn)出韌