金屬材料及熱處理(山東科技大學)期末考試答案題庫2025年秋一、選擇題（每題2分，共30分）1.下列晶體結構中，屬于面心立方（FCC）的金屬是（）A.α-Fe（912℃以下）B.γ-Fe（912-1394℃）C.δ-Fe（1394-1538℃）D.Mg答案：B解析：γ-Fe在912-1394℃時為面心立方結構，α-Fe和δ-Fe為體心立方（BCC），Mg為密排六方（HCP）。2.位錯運動的主要阻力來源于（）A.溶質原子的彈性應力場B.晶界C.第二相粒子D.以上均是答案：D解析：位錯運動受溶質原子的彈性交互作用、晶界的阻礙（柯垂爾氣團）及第二相粒子的切割或繞過機制影響，三者均為主要阻力。3.鐵碳合金中，共析反應的產物是（）A.萊氏體（Ld）B.珠光體（P）C.變態(tài)萊氏體（Ld’）D.鐵素體（F）+滲碳體（Fe3C）答案：B解析：共析反應為A（0.77%C）→F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C），產物為層片狀珠光體（P）。4.擴散第一定律（菲克第一定律）的表達式為（）A.J=-D·dc/dxB.J=D·dc/dtC.J=-D·dc/dtD.J=D·dc/dx答案：A解析：菲克第一定律描述穩(wěn)態(tài)擴散，通量J與濃度梯度dc/dx成正比，負號表示擴散方向與濃度梯度相反，比例系數為擴散系數D。5.純金屬凝固時，細化晶粒的有效方法是（）A.提高澆注溫度B.增加過冷度C.減少形核率D.降低冷卻速度答案：B解析：增加過冷度可提高形核率（N）與長大速度（G）的比值N/G，從而細化晶粒；提高澆注溫度會降低過冷度，反而粗化晶粒。6.鋼的淬透性主要取決于（）A.奧氏體化溫度B.冷卻介質C.鋼的化學成分D.工件尺寸答案：C解析：淬透性是鋼的固有屬性，由化學成分（尤其是合金元素）決定；淬硬性主要取決于含碳量，而冷卻介質和工件尺寸影響的是淬透層深度（實際淬透性）。7.馬氏體轉變的主要特征不包括（）A.無擴散性B.切變共格性C.體積收縮D.轉變不完全性答案：C解析：馬氏體轉變時，由于碳在α-Fe中過飽和，導致晶格畸變，體積膨脹而非收縮；其他選項均為馬氏體轉變的典型特征。8.球化退火主要用于（）A.亞共析鋼B.過共析鋼C.低碳鋼D.不銹鋼答案：B解析：過共析鋼（如T10、T12）原始組織含網狀滲碳體，球化退火可將片狀滲碳體球化，改善切削性能并為淬火做準備。9.鋁合金的強化通常采用（）A.淬火+回火B(yǎng).固溶處理+時效C.正火+退火D.冷變形強化答案：B解析：鋁合金（如6061）通過固溶處理獲得過飽和固溶體，隨后時效析出細小第二相（如Mg2Si），實現沉淀強化；鋼的強化常用淬火+回火。10.45鋼（含碳0.45%）正火后的組織是（）A.鐵素體+珠光體B.馬氏體C.回火索氏體D.貝氏體答案：A解析：45鋼為亞共析鋼，正火（空冷）冷卻速度高于退火（爐冷），但仍屬于平衡冷卻，組織為鐵素體（F）+珠光體（P），且珠光體比例高于退火態(tài)。11.下列熱處理工藝中，能顯著提高零件表面硬度的是（）A.完全退火B(yǎng).感應加熱表面淬火C.回火D.均勻化退火答案：B解析：表面淬火（如感應加熱）通過快速加熱表層至Ac3以上，隨后淬火，使表層形成馬氏體，硬度顯著提高，心部保持原有韌性。12.鐵碳相圖中，Acm線是（）A.奧氏體向鐵素體轉變的開始線B.奧氏體向珠光體轉變的終了線C.碳在奧氏體中的固溶度線D.共晶反應線答案：C解析：Acm線（ES線）是碳在奧氏體中的固溶度曲線，溫度降低時，奧氏體中碳溶解度下降，析出二次滲碳體（Fe3CⅡ）。13.金屬的加工硬化現象可通過（）消除A.再結晶退火B(yǎng).完全退火C.球化退火D.去應力退火答案：A解析：加工硬化是由于位錯增殖和纏結導致的強度提高，再結晶退火（加熱至再結晶溫度以上）可使變形晶粒重新形核、長大為無畸變新晶粒，消除加工硬化。14.下列材料中，屬于工具鋼的是（）A.Q235B.40CrC.T10D.20CrMnTi答案：C解析：T10為碳素工具鋼（含碳1.0%），用于制造刀具、模具；Q235為碳素結構鋼，40Cr和20CrMnTi為合金結構鋼。15.鋼在回火時，隨回火溫度升高，硬度變化的規(guī)律是（）A.先升高后降低B.持續(xù)升高C.持續(xù)降低D.先降低后升高答案：A解析：低溫回火（150-250℃）時，馬氏體分解為回火馬氏體（含過飽和碳），硬度略有下降但仍高；中溫回火（350-500℃）形成回火托氏體，硬度繼續(xù)降低；高溫回火（500-650℃）形成回火索氏體，硬度進一步降低。但某些合金鋼（如含Cr、Mo）在450-550℃會出現“二次硬化”，硬度短暫升高。二、填空題（每空1分，共20分）1.常見的金屬晶體結構有面心立方（FCC）、體心立方（BCC）和______（HCP）。答案：密排六方2.位錯的兩種基本類型是______位錯和螺型位錯。答案：刃型3.鐵碳相圖中，共晶反應的溫度是______℃，反應式為______。答案：1148；L（4.3%C）→A（2.11%C）+Fe3C4.擴散的驅動力是______，固態(tài)金屬中最常見的擴散機制是______擴散。答案：化學位梯度；空位5.純金屬凝固時，臨界晶核半徑r與過冷度ΔT成______比（正/反）。答案：反6.鋼的淬硬性主要取決于______，而淬透性主要取決于______。答案：含碳量；合金元素種類及含量7.馬氏體的硬度主要取決于______，其組織形態(tài)主要有______和片狀（針狀）兩種。答案：含碳量；板條狀8.完全退火的加熱溫度為Ac3以上______℃，主要用于______鋼。答案：30-50；亞共析9.表面淬火的目的是使零件表層獲得高______，心部保持良好的______。答案：硬度（或耐磨性）；韌性（或綜合力學性能）10.20CrMnTi是______鋼，通常用于制造______（舉例）。答案：合金滲碳；汽車齒輪三、簡答題（每題8分，共40分）1.比較均勻形核與非均勻形核的異同。答：相同點：均需過冷度提供驅動力，臨界晶核半徑r與過冷度ΔT成反比，形核過程伴隨體積自由能降低和表面能增加。不同點：①均勻形核依賴液態(tài)金屬自身的能量漲落和結構漲落，形核功大（ΔG=1/3·σ·A）；非均勻形核借助外來界面（如模壁、雜質），形核功?。é’=ΔG·f(θ)，θ為接觸角，θ<180°時f(θ)<1）。②均勻形核臨界過冷度大（約0.2Tm），實際金屬凝固多為非均勻形核，臨界過冷度?。s0.02Tm）。③非均勻形核的形核率受外來界面的數量、性質影響更大。2.說明鐵碳相圖中P、F、A、Fe3C的含義及室溫下亞共析鋼的組織組成物。答：P（珠光體）：共析反應產物，由鐵素體（F）和滲碳體（Fe3C）層片交替組成；F（鐵素體）：碳在α-Fe中的間隙固溶體，軟韌；A（奧氏體）：碳在γ-Fe中的間隙固溶體，高溫穩(wěn)定；Fe3C（滲碳體）：鐵與碳的間隙化合物，硬脆。室溫下亞共析鋼（含碳量0.0218%-0.77%）的組織組成物為鐵素體（F）+珠光體（P），含碳量越高，珠光體比例越大。3.分析45鋼淬火后分別進行低溫、中溫、高溫回火后的組織與性能特點。答：45鋼（含碳0.45%）淬火后得到馬氏體（M）+殘余奧氏體（Ar）。①低溫回火（150-250℃）：馬氏體分解為回火馬氏體（M回），組織為極細碳化物（ε-碳化物）分布在α相基體上，保留馬氏體針狀形態(tài)；性能：高硬度（58-64HRC）、高耐磨性，內應力部分消除，韌性較低。②中溫回火（350-500℃）：回火馬氏體轉變?yōu)榛鼗鹜惺象w（T回），組織為細片狀滲碳體（Fe3C）與過飽和α相的混合組織；性能：硬度降低（35-50HRC），但彈性極限和屈服強度最高，適用于彈簧等彈性零件。③高溫回火（500-650℃）：回火托氏體轉變?yōu)榛鼗鹚魇象w（S回），組織為粒狀滲碳體均勻分布在鐵素體基體上；性能：綜合力學性能優(yōu)良（硬度200-350HBW，強韌性匹配好），適用于軸類、齒輪等承受交變載荷的零件。4.為什么鋁合金通常采用固溶處理+時效而不是淬火+回火？答：①鋁合金的強化機制與鋼不同：鋼的淬火+回火利用馬氏體相變強化（無擴散切變），而鋁合金（如Al-Cu系）的強化依賴第二相的析出（沉淀強化）。②鋁合金的“淬火”實為固溶處理（加熱至單相區(qū)后快冷，獲得過飽和固溶體），此時強度并不高（相當于鋼的“淬火態(tài)”馬氏體未回火）；隨后時效（室溫或加熱）使過飽和固溶體分解，析出細小彌散的第二相（如θ’相），阻礙位錯運動，實現強化（類似鋼的回火析出碳化物）。③鋁合金無馬氏體相變，無法通過淬火獲得高硬度的亞穩(wěn)相，因此必須通過時效析出第二相來強化，故工藝稱為“固溶處理+時效”而非“淬火+回火”。5.簡述晶界的特性及其對金屬性能的影響。答：晶界特性：①原子排列不規(guī)則，存在晶格畸變，能量較高（晶界能）；②熔點低于晶粒內部（因原子結合力弱）；③原子擴散速度快（畸變區(qū)提供擴散通道）；④易被腐蝕（能量高，化學活性大）；⑤阻礙位錯運動（晶界兩側晶粒位向不同，位錯需改變方向才能穿過）。對性能的影響：①提高強度（細晶強化，晶界越多，位錯運動阻礙越大）；②降低塑性（晶界處變形協(xié)調困難，易萌生裂紋）；③高溫下晶界易滑動（導致蠕變）；④晶界是相變時的形核優(yōu)先位置（如奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w時，形核多發(fā)生在晶界）。四、綜合分析題（每題15分，共30分）1.某機床齒輪（要求表面高硬度、心部良好韌性）選用20CrMnTi，設計其熱處理工藝路線，并說明各工序目的及組織轉變。答：工藝路線：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火→低溫回火→磨削加工。各工序分析：①正火：加熱至Ac3+30-50℃（約920℃），空冷；目的是消除鍛造應力，細化晶粒，調整硬度（170-217HBW），改善切削性能；組織由鍛造后的粗大鐵素體+珠光體轉變?yōu)榧毿【鶆虻蔫F素體+珠光體。②滲碳：加熱至900-950℃（奧氏體區(qū)），通入滲碳介質（如煤油+丙烷），保溫3-6h，使表層碳含量增至0.8-1.0%；目的是獲得高碳表層，心部保持低碳（0.15-0.25%）；組織：表層為高碳奧氏體（A高），心部為低碳奧氏體（A低）。③淬火：滲碳后預冷至830-850℃（避開Ar3溫度，防止表層析出網狀滲碳體），油冷；目的是使表層高碳奧氏體轉變?yōu)轳R氏體（M高），心部低碳奧氏體轉變?yōu)榈吞捡R氏體（M低）或托氏體（T）；組織：表層M高+殘余奧氏體（Ar），心部M低+少量F（若心部含碳過低）。④低溫回火：150-180℃加熱，保溫1-2h，空冷；目的是消除淬火應力，穩(wěn)定組織，減少殘余奧氏體（Ar轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體）；組織：表層回火馬氏體（M回）+少量Ar’，心部回火低碳馬氏體（M回低）+托氏體（T回）；性能：表層高硬度（58-62HRC）、高耐磨性，心部良好韌性（沖擊韌性≥50J/cm2）。2.分析T10鋼（含碳1.0%）從液態(tài)冷卻至室溫的組織轉變過程（結合鐵碳相圖）。答：T10鋼（1.0%C）為過共析鋼，冷卻過程如下：①液態(tài)（L）冷卻至液相線（BC線，約1470℃）以下，開始析出奧氏體（A），即L→A；至固相線（JE線，約1330℃）時，完全凝固為單相奧氏體（A，含碳1.0%）。②繼續(xù)冷卻至Acm線（E