工程材料及熱處理考試試題A卷含答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列關于金屬材料彈性模量的描述中，正確的是（）A.隨材料的熱處理工藝變化顯著B.主要取決于金屬的本質和晶格類型C.與材料的顯微組織密切相關D.隨材料的冷變形程度增加而增大答案：B解析：彈性模量（E）是材料的固有屬性，反映原子間結合力的強弱，主要由金屬的本質（如原子種類）和晶格類型（如體心立方、面心立方）決定，與熱處理、顯微組織或冷變形程度無顯著關聯。2.鐵素體（F）的晶體結構為（）A.面心立方（FCC）B.體心立方（BCC）C.密排六方（HCP）D.復雜立方答案：B解析：鐵素體是碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，α-Fe的晶體結構為體心立方，因此鐵素體的晶體結構也是體心立方。3.下列材料中，屬于典型共晶合金的是（）A.工業(yè)純鐵（ωc≈0.0218%）B.共析鋼（ωc≈0.77%）C.亞共晶白口鑄鐵（ωc≈2.11%~4.3%）D.過共晶白口鑄鐵（ωc≈4.3%~6.69%）答案：C解析：鐵碳合金中，共晶反應發(fā)生在ωc=4.3%時，生成萊氏體（Ld）。亞共晶白口鑄鐵（ωc=2.11%~4.3%）在冷卻過程中會發(fā)生共晶反應，屬于共晶合金范疇；共析鋼發(fā)生的是共析反應（ωc=0.77%）。4.45鋼（ωc=0.45%）經840℃加熱奧氏體化后，快速水冷得到的組織是（）A.珠光體（P）B.貝氏體（B）C.馬氏體（M）D.索氏體（S）答案：C解析：45鋼為亞共析鋼，加熱至Ac3以上（840℃高于45鋼的Ac3≈780℃）奧氏體化后，快速水冷（冷卻速度大于臨界冷卻速度Vk）會發(fā)生馬氏體轉變，得到馬氏體組織。5.下列熱處理工藝中，主要用于消除鑄件內應力的是（）A.完全退火B(yǎng).球化退火C.去應力退火D.再結晶退火答案：C解析：去應力退火的加熱溫度較低（通常為500~650℃），不發(fā)生相變，通過原子擴散松弛內應力，適用于消除鑄件、焊接件等的殘余應力。6.鋁合金的固溶處理與鋼的淬火工藝最本質的區(qū)別是（）A.加熱溫度不同B.冷卻介質不同C.冷卻后的組織穩(wěn)定性不同D.目的不同答案：C解析：鋼淬火后得到的馬氏體是過飽和固溶體，處于亞穩(wěn)態(tài)；鋁合金固溶處理后得到的過飽和固溶體在室溫下可長期保持（若不人工時效），而鋼的馬氏體在室溫下會自發(fā)分解（如發(fā)生時效馬氏體轉變），因此組織穩(wěn)定性是本質區(qū)別。7.灰鑄鐵的性能特點是（）A.抗拉強度高，抗壓強度低B.塑性好，耐磨性差C.抗壓強度與鋼接近，抗拉強度低D.減震性差，鑄造性能好答案：C解析：灰鑄鐵中的片狀石墨割裂基體，導致抗拉強度低（約為鋼的1/3~1/4），但抗壓強度與鋼接近（石墨對壓應力的敏感性低）；同時具有良好的減震性和鑄造性能，塑性幾乎為零。8.下列關于回火的描述中，錯誤的是（）A.低溫回火（150~250℃）主要用于工具鋼B.中溫回火（350~500℃）可獲得良好的彈性C.高溫回火（500~650℃）得到回火索氏體D.回火溫度越高，材料的硬度和強度一定越低答案：D解析：對于某些合金鋼（如高速鋼），在500~600℃回火時會發(fā)生“二次硬化”現象，硬度和強度反而升高，因此D選項錯誤。9.下列材料中，適合制造汽車發(fā)動機活塞的是（）A.HT250（灰鑄鐵）B.ZL109（鋁硅合金）C.Q235（碳素結構鋼）D.GCr15（滾動軸承鋼）答案：B解析：活塞需滿足質輕、導熱性好、耐高溫等要求。鋁硅合金（如ZL109）密度?。s為鋼的1/3）、熱膨脹系數低、耐磨性好，是活塞的常用材料；灰鑄鐵密度大，不適合；Q235強度和耐熱性不足；GCr15主要用于軸承。10.某鋼件經檢測發(fā)現其顯微組織為“回火托氏體”，則該工件的回火溫度范圍為（）A.150~250℃B.250~350℃C.350~500℃D.500~650℃答案：C解析：回火托氏體（T回）是中溫回火（350~500℃）的產物，由過飽和α固溶體（已部分脫溶）和細粒狀滲碳體組成，硬度約為35~45HRC。二、填空題（每空1分，共20分）1.金屬材料的工藝性能主要包括鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性和______。答案：熱處理工藝性2.鐵碳合金相圖中，ES線（Acm線）是______的溶解度曲線。答案：碳在奧氏體（γ-Fe）中3.鋼的淬透性主要取決于______，而淬硬性主要取決于______。答案：臨界冷卻速度（或合金元素種類及含量）；含碳量4.常用的表面熱處理工藝包括表面淬火和______，其中______可同時提高表面硬度和心部韌性。答案：化學熱處理；表面淬火5.鋁合金的強化方法主要有固溶強化、時效強化、______和______。答案：細晶強化；加工硬化6.球墨鑄鐵中石墨的形態(tài)為______，其力學性能接近______。答案：球狀；鋼7.馬氏體的硬度主要取決于______，其脆性主要與______和______有關。答案：含碳量；馬氏體的亞結構（或位錯/孿晶形態(tài)）；殘余奧氏體量8.完全退火的工藝路線是：加熱至______以上30~50℃，保溫后______冷卻。答案：Ac3；隨爐（或緩慢）9.40Cr鋼（合金結構鋼）經調質處理（淬火+高溫回火）后，其組織為______，性能特點是______。答案：回火索氏體；良好的綜合力學性能（強韌性匹配）10.普通黃銅是______的二元合金，其性能隨含鋅量變化顯著，當含鋅量超過______時，塑性急劇下降。答案：銅（Cu）與鋅（Zn）；39%三、判斷題（每題1分，共10分。正確打“√”，錯誤打“×”）1.所有金屬材料在固態(tài)下都具有晶體結構。（）答案：×解析：非晶態(tài)合金（如金屬玻璃）在固態(tài)下為非晶體結構。2.鐵素體的含碳量高于奧氏體。（）答案：×解析：鐵素體（F）中碳的最大溶解度為0.0218%（727℃時），奧氏體（A）中碳的最大溶解度為2.11%（1148℃時），因此奧氏體含碳量更高。3.鋼的正火冷卻速度比退火快，因此正火后的硬度和強度比退火低。（）答案：×解析：正火冷卻速度（空冷）快于退火（爐冷），得到的珠光體片層更細，因此硬度和強度更高。4.灰鑄鐵通過孕育處理可使石墨細化，從而提高其力學性能。（）答案：√解析：孕育處理（加入硅鐵、硅鈣合金等）可增加石墨形核點，使石墨片細化，減少對基體的割裂，提高強度和韌性。5.鋁合金的時效強化是通過過飽和固溶體的脫溶析出實現的。（）答案：√解析：鋁合金固溶處理后得到過飽和固溶體，在時效過程中，溶質原子脫溶析出第二相（如θ相），阻礙位錯運動，實現強化。6.馬氏體轉變是一種無擴散型相變，因此轉變后不會產生內應力。（）答案：×解析：馬氏體轉變時體積膨脹（比容增大），會在工件內部產生很大的內應力（組織應力），可能導致變形或開裂。7.高速鋼（如W18Cr4V）的紅硬性主要來源于其高碳含量。（）答案：×解析：高速鋼的紅硬性（高溫下保持高硬度的能力）主要來源于回火時析出的高硬度碳化物（如W2C、VC）的二次硬化效應，而非單純高碳。8.可鍛鑄鐵可以進行鍛造加工。（）答案：×解析：可鍛鑄鐵（又稱瑪鋼）中的石墨為團絮狀，但其基體為鐵素體或珠光體，塑性雖優(yōu)于灰鑄鐵，但仍較差，不能鍛造。9.表面淬火僅改變工件表層的組織，而化學熱處理會改變表層的化學成分。（）答案：√解析：表面淬火（如感應淬火）通過快速加熱-冷卻使表層相變，化學成分不變；化學熱處理（如滲碳、滲氮）通過原子擴散改變表層成分。10.黃銅的耐蝕性優(yōu)于紫銅。（）答案：×解析：紫銅（純銅）的耐蝕性（如耐大氣、淡水腐蝕）優(yōu)于黃銅（銅鋅合金），黃銅易發(fā)生脫鋅腐蝕。四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述鐵碳合金中滲碳體的類型及其特點。答案：鐵碳合金中的滲碳體（Fe3C）主要有5種類型：（1）一次滲碳體（Fe3CⅠ）：由液態(tài)合金中直接析出，呈粗大片狀（白口鑄鐵中），硬度高（~800HBW）、脆性大。（2）二次滲碳體（Fe3CⅡ）：由奧氏體中析出，沿奧氏體晶界呈網狀分布（如過共析鋼中），會降低材料塑性。（3）三次滲碳體（Fe3CⅢ）：由鐵素體中析出，呈細片狀或顆粒狀（工業(yè)純鐵中），數量極少，對性能影響可忽略。（4）共晶滲碳體（Fe3C共晶）：共晶反應產物（萊氏體中的滲碳體），與奧氏體機械混合，呈連續(xù)基體狀。（5）共析滲碳體（Fe3C共析）：共析反應產物（珠光體中的滲碳體），與鐵素體呈層片狀交替分布，片層較薄。2.比較退火與正火的工藝及應用區(qū)別。答案：（1）工藝區(qū)別：退火加熱后緩慢冷卻（爐冷），正火加熱后空冷（冷卻速度較快）。（2）組織區(qū)別：退火得到平衡或接近平衡組織（如珠光體+鐵素體），正火得到更細的珠光體（索氏體）或貝氏體（視鋼種而定）。（3）性能區(qū)別：正火后的硬度、強度高于退火，塑性略低。（4）應用區(qū)別：退火用于消除內應力、改善切削性能或為后續(xù)熱處理準備；正火用于提高低碳鋼強度（替代退火）、細化晶粒（作為預處理）或用于性能要求不高的零件最終處理（降低成本）。3.說明淬火鋼在回火過程中組織與性能的變化規(guī)律。答案：（1）低溫回火（150~250℃）：馬氏體分解為回火馬氏體（M回，極細碳化物+過飽和α相），硬度略有下降（保持高硬度），脆性降低，用于工具、刃具。（2）中溫回火（350~500℃）：回火馬氏體轉變?yōu)榛鼗鹜惺象w（T回，細粒狀碳化物+鐵素體），硬度降至35~45HRC，彈性極限最高，用于彈簧、模具。（3）高溫回火（500~650℃）：回火托氏體轉變?yōu)榛鼗鹚魇象w（S回，粗粒狀碳化物+鐵素體），硬度20~35HRC，綜合力學性能（強韌性）最佳，用于軸類、齒輪等承受綜合載荷的零件。（4）回火溫度升高，碳化物逐漸聚集長大，α相回復再結晶，材料硬度、強度下降，塑性、韌性提高。4.分析灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵中石墨形態(tài)對性能的影響。答案：（1）灰鑄鐵：石墨呈片狀（割裂基體嚴重），相當于“微裂紋”，導致抗拉強度低（約100~300MPa）、塑性幾乎為零，但抗壓強度較高（與鋼接近），減震性好。（2）可鍛鑄鐵：石墨呈團絮狀（對基體割裂減輕），抗拉強度（300~700MPa）和塑性（δ=2%~12%）優(yōu)于灰鑄鐵，但仍低于球墨鑄鐵。（3）球墨鑄鐵：石墨呈球狀（對基體割裂最?。w連續(xù)性好，抗拉強度（400~1000MPa）和塑性（δ=2%~18%）接近鋼，同時保留鑄鐵的減震性和鑄造性。5.簡述鋁合金的時效強化（沉淀強化）機理。答案：（1）固溶處理：將鋁合金加熱至單相區(qū)（α固溶體區(qū)），保溫后快速冷卻（水冷），得到過飽和α固溶體（溶質原子（如Cu、Mg）過飽和溶解）。（2）時效過程：過飽和固溶體在室溫（自然時效）或加熱（人工時效）條件下，溶質原子脫溶析出細小彌散的第二相顆粒（如Al2Cu、Mg2Si）。（3）強化機理：第二相顆粒與位錯交互作用（如奧羅萬繞過機制或切割機制），阻礙位錯運動，從而提高材料強度。時效溫度和時間影響析出相的尺寸和分布，最佳時效狀態(tài)（峰時效）時析出相最細小彌散，強化效果最大。五、綜合分析題（共20分）某汽車齒輪（承受交變載荷、接觸應力和沖擊載荷）擬選用20CrMnTi鋼制造，其加工路線為：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火→低溫回火→磨加工。（1）分析各熱處理工序（正火、滲碳、淬火、低溫回火）的目的。（12分）（2）說明20CrMnTi鋼的類別（按用途、按合金元素含量）及選擇該材料的原因。（8分）答案：（1）各熱處理工序目的：①正火：消除鍛造應力，細化晶粒（鍛造后晶粒粗大），改善切削加工性能（正火后硬度適中，避免退火后硬度偏低導致粘刀）。使組織均勻（消除鍛造帶來的成分偏析），為后續(xù)滲碳作準備。②滲碳：提高齒輪表層含碳量（從原始的0.2%左右增至0.8%~1.0%），使表層具備高硬度、高耐磨性的條件（后續(xù)淬火后表層形成高碳馬氏體）。心部保持低碳（原始含碳量），保證心部良好的韌性和抗沖擊能力。③淬火：表層高碳奧氏體（滲碳后表層為高碳奧氏體）快速冷卻（油冷）轉變?yōu)楦咛捡R氏體（M），獲得高硬度（58~64HRC）和耐磨性。心部低碳奧氏體轉變?yōu)榈吞捡R氏體或回火索氏體（視冷卻速度），保持較高的強度和韌性。④低溫回火：消除淬火內應力（組織應力和熱應力），防止齒輪變形或開裂。穩(wěn)定組織（減少殘余奧氏體量），提高尺寸穩(wěn)定性。適當降低脆性（高碳馬氏體脆性大），保持高硬度（回火馬氏體硬度仍可達58~62HRC）。（2）20CrMnTi鋼的類別及選材原因：①類別：按用途分類：合金滲碳鋼（主要用于表面強化零件，需滲碳處理）。按合金元素含量分類：低合金結構鋼（合