熱處理試題及參考答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.鋼在加熱時(shí)奧氏體化的關(guān)鍵步驟是（）。A.鐵素體向奧氏體的晶格重構(gòu)B.滲碳體的溶解C.碳原子的擴(kuò)散D.奧氏體晶粒的長大答案：C解析：奧氏體形成需經(jīng)歷形核、長大、滲碳體溶解和成分均勻化四個(gè)階段。其中，碳原子的擴(kuò)散是奧氏體核心長大和成分均勻化的關(guān)鍵，若無碳原子遷移，晶格重構(gòu)和滲碳體溶解無法完成。2.45鋼（含碳量0.45%）淬火后獲得的主要組織是（）。A.回火索氏體B.馬氏體C.貝氏體D.珠光體答案：B解析：45鋼為亞共析鋼，加熱至Ac3以上形成均勻奧氏體后，快速冷卻（大于臨界冷卻速度）時(shí)，奧氏體發(fā)生無擴(kuò)散切變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。3.以下哪種工藝屬于化學(xué)熱處理？（）A.感應(yīng)淬火B(yǎng).滲氮C.球化退火D.等溫淬火答案：B解析：化學(xué)熱處理通過介質(zhì)分解、元素吸收和擴(kuò)散改變表層成分，滲氮是典型的氮原子滲入鋼表層的過程；感應(yīng)淬火為表面淬火（物理熱處理），球化退火和等溫淬火為整體熱處理。4.為消除鑄造高速鋼中的網(wǎng)狀碳化物，應(yīng)采用（）。A.完全退火B(yǎng).球化退火C.正火D.擴(kuò)散退火答案：D解析：擴(kuò)散退火通過長時(shí)間高溫加熱（1100~1200℃）促進(jìn)原子擴(kuò)散，消除成分偏析和網(wǎng)狀碳化物；完全退火用于亞共析鋼細(xì)化組織，球化退火用于改善切削性能，正火冷卻速度較快，無法充分?jǐn)U散。5.鋁合金固溶處理后需進(jìn)行（）以提高強(qiáng)度。A.自然時(shí)效B.再結(jié)晶退火C.去應(yīng)力退火D.完全退火答案：A解析：鋁合金固溶處理（加熱至單相區(qū)后快冷）獲得過飽和固溶體，隨后在室溫或加熱條件下（時(shí)效）析出細(xì)小強(qiáng)化相，自然時(shí)效是常見方式；再結(jié)晶退火用于消除加工硬化，去應(yīng)力退火降低內(nèi)應(yīng)力，完全退火用于軟化材料。6.下列淬火介質(zhì)中，冷卻能力最強(qiáng)的是（）。A.20℃自來水B.10%NaCl水溶液C.礦物油D.熔鹽（硝鹽?。┐鸢福築解析：水溶液冷卻能力強(qiáng)于油，10%NaCl水溶液因沸騰時(shí)鹽析破壞蒸汽膜，冷卻速度比純水更快；熔鹽浴冷卻速度最慢，用于等溫淬火。7.回火索氏體與索氏體的主要區(qū)別是（）。A.碳化物形態(tài)B.鐵素體形態(tài)C.形成溫度D.含碳量答案：A解析：索氏體（S）是過冷奧氏體在650~600℃等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，由層片狀鐵素體和滲碳體組成；回火索氏體（S回）是馬氏體在500~650℃回火形成，碳化物呈顆粒狀彌散分布于鐵素體基體中。8.為改善T12鋼（過共析鋼）的切削加工性能，應(yīng)采用（）。A.完全退火B(yǎng).球化退火C.正火D.等溫退火答案：B解析：T12鋼含碳量高，原始組織中存在網(wǎng)狀或片狀滲碳體，切削時(shí)易產(chǎn)生崩刃；球化退火將滲碳體球化，降低硬度（180~220HBW），改善切削性能；完全退火用于亞共析鋼，正火會(huì)增加硬度，等溫退火多用于合金鋼。9.真空熱處理的主要優(yōu)點(diǎn)是（）。A.提高加熱速度B.防止氧化脫碳C.降低能耗D.細(xì)化晶粒答案：B解析：真空環(huán)境中氧分壓極低，工件加熱時(shí)無氧化脫碳，表面質(zhì)量高；加熱速度受真空度和設(shè)備限制，能耗通常較高，細(xì)化晶粒需控制加熱溫度和保溫時(shí)間。10.貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍是（）。A.A1以上B.Ms以上、Ar1以下C.550℃~MsD.Ms以下答案：C解析：貝氏體轉(zhuǎn)變屬于中溫轉(zhuǎn)變，發(fā)生在珠光體轉(zhuǎn)變（A1~550℃）和馬氏體轉(zhuǎn)變（Ms~Mf）之間，即550℃~Ms溫度區(qū)間。11.下列材料中，淬透性最好的是（）。A.45鋼B.40CrC.Q235D.T8答案：B解析：淬透性主要取決于合金元素（如Cr、Mn、Mo等），40Cr含Cr元素，顯著提高過冷奧氏體穩(wěn)定性，降低臨界冷卻速度，淬透性優(yōu)于碳素鋼（45鋼、T8）和普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q235）。12.感應(yīng)加熱表面淬火的深度主要取決于（）。A.加熱時(shí)間B.電流頻率C.工件尺寸D.冷卻介質(zhì)答案：B解析：感應(yīng)加熱時(shí)，電流頻率越高，集膚效應(yīng)越強(qiáng)，加熱層越薄；頻率越低，透入深度越大。例如，高頻（200~300kHz）淬火層深0.5~2mm，中頻（2.5~8kHz）為2~10mm。13.為獲得良好的綜合力學(xué)性能（強(qiáng)韌性匹配），中碳鋼零件應(yīng)采用（）。A.淬火+低溫回火B(yǎng).淬火+中溫回火C.淬火+高溫回火D.正火答案：C解析：中碳鋼（如45鋼）淬火后得到馬氏體，硬度高但脆性大；高溫回火（500~650℃）使馬氏體分解為回火索氏體，具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性（即“調(diào)質(zhì)處理”）。14.以下哪種缺陷屬于熱處理常見缺陷？（）A.縮孔B.偏析C.淬火裂紋D.氣孔答案：C解析：縮孔、偏析、氣孔是鑄造缺陷；淬火裂紋因冷卻時(shí)組織應(yīng)力和熱應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限產(chǎn)生，是熱處理典型缺陷。15.1Cr18Ni9Ti不銹鋼固溶處理的目的是（）。A.提高硬度B.消除晶間腐蝕傾向C.細(xì)化晶粒D.增加耐磨性答案：B解析：該不銹鋼含Ti，加熱至1050~1150℃使碳化物溶解，快冷后獲得單一奧氏體組織，避免Cr與C結(jié)合形成Cr23C6（導(dǎo)致晶界貧Cr，引發(fā)晶間腐蝕）。二、填空題（每空1分，共20分）1.鋼的熱處理工藝由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成。2.鐵碳合金中，奧氏體的最大溶碳量為2.11%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），出現(xiàn)在1148℃（溫度）。3.馬氏體的硬度主要取決于含碳量，其形態(tài)主要有板條馬氏體和片狀馬氏體兩種。4.常用的退火工藝包括完全退火、球化退火、等溫退火和去應(yīng)力退火。5.化學(xué)熱處理的三個(gè)基本過程是分解、吸收和擴(kuò)散。6.表面淬火的主要方法有感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱淬火和激光淬火等。7.回火的種類包括低溫回火（150~250℃）、中溫回火（350~500℃）和高溫回火（500~650℃）。8.衡量鋼淬透性的常用指標(biāo)是臨界淬透直徑或端淬試驗(yàn)（Jominy試驗(yàn)）的硬度分布曲線。9.鋁合金的時(shí)效分為自然時(shí)效和人工時(shí)效，其中人工時(shí)效可通過加熱加速強(qiáng)化相析出。三、判斷題（每題1分，共10分。正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）1.所有鋼加熱到奧氏體區(qū)后，冷卻速度越快，硬度越高。（×）解析：只有冷卻速度大于臨界冷卻速度時(shí)，才能獲得馬氏體，硬度才會(huì)顯著提高；若冷卻速度不足（如空冷），可能形成珠光體或貝氏體，硬度較低。2.球化退火主要用于過共析鋼，目的是使?jié)B碳體球化。（√）解析：過共析鋼原始組織含片狀滲碳體，球化后降低硬度，改善切削性能。3.淬火鋼回火時(shí)，隨著回火溫度升高，硬度和強(qiáng)度一定下降。（×）解析：某些合金鋼（如高速鋼）在550~570℃回火時(shí)，會(huì)因二次硬化（析出細(xì)小碳化物）出現(xiàn)硬度回升現(xiàn)象。4.感應(yīng)加熱表面淬火后一般需要進(jìn)行低溫回火，以消除內(nèi)應(yīng)力。（√）解析：表面淬火后表層為馬氏體，存在較大內(nèi)應(yīng)力，低溫回火（150~200℃）可降低應(yīng)力，防止開裂。5.滲碳零件一般選用低碳鋼或低碳合金鋼（如20CrMnTi），滲碳后需淬火+低溫回火。（√）解析：低碳鋼滲碳后表層含碳量提高（0.8%~1.0%），淬火后表層為高硬度馬氏體，心部保持良好韌性。6.馬氏體轉(zhuǎn)變是無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，因此轉(zhuǎn)變后成分與原奧氏體完全相同。（√）解析：馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍凶儥C(jī)制，原子不發(fā)生擴(kuò)散，僅晶格重構(gòu)，成分與原奧氏體一致。7.正火的冷卻速度比退火快，因此正火后的硬度和強(qiáng)度比退火低。（×）解析：正火冷卻速度（空冷）快于退火（爐冷），過冷奧氏體轉(zhuǎn)變更徹底，形成的珠光體片層更細(xì)，硬度和強(qiáng)度更高。8.去應(yīng)力退火的加熱溫度應(yīng)高于Ac1，以消除內(nèi)應(yīng)力。（×）解析：去應(yīng)力退火加熱溫度低于Ac1（通常500~650℃），通過原子擴(kuò)散松弛應(yīng)力，不發(fā)生相變。9.真空熱處理可以實(shí)現(xiàn)無氧化、無脫碳，但無法進(jìn)行化學(xué)熱處理。（×）解析：真空滲碳、真空滲氮等是真空化學(xué)熱處理的常見工藝，通過控制氣氛實(shí)現(xiàn)元素滲入。10.鋁合金的固溶處理與鋼的淬火本質(zhì)相同，均為獲得過飽和固溶體。（√）解析：兩者均通過加熱至單相區(qū)后快冷，抑制第二相析出，得到過飽和固溶體，為后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化做準(zhǔn)備。四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述退火與正火的主要區(qū)別及應(yīng)用場景。答案：區(qū)別：①冷卻方式：退火為爐冷（緩慢），正火為空冷（較快）；②組織性能：退火得到珠光體（片層較厚），硬度較低（170~220HBW）；正火得到索氏體（片層較薄），硬度較高（180~250HBW）；③加熱溫度：亞共析鋼退火加熱至Ac3+30~50℃，正火相同；過共析鋼退火加熱至Ac1+30~50℃（球化退火），正火加熱至Accm+30~50℃（消除網(wǎng)狀碳化物）。應(yīng)用：退火用于改善切削性能（如高碳鋼球化退火）、消除內(nèi)應(yīng)力（去應(yīng)力退火）或準(zhǔn)備后續(xù)熱處理（完全退火）；正火用于細(xì)化組織（如鑄件）、提高低碳鋼硬度（改善切削性）或替代部分退火（成本更低）。2.解釋“臨界冷卻速度”的概念，并說明其對熱處理的意義。答案：臨界冷卻速度（Vk）是指鋼在冷卻時(shí)，過冷奧氏體不發(fā)生珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變，全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所需的最小冷卻速度。意義：①是選擇淬火介質(zhì)的依據(jù)（介質(zhì)冷卻速度需≥Vk）；②決定鋼的淬透性（Vk越小，淬透性越好）；③指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)（如厚大工件需選用Vk小的鋼種，避免心部未淬透）。3.分析40Cr鋼（調(diào)質(zhì)處理）與T10鋼（淬火+低溫回火）的組織與性能差異。答案：組織：40Cr調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）得到回火索氏體（顆粒狀碳化物+鐵素體）；T10鋼淬火+低溫回火得到回火馬氏體（針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+顆粒狀碳化物）。性能：40Cr調(diào)質(zhì)后綜合性能好（抗拉強(qiáng)度800~1000MPa，延伸率12%~15%，沖擊韌性60~80J/cm2），適合承受交變載荷的零件（如軸類）；T10鋼淬火+低溫回火后硬度高（58~62HRC），耐磨性好但韌性低，適合要求高硬度、高耐磨的零件（如刀具、沖頭）。4.簡述滲碳工藝的主要步驟及各步驟的作用。答案：步驟：①表面滲碳：將工件加熱至900~950℃（奧氏體區(qū)），通入滲碳介質(zhì)（如煤油、甲醇），分解出活性碳原子被表面吸收并向內(nèi)部擴(kuò)散，形成0.5~2mm的高碳表層；②淬火：滲碳后快冷（水或油），使表層高碳奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，獲得高硬度；③低溫回火：150~200℃加熱，消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織，提高韌性（避免脆性斷裂）。作用：最終使零件表層具有高硬度、耐磨性，心部保持低碳鋼的良好韌性，滿足“外硬內(nèi)韌”的要求。5.分析淬火裂紋產(chǎn)生的主要原因及預(yù)防措施。答案：原因：①組織應(yīng)力：馬氏體轉(zhuǎn)變體積膨脹（比容增大），表層受壓、心部受拉，應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限；②熱應(yīng)力：表面與心部冷卻速度差異大，表層收縮快于心部，產(chǎn)生拉應(yīng)力；③材料因素：含碳量或合金元素過高（增加脆性），原始組織存在網(wǎng)狀碳化物（應(yīng)力集中源）；④工藝因素：淬火溫度過高（晶粒粗大）、冷卻介質(zhì)冷卻能力過強(qiáng)（應(yīng)力過大）。預(yù)防措施：①合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)（避免尖角、截面突變）；②控制淬火溫度（避免過高）；③選用合適的淬火介質(zhì)（如油淬代替水淬，或采用分級(jí)淬火、等溫淬火）；④預(yù)處理（如正火消除網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化晶粒）；⑤淬火后及時(shí)回火（降低內(nèi)應(yīng)力）。五、綜合分析題（每題10分，共20分）1.某工廠需生產(chǎn)一批汽車齒輪（材料為20CrMnTi），要求表面硬度≥58HRC，心部硬度25~35HRC，韌性良好。試設(shè)計(jì)其熱處理工藝路線，并分析各步驟的組織轉(zhuǎn)變過程。答案：工藝路線：鍛造→正火→機(jī)加工→滲碳→淬火→低溫回火→精加工。①正火：加熱至920~950℃（Accm+30~50℃），空冷。作用：細(xì)化鍛造組織，消除網(wǎng)狀碳化物，均勻成分，改善切削性能。組織轉(zhuǎn)變：原始粗大奧氏體→細(xì)片狀珠光體+鐵素體。②滲碳：加熱至900~950℃，通入滲碳劑（如丙烷），保溫3~6h（根據(jù)滲層深度0.8~1.2mm調(diào)整）。作用：表層碳含量增至0.8%~1.0%，形成高碳奧氏體區(qū)，心部保持原始低碳（0.17%~0.23%）。組織轉(zhuǎn)變：表層奧氏體（高碳）+心部奧氏體（低碳）。③淬火：滲碳后預(yù)冷至830~850℃（避開Ar1，防止表層析出網(wǎng)狀滲碳體），油冷。作用：表層高碳奧氏體→馬氏體（高硬度），心部低碳奧氏體→低碳馬氏體+少量貝氏體（保持韌性）。組織轉(zhuǎn)變：表層：奧氏體→馬氏體+殘余奧氏體；心部：奧氏體→板條馬氏體+鐵素體（少量）。④低溫回火：150~180℃，保溫1~2h。作用：消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定馬氏體，減少殘余奧氏體，提高韌性。組織轉(zhuǎn)變：馬氏體→回火馬氏體（針狀馬氏體+極細(xì)碳化物），殘余奧氏體部分分解。最終組織：表層為回火馬氏體（硬度58~62HRC），心部為回火板條馬氏體+鐵素體（硬度25~35HRC），滿足“外硬內(nèi)韌”要求。2.