金屬材料及熱處理試題庫(kù)和答案解析一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.純鐵在912℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，此時(shí)晶體結(jié)構(gòu)由（）轉(zhuǎn)變?yōu)椋ǎ?。A.體心立方（α-Fe）→面心立方（γ-Fe）B.面心立方（γ-Fe）→體心立方（α-Fe）C.體心立方（δ-Fe）→面心立方（γ-Fe）D.面心立方（γ-Fe）→體心立方（δ-Fe）2.下列金屬中，室溫下晶體結(jié)構(gòu)為密排六方的是（）。A.鐵（Fe）B.銅（Cu）C.鎂（Mg）D.鋁（Al）3.鐵碳合金中，硬度最高的基本相是（）。A.鐵素體（F）B.奧氏體（A）C.滲碳體（Fe?C）D.珠光體（P）4.亞共析鋼的室溫平衡組織為（）。A.鐵素體+珠光體B.珠光體+二次滲碳體C.鐵素體+萊氏體D.珠光體+萊氏體5.共晶反應(yīng)的溫度是（）。A.727℃B.1148℃C.912℃D.1394℃6.下列熱處理工藝中，冷卻速度最快的是（）。A.退火B(yǎng).正火C.淬火D.回火7.45鋼淬火后得到的組織是（）。A.馬氏體B.珠光體C.貝氏體D.索氏體8.為消除冷軋鋼板的加工硬化，應(yīng)采用（）。A.完全退火B(yǎng).球化退火C.再結(jié)晶退火D.擴(kuò)散退火9.高速鋼刀具（如W18Cr4V）的最終熱處理工藝通常是（）。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+回火10.灰鑄鐵中石墨的形態(tài)是（）。A.片狀B.球狀C.團(tuán)絮狀D.蠕蟲狀11.下列材料中，屬于過共析鋼的是（）。A.Q235B.45鋼C.T8鋼D.T12鋼12.鋼的淬透性主要取決于（）。A.冷卻速度B.含碳量C.合金元素種類及含量D.工件尺寸13.低溫回火的主要目的是（）。A.消除內(nèi)應(yīng)力，保持高硬度和耐磨性B.提高彈性極限和屈服強(qiáng)度C.獲得良好的綜合力學(xué)性能D.降低硬度，改善切削加工性14.鋁合金的固溶強(qiáng)化處理是通過（）實(shí)現(xiàn)的。A.加熱至單相區(qū)后快速冷卻B.加熱至雙相區(qū)后緩慢冷卻C.冷變形加工D.長(zhǎng)時(shí)間高溫退火15.下列鑄鐵中，綜合力學(xué)性能最好的是（）。A.灰鑄鐵B.可鍛鑄鐵C.球墨鑄鐵D.蠕墨鑄鐵二、填空題（每空1分，共20分）1.金屬的晶體缺陷主要包括（）、（）和（）三類。2.鐵碳合金的基本相有（）、（）和（）。3.鋼的熱處理工藝由（）、（）和（）三個(gè)階段組成。4.馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)是（）、（）和（）。5.常用的淬火介質(zhì)有（）和（），其中（）的冷卻能力更強(qiáng)。6.球墨鑄鐵的石墨形態(tài)為（），其力學(xué)性能接近（）。7.40Cr鋼屬于（）鋼，其最終熱處理通常為（）。三、判斷題（每題1分，共10分。正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）1.所有金屬的結(jié)晶過程都需要過冷度。（）2.奧氏體的溶碳能力比鐵素體強(qiáng)。（）3.退火的冷卻速度比正火快。（）4.鋼的含碳量越高，硬度越高，塑性和韌性越低。（）5.馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。（）6.可鍛鑄鐵可以鍛造加工。（）7.高速鋼刀具采用“二次硬化”是因?yàn)榛鼗饡r(shí)析出了細(xì)小彌散的碳化物。（）8.鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化效果隨時(shí)間延長(zhǎng)而一直增加。（）9.鑄鐵中的石墨會(huì)割裂基體，因此石墨數(shù)量越多，鑄鐵的力學(xué)性能越差。（）10.表面淬火主要用于中碳鋼和中碳合金鋼，以提高表層硬度和耐磨性。（）四、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述細(xì)化晶粒的常用方法及其原理。2.比較退火與正火的異同點(diǎn)（從加熱溫度、冷卻方式、組織性能、應(yīng)用場(chǎng)景四方面分析）。3.說明45鋼（含碳量0.45%）從液態(tài)冷卻至室溫的平衡結(jié)晶過程（用鐵碳相圖關(guān)鍵點(diǎn)描述）。4.分析淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變階段及對(duì)應(yīng)的性能變化。5.為什么高速鋼刀具需要采用“高溫淬火+多次回火”工藝？五、綜合分析題（每題10分，共20分）1.某汽車齒輪要求表面高硬度（58-62HRC）、心部良好的強(qiáng)韌性（25-35HRC），工作時(shí)承受沖擊載荷和磨損。試選擇合適的材料（需說明鋼種），并設(shè)計(jì)完整的熱處理工藝路線（含各工序的目的和溫度范圍），最后分析最終組織。2.現(xiàn)有一根T10鋼（含碳量1.0%）制成的沖頭，使用中發(fā)現(xiàn)刃口易磨損、斷裂。經(jīng)檢驗(yàn)，沖頭的熱處理工藝為：800℃加熱后水淬，200℃回火。試分析可能的問題原因，并提出改進(jìn)措施（需結(jié)合T10鋼的特性和熱處理工藝原理）。答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.答案：A解析：純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度為912℃（α-Fe→γ-Fe）和1394℃（γ-Fe→δ-Fe），其中α-Fe和δ-Fe為體心立方（BCC），γ-Fe為面心立方（FCC）。2.答案：C解析：鎂（Mg）的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方（HCP）；鐵（Fe）室溫為BCC（α-Fe），銅（Cu）和鋁（Al）為FCC。3.答案：C解析：滲碳體（Fe?C）是鐵與碳的間隙化合物，硬度極高（約800HBW），而鐵素體（F）軟韌（約80HBW），奧氏體（A）塑性好，珠光體（P）是F與Fe?C的層狀混合物，硬度介于兩者之間。4.答案：A解析：亞共析鋼（含碳量<0.77%）室溫平衡組織為鐵素體（先共析F）+珠光體（P）；過共析鋼（>0.77%）為P+二次滲碳體（Fe?CⅡ）。5.答案：B解析：共晶反應(yīng)發(fā)生在1148℃（C點(diǎn)，含碳量4.3%），反應(yīng)式為L(zhǎng)c→（Ae+Fe?C），生成萊氏體（Le）；共析反應(yīng)發(fā)生在727℃（S點(diǎn)，含碳量0.77%），反應(yīng)式為As→（Fp+Fe?C），生成珠光體（P）。6.答案：C解析：淬火通常采用水或油快速冷卻（冷速>臨界冷卻速度），正火為空冷（冷速較慢），退火為爐冷（冷速最慢），回火為任意冷卻（一般空冷）。7.答案：A解析：45鋼為中碳鋼，淬火后得到馬氏體（M），馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，硬度高但脆性大。8.答案：C解析：再結(jié)晶退火用于消除冷變形后的加工硬化（如冷軋鋼板），加熱至再結(jié)晶溫度以上使變形晶粒重新結(jié)晶為等軸晶粒；完全退火用于亞共析鋼的組織均勻化，球化退火用于過共析鋼改善切削性，擴(kuò)散退火用于消除鑄錠成分偏析。9.答案：A解析：高速鋼（如W18Cr4V）淬火后需低溫回火（150-250℃），目的是消除淬火應(yīng)力，同時(shí)利用“二次硬化”（回火時(shí)析出W?C、VC等細(xì)小碳化物）提高硬度和耐磨性。10.答案：A解析：灰鑄鐵的石墨呈片狀（割裂基體嚴(yán)重，力學(xué)性能差）；球墨鑄鐵為球狀（對(duì)基體割裂小，性能接近鋼），可鍛鑄鐵為團(tuán)絮狀，蠕墨鑄鐵為蠕蟲狀。11.答案：D解析：過共析鋼含碳量>0.77%，T12鋼含碳量約1.2%；T8鋼為共析鋼（0.77%），45鋼（0.45%）和Q235（低碳鋼）為亞共析鋼。12.答案：C解析：淬透性是鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，主要取決于合金元素（如Cr、Mn、Mo等提高淬透性）；淬硬性主要取決于含碳量。13.答案：A解析：低溫回火（150-250℃）得到回火馬氏體（M回），保持高硬度（58-64HRC）和耐磨性，同時(shí)消除淬火內(nèi)應(yīng)力；中溫回火（350-500℃）得到回火托氏體（T回），用于彈性零件；高溫回火（500-650℃）得到回火索氏體（S回），用于綜合性能要求高的零件（如軸類）。14.答案：A解析：鋁合金的固溶強(qiáng)化（如6061Al）是將合金加熱至單相區(qū)（α固溶體）后快速冷卻（淬火），使溶質(zhì)原子過飽和固溶于基體中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度。15.答案：C解析：球墨鑄鐵的石墨呈球狀，對(duì)基體的割裂作用最小，力學(xué)性能（尤其是塑性、韌性）接近鋼，可替代部分鑄鋼使用。二、填空題1.點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）；線缺陷（位錯(cuò)）；面缺陷（晶界、亞晶界）2.鐵素體（F）；奧氏體（A）；滲碳體（Fe?C）3.加熱；保溫；冷卻4.無(wú)擴(kuò)散性；切變共格性；轉(zhuǎn)變不完全性（或“具有一定的轉(zhuǎn)變溫度范圍Ms-Mf”）5.水；油；水6.球狀；鋼7.合金結(jié)構(gòu)（或“調(diào)質(zhì)”）；淬火+高溫回火（調(diào)質(zhì)處理）三、判斷題1.√（結(jié)晶的必要條件是過冷，實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度）2.√（奧氏體為FCC結(jié)構(gòu)，間隙大，溶碳量最高2.11%；鐵素體為BCC結(jié)構(gòu)，溶碳量?jī)H0.0218%）3.×（退火為爐冷，正火為空冷，正火冷卻速度更快）4.×（含碳量過高時(shí)，二次滲碳體沿晶界析出，塑性、韌性顯著下降，但硬度并非無(wú)限增加）5.√（馬氏體硬度主要取決于過飽和碳的固溶強(qiáng)化，含碳量越高，硬度越高）6.×（可鍛鑄鐵是鑄鐵經(jīng)石墨化退火得到，石墨呈團(tuán)絮狀，但其本質(zhì)是鑄鐵，不可鍛造）7.√（高速鋼回火時(shí)，W、Mo、V等合金元素形成細(xì)小彌散的碳化物（如W?C），產(chǎn)生“二次硬化”，提高硬度）8.×（鋁合金時(shí)效強(qiáng)化存在“最佳時(shí)效”，過時(shí)效后析出相粗化，強(qiáng)化效果下降）9.×（石墨數(shù)量過多會(huì)降低強(qiáng)度，但石墨形態(tài)（如球狀）比數(shù)量更關(guān)鍵，球墨鑄鐵石墨數(shù)量多但性能好）10.√（表面淬火通過快速加熱表層至Ac3以上，淬火后表層為馬氏體（高硬度），心部保持原始組織（良好韌性），適用于中碳鋼（如45鋼））四、簡(jiǎn)答題1.細(xì)化晶粒的常用方法及原理：①增加過冷度：過冷度越大，形核率（N）與長(zhǎng)大速率（G）的比值N/G越大，晶粒越細(xì)（適用于小型鑄件）。②變質(zhì)處理（孕育處理）：在液態(tài)金屬中加入難熔質(zhì)點(diǎn)（如鋼中的Al、Ti），作為異質(zhì)晶核，增加形核率，細(xì)化晶粒（適用于大型鑄件）。③振動(dòng)或攪拌：通過機(jī)械振動(dòng)、超聲波或電磁攪拌，破碎正在生長(zhǎng)的樹枝晶，增加晶核數(shù)量，細(xì)化晶粒（適用于凝固過程控制）。2.退火與正火的異同點(diǎn)：|比較項(xiàng)|退火|正火||--------------|-------------------------------|-------------------------------||加熱溫度|亞共析鋼：Ac3+30-50℃；過共析鋼：Ac1+30-50℃（球化退火）|亞共析鋼：Ac3+30-50℃；過共析鋼：Accm+30-50℃||冷卻方式|爐冷（緩慢）|空冷（較快）||組織性能|亞共析鋼：F+P（粗大）；過共析鋼：P+Fe?CⅡ（球狀），硬度較低（170-220HBW）|亞共析鋼：F+P（細(xì)?。?；過共析鋼：P+Fe?CⅡ（網(wǎng)狀），硬度較高（180-250HBW）||應(yīng)用場(chǎng)景|消除內(nèi)應(yīng)力、改善切削性、細(xì)化組織（用于復(fù)雜件或最終熱處理前）|作為預(yù)備熱處理（替代部分退火）或最終熱處理（用于低中碳鋼不重要零件）|3.45鋼的平衡結(jié)晶過程：①液態(tài)（L）冷卻至液相線（約1500℃）以下，開始析出δ固溶體（δ）；②冷卻至固相線（約1450℃），完全凝固為δ固溶體；③冷卻至912℃時(shí)，δ-Fe發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe（奧氏體A）；④繼續(xù)冷卻至GS線（A3，約790℃）以下，從奧氏體中析出先共析鐵素體（F）；⑤冷卻至PSK線（A1，727℃）時(shí)，剩余奧氏體（含碳0.77%）發(fā)生共析反應(yīng)，生成珠光體（P=F+Fe?C）；⑥室溫組織：先共析鐵素體（約50%）+珠光體（約50%）。4.淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變及性能變化：①第一階段（100-200℃）：馬氏體分解，析出ε-碳化物（Fe?.?C），形成回火馬氏體（M回），硬度略有下降，內(nèi)應(yīng)力部分消除。②第二階段（200-300℃）：殘余奧氏體（Ar）分解為下貝氏體（B下）或回火馬氏體，硬度繼續(xù)下降，內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步降低。③第三階段（300-400℃）：ε-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體（Fe?C），形成回火托氏體（T回，極細(xì)Fe?C+鐵素體），硬度顯著下降，塑性提高。④第四階段（400℃以上）：滲碳體聚集長(zhǎng)大，形成回火索氏體（S回，粗粒狀Fe?C+鐵素體），硬度、強(qiáng)度降低，塑性、韌性達(dá)到峰值（綜合性能良好）。5.高速鋼“高溫淬火+多次回火”的原因：①高溫淬火（1280-1300℃）：使W、Cr、V等合金元素充分溶解于奧氏體中，提高淬火后馬氏體的合金含量，為后續(xù)回火的“二次硬化”提供條件。②多次回火（550-570℃，3-4次）：消除殘余奧氏體（高速鋼淬火后殘余奧氏體量高達(dá)30%，一次回火僅部分轉(zhuǎn)變，多次回火可使其完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體）；促進(jìn)合金碳化物（如W?C、VC）的彌散析出，產(chǎn)生“二次硬化”，提高硬度和熱硬性（刀具在高溫下保持硬度的能力）。五、綜合分析題1.汽車齒輪的材料選擇及熱處理工藝：材料選擇：20CrMnTi（低碳合金滲碳鋼）。原因：低碳（0.17-0.23%）保證心部良好韌性；Cr、Mn提高淬透性，Ti阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大（細(xì)化晶粒）。熱處理工藝路線：①正火（900-920℃空冷）：消除鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善切削加工性。②滲碳（900-930℃，滲碳劑中保溫