《金屬材料與熱處理》試題含答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種晶體結構屬于非密排結構？A.面心立方（FCC）B.體心立方（BCC）C.密排六方（HCP）D.金剛石結構2.金屬結晶時，細化晶粒的最有效方法是：A.提高冷卻速度B.增加過冷度C.加入形核劑D.降低澆注溫度3.鐵碳合金中，萊氏體的組成相是：A.鐵素體（F）+滲碳體（Fe?C）B.奧氏體（A）+滲碳體（Fe?C）C.珠光體（P）+滲碳體（Fe?C）D.馬氏體（M）+殘余奧氏體（A’）4.下列熱處理工藝中，屬于表面熱處理的是：A.完全退火B(yǎng).淬火+低溫回火C.感應加熱表面淬火D.球化退火5.純鐵在912℃時發(fā)生同素異構轉變，其晶體結構由：A.FCC轉變?yōu)锽CCB.BCC轉變?yōu)镕CCC.BCC轉變?yōu)镠CPD.FCC轉變?yōu)镠CP6.以下哪種強化機制的本質是阻礙位錯運動？A.固溶強化B.細晶強化C.第二相強化D.以上都是7.45鋼（含碳量0.45%）調質處理后的組織是：A.回火馬氏體B.回火屈氏體C.回火索氏體D.珠光體8.灰鑄鐵的力學性能主要取決于：A.基體組織B.石墨形態(tài)C.碳含量D.硅含量9.下列鋁合金中，屬于變形鋁合金的是：A.ZL102（鑄造鋁硅合金）B.2A12（硬鋁）C.ZL201（鑄造鋁銅合金）D.ZL301（鑄造鋁鎂合金）10.馬氏體轉變的主要特點是：A.擴散性、切變共格B.無擴散、切變共格C.擴散性、非共格D.無擴散、非共格二、填空題（每空1分，共20分）1.金屬的晶體缺陷按幾何特征可分為______、______和______三類。2.鐵碳合金中，共晶反應的溫度是______℃，反應式為______；共析反應的溫度是______℃，反應式為______。3.鋼的淬火加熱溫度選擇原則：亞共析鋼為______，過共析鋼為______。4.常見的金屬塑性變形方式有______和______，其中______是主要變形方式。5.球墨鑄鐵的石墨形態(tài)為______，其力學性能接近______，主要原因是______。6.鋁合金的強化方式主要有______和______，其中硬鋁主要通過______強化。三、判斷題（每題2分，共20分，正確打“√”，錯誤打“×”）1.所有金屬的晶體結構都是密排結構。（）2.金屬的實際結晶溫度一定低于理論結晶溫度。（）3.過共析鋼的平衡組織為珠光體+二次滲碳體。（）4.完全退火只適用于亞共析鋼，而過共析鋼應采用球化退火。（）5.馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，含碳量越高，硬度越高。（）6.鑄鐵中石墨的存在會降低其強度，但能提高其耐磨性和減震性。（）7.變形鋁合金的塑性優(yōu)于鑄造鋁合金，因此不能通過鑄造方法成形。（）8.固溶強化中，間隙固溶體的強化效果比置換固溶體更顯著。（）9.回火索氏體與索氏體的區(qū)別在于，前者是淬火后回火得到的，后者是正火或退火得到的。（）10.感應加熱表面淬火的淬硬層深度主要取決于加熱時間，加熱時間越長，淬硬層越深。（）四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述金屬晶體與非晶體的主要區(qū)別（從結構、性能兩方面回答）。2.為什么細晶強化是唯一能同時提高金屬強度和塑性的強化方式？3.比較正火與退火的主要區(qū)別（從加熱溫度、冷卻方式、組織性能、應用范圍四方面回答）。4.分析40Cr鋼（合金結構鋼）經(jīng)“淬火+高溫回火”處理后，其組織和性能的變化規(guī)律。5.簡述鑄鐵中石墨形態(tài)對性能的影響（對比灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵）。五、綜合分析題（10分）某廠生產的20鋼（含碳量0.20%）齒輪，要求表面具有高硬度（58-62HRC）和耐磨性，心部具有良好的強韌性（25-35HRC）。請設計其加工工藝路線（含熱處理工序），并說明各熱處理工序的目的。六、計算題（10分）計算含碳量為1.2%的鐵碳合金在室溫下的組織組成物及相組成物的相對含量（已知：共析點含碳量0.77%，滲碳體含碳量6.69%）。參考答案與解析一、單項選擇題1.答案：B【解析】體心立方（BCC）的致密度為0.68，屬于非密排結構；面心立方（FCC）和密排六方（HCP）的致密度均為0.74，屬于密排結構；金剛石結構為共價晶體，非金屬晶體結構。2.答案：C【解析】增加過冷度（如提高冷卻速度）可細化晶粒，但受限于實際生產條件；加入形核劑（變質處理）是最有效且可控的方法，通過增加異質形核核心細化晶粒。3.答案：B【解析】萊氏體（Ld）是共晶反應的產物，高溫萊氏體（Ld）由奧氏體（A）和滲碳體（Fe?C）組成；室溫下奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w（P），形成低溫萊氏體（Ld’），但組成相仍為P+Fe?C（本質是A+Fe?C的轉變產物）。4.答案：C【解析】感應加熱表面淬火僅對工件表層加熱并淬火，屬于表面熱處理；完全退火、球化退火為整體熱處理；淬火+低溫回火是整體強化工藝。5.答案：B【解析】純鐵的同素異構轉變：912℃以下為α-Fe（BCC），912-1394℃為γ-Fe（FCC），1394-1538℃為δ-Fe（BCC）。因此912℃時由BCC（α-Fe）轉變?yōu)镕CC（γ-Fe）。6.答案：D【解析】固溶強化通過溶質原子阻礙位錯運動；細晶強化通過晶界阻礙位錯運動；第二相強化通過第二相粒子阻礙位錯運動（切割或繞過機制），本質均為位錯阻礙。7.答案：C【解析】調質處理是淬火+高溫回火（500-650℃），得到回火索氏體（細小粒狀滲碳體+鐵素體），具有良好的綜合力學性能（強韌性匹配）。8.答案：B【解析】灰鑄鐵的基體多為珠光體或鐵素體，但石墨呈片狀，對基體割裂嚴重，因此石墨形態(tài)（如片的大小、數(shù)量、分布）是影響性能的關鍵因素。9.答案：B【解析】變形鋁合金塑性好，適合壓力加工（如軋制、鍛造），包括防銹鋁（5XXX）、硬鋁（2XXX）、超硬鋁（7XXX）等；鑄造鋁合金（ZL系列）含合金元素多，流動性好，適合鑄造。10.答案：B【解析】馬氏體轉變是無擴散的切變過程，原子不發(fā)生長程擴散，僅作集體切變，形成與母相（奧氏體）共格的體心正方結構（含碳量較高時）或體心立方結構（含碳量低時）。二、填空題1.點缺陷；線缺陷；面缺陷2.1148；L→A+Fe?C；727；A→F+Fe?C3.Ac?+30-50℃；Ac?+30-50℃4.滑移；孿生；滑移5.球狀；鋼；球狀石墨對基體的割裂作用最小6.固溶強化；時效強化；時效（或沉淀）三、判斷題1.×（解析：如α-Fe為體心立方，非密排結構）2.√（解析：實際結晶需過冷度，實際結晶溫度低于理論結晶溫度）3.√（解析：過共析鋼平衡冷卻時，先析出二次滲碳體（Fe?CⅡ），剩余奧氏體在727℃發(fā)生共析反應生成珠光體（P），故室溫組織為P+Fe?CⅡ）4.√（解析：完全退火加熱至Ac?以上，過共析鋼會因二次滲碳體溶解不完全，冷卻時沿晶界析出網(wǎng)狀Fe?CⅡ，降低韌性；球化退火加熱至Ac?以上，使Fe?C球化，改善切削性能）5.√（解析：馬氏體硬度主要取決于含碳量，碳含量增加，晶格畸變加劇，硬度升高；但碳含量過高（>0.6%）時，殘余奧氏體增多，硬度上升趨緩）6.√（解析：石墨力學性能差（近似于空穴），降低強度；但石墨可儲存潤滑油，提高耐磨性，且石墨能吸收振動，提高減震性）7.×（解析：變形鋁合金塑性好，但也可通過鑄造成形，只是鑄造鋁合金的合金元素含量更高，流動性更好）8.√（解析：間隙原子（如C、N）尺寸小，嵌入晶格間隙引起的畸變更大，阻礙位錯運動的效果更顯著）9.√（解析：回火索氏體是淬火馬氏體經(jīng)高溫回火得到的（粒狀滲碳體+鐵素體），索氏體是過冷奧氏體在600-650℃等溫轉變或正火得到的（片狀滲碳體+鐵素體），兩者組織形態(tài)不同）10.×（解析：感應加熱表面淬火的淬硬層深度主要取決于電流頻率，頻率越低，透入深度越大，淬硬層越深；加熱時間過長會導致表層過熱，晶粒粗大）四、簡答題1.答案要點：結構方面：金屬晶體原子規(guī)則排列（長程有序），有固定熔點；非晶體原子無序排列（短程有序、長程無序），無固定熔點。性能方面：晶體具有各向異性（如單晶體的力學、電學性能隨方向變化）；非晶體各向同性（如玻璃的力學性能無方向差異）。2.答案要點：細晶強化通過減小晶粒尺寸實現(xiàn)。晶粒越細，晶界越多，位錯運動時需繞過晶界，增加了位錯運動阻力（霍爾-佩奇公式：σs=σ0+kd?1/2），提高強度；同時，細晶粒中變形更均勻（多晶粒協(xié)調變形能力強），減少應力集中，延緩裂紋擴展，因此塑性也提高。其他強化方式（如固溶強化、第二相強化）會增加晶格畸變或第二相粒子，雖提高強度但降低塑性。3.答案要點：加熱溫度：正火為Ac?（亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）+30-50℃；退火為Ac?（完全退火）或Ac?（球化退火）+30-50℃。冷卻方式：正火采用空冷（冷卻速度較快）；退火采用爐冷（冷卻速度慢）。組織性能：正火得到細片狀珠光體（索氏體），強度、硬度高于退火（退火得到粗片狀珠光體或鐵素體+珠光體）。應用范圍：正火用于改善切削性能、消除網(wǎng)狀碳化物（過共析鋼）或作為最終熱處理（低中碳鋼）；退火用于消除內應力、細化晶粒（完全退火）或改善切削性能（球化退火，過共析鋼）。4.答案要點：40Cr鋼淬火后得到馬氏體組織（含碳量0.4%，合金元素Cr提高淬透性），硬度高（約55-60HRC），但脆性大；高溫回火（500-650℃）時，馬氏體分解，碳化物聚集長大，形成回火索氏體（細小粒狀滲碳體+鐵素體）。最終性能：強度、硬度下降（25-35HRC），但塑性、韌性顯著提高，獲得良好的綜合力學性能（強韌性匹配），適用于軸類、齒輪等承受循環(huán)載荷的零件。5.答案要點：灰鑄鐵：石墨呈片狀，對基體割裂嚴重，應力集中明顯，故強度、塑性低（抗拉強度約150-300MPa，延伸率近0%），但耐磨性、減震性好。可鍛鑄鐵：石墨呈團絮狀，對基體割裂減輕，強度、塑性提高（抗拉強度約300-450MPa，延伸率2-10%），但不可鍛造（名稱為歷史沿用）。球墨鑄鐵：石墨呈球狀，對基體割裂最小，應力集中極輕，力學性能接近鋼（抗拉強度可達600-800MPa，延伸率2-18%），可部分替代鋼制造復雜零件。五、綜合分析題工藝路線：鍛造→正火→粗加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工各熱處理工序目的：1.正火：消除鍛造應力，細化晶粒，均勻組織，改善切削性能（20鋼鍛后組織可能粗大，正火后得到細片狀珠光體+鐵素體，硬度適中）。2.滲碳：在900-950℃下將碳原子滲入表層（滲碳層深度0.8-1.2mm），使表層含碳量提高至0.8-1.0%，心部保持原含碳量（0.2%），為后續(xù)淬火做準備。3.淬火：表層高碳奧氏體快速冷卻（水或油冷）轉變?yōu)轳R氏體，獲得高硬度（58-62HRC）；心部低碳奧氏體冷卻后轉變?yōu)榈吞捡R氏體或托氏體，保持良好韌性。4.低溫回火（150-200℃）：消除淬火內應力，穩(wěn)定組織，減少脆性，同時保持表層高硬度和耐磨性（回火馬氏體）。六、計算題已知條件：室溫下組織為珠光體（P）+二次滲碳體（Fe?CⅡ）；相組成為鐵素體（F）+滲碳體（Fe?C）。組織組成物計算（杠桿定律）：珠光體（P）含碳量0.77%，二次滲碳體（Fe?CⅡ）含碳量6.69%。合金含碳量C=1.2%，位于0.77%-2.11%之間（過共析鋼）。組織組成物相對含量：Fe?CⅡ%=[(C0.77)/(6.690.77)]×100%=[(1.20.77)/(6.690.77)]×