《金属材料及热处理》期末复习试题部分有答案

哈尔滨工业大学（威海）2012/2013学年秋季学期

金属学及热处理A.试题卷（A）

考试形式（开、闭卷）：闭卷答题时间：120（分钟）本卷面成绩占课程成绩&%

题卷面平时课程

—■=

号1四五七八

总分成绩总成绩

分

数

一、名词解释（每题2分，共40分）

得分

湍

1.固溶体

2.晶胞

3.结构起伏

遵

守4.枝晶偏析

考

试5.珠光体

纪

律

6.滑移

注

意

7.细晶强化

行

为

规

范

出题教师签字:教研室主任签字:第1页（共27页）

8.回复

9.惯析面

10.球化退火

11.时效强化

12.离异共晶

13.三次渗碳体

14.超塑性

15.淬透性

16.中温回火

17.刚度

18.调质

19.软位向

20.下贝氏体

二、简答题（每题6分，共24分）

得分

1.影响置换固溶体固溶度的因素有哪些?

2.简述滑移与李生的异同，比较它们在塑形变形过程中的作用？

3.试推导球状晶核在液相中形成时的临界形核半径及形核功?

4.简述不同温度下的回复机制？

三、计算题（第一题10分,第二题12分,共22分）

得分

1.画出纯铜晶体的一个晶胞并完成下列工作:

（1）计算其致密度。

（2）求（121）与（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴

所构成的晶面的晶面指数。

2.绘制铁碳平衡相便并标出图中各区相组成；写出包晶反应、共晶反应、共析

反应的反应式并注明反应温度。试分析含碳量为0.40wt.%的铁碳合金冷却时的

组织转变过程并计算钢中组织组成物（先共析铁素体和珠光体）和相组成物（铁

素体和渗碳体）的相对含量。

四、论述题(每题14分，共14分)

普通车床的主轴要求具备较好的综合力学性能，一般选用中碳合金钢40Cr

(0.4%C)制造，加工工艺路线如下：锻造—正火-＞切削加工一淬火-＞回火一

精磨一装配.

1.若不经正火工艺，会对零件的组织与性能产生什么影响？

2.淬火加热的临界温度应如何选择？淬火得到什么组织？

3.选择什么温度回火？与淬火组织相比，回火组织的性能有什么变化？

4.在不考虑成本的前提下，要想进一步提高轴颈表面的耐磨性，请你推荐其他

的强化方法并简述理由？

哈尔滨工业大学（威海）2012/2013学年秋季学期

金属学及热处理A试题卷（A）参考答案

考试形式（开、闭卷）：闭卷答题时间：120（分钟）本卷面成绩占课程成绩&%

题卷面平时课程

—■=

号1四五七八

总分成绩总成绩

分

数

一、名词解释（每题2分，共40分）

得分

1.固溶体：一种或多种溶质原子溶入主组元（溶剂组元）的晶格中且仍保持溶剂

组元晶格类型的一类固态物质。

2.晶胞：晶格最小的空间单位。一般为晶格中对称性最高、体积最小的某种平

行六面体。

3.结构起伏：熔体中原子的热运动和相互作用力导致的原子团分布不均匀现

象。

4.枝晶偏析：合金以树枝状凝固时:枝晶干中心部位与枝晶间的溶质浓度明显

不同的成分不均匀现象。

5.珠光体：奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。

6.滑移：晶体相邻部分在切应力作用下沿一定晶体学平面和方向的相对移动。

是金属晶体塑性变形的主要方式。

7.细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，

工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。

8.回复：经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变之前所发生

的某些亚结构和性能的变化过程。

9.惯析面：固态相变时新相往往沿母相的一定晶面优先形成，该晶面被称为惯

析面。

10.球化退火:将钢加热到Acl以上20〜30℃,保温一段时间,然后缓慢冷却

到略低于Ari的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体

上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。

11.时效强化：合金元素经固溶处理后，获得过饱和固溶体。在随后的室温放

置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度，硬度以及物

理和化学性能的显著变化，这一过程被称为时效强化。

12.离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶相数

量较多，共晶相数量很少，共晶中与初晶相同的那一相会依附初晶长大，另外

一个相单独分布于晶界处，使得共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称

为离异共晶。

13.三次渗碳体：从铁素体F中析出的渗碳体叫三次渗碳体

14.超塑性：超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低

的流变抗力、异常高的流变性能的现象。

15.淬透性：表示钢在一定条件下淬火时获得淬硬层（马氏体层）深度。它是

衡量各个不同钢种接受淬火能力的重要指标之一。

16.中温回火：回火温度范围为350-500摄氏度，回火后的组织为回火屈氏体

17.刚度：机械零件或构件抵抗弹性变形的能力。

18.调质：淬火加高温回火的综合热处理工艺。

19.软位向：滑移时临界分切应力中取向因子取极大值对应的屈服强度最低叫

软位向。

20.下贝氏体：当过冷奥氏体的温度下降到350至230℃范围时，所形成的产

物叫下贝氏体，是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机

械混合物。

二、简答题(每题6分，共24分)

得分

1.影响置换固溶体固溶度的因素有哪些？

答：影响固溶度的因素很多，主要包括以下几方面：

(1)组兀的晶体结构类型。晶体结构类型相同时组兀问形成无限固溶体的必要条

件。溶质与溶剂品格结构相同则固溶度大，反之较小。

(2)原子尺寸因素。从晶体稳定的观点看，相互替代的原子或离子尺寸愈接近,

则固溶体愈稳定。在其他条件相同的情况下，原子半径差小时，有利于形成

溶解度较大的固溶体。

(3)电负性。只有电负性相近的元素才有可能有大的溶解度。

(4)电子浓度因素。在研究IB族贵金属(Cu基、Ag基、Au基等)固溶体时，

发现在尺寸因素比较有利的情况下，溶质的原子价越高，则其在Cu、Ag、

Au中的溶解度越小。溶质原子价的影响实质上是由电子浓度所决定的。

2.简述滑移与李生的异同，比较它们在塑形变形过程中的作用？

答：滑移：一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切晶体作切变，切变时

原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；滑移面两侧晶体位向不变；滑

移所造成的台阶经抛光后，即使侵蚀也不会重现；滑移是一种不均匀切变，它

只集中在某一些晶面上大量进行，而各滑移带之间的晶体并没发生滑移。

与之相对应，李生主要区别如下：

季生：一部分晶体沿李晶面相对于另一部分晶体作切晶变，切变时原子移

动距离不是李生方向原子间距的整数倍；挛生面两边晶体位向不同，成镜面对

称；李晶经抛光后仍能显现，挛生改变晶体双向；挛生是一种均匀切变，即在

切变区内，与挛晶面平行的每一层原子面均相对于其比邻晶面沿挛生方向位移

了一定距离。

3.试推导球状晶核在液相中形成时的临界形核半径及形核功?

答：AG=—Jiry\G+

3v

令华=0可得：临界形核半径〃=一上二

drAGV

将八代入AG中可得临界形核功

]6的‘

△G'=

2

3(AGV)

4.简述不同温度下的回复机制？

答：(1)低温回复：主要涉及点缺陷的运动，空位或间隙原子移动到晶界或为错

处消失。空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺

陷密度大大下降。

(2)中温回复：随温度升高，原子活动能力增强，位错可以在滑移面上滑移

或交滑移，使异号位错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合,

使亚晶规整化。

(3)高温回复：原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移，主要

机制是多变化。

三、计算题(第一题10分,第二题12分,共22分)

得分

1.画出纯铜晶体的一个晶胞并完成下列工作：

(1)计算其致密度。

答：铜具有面心立方结构，其晶胞如右图所示

,43

」.一,nV.Q

致密度K=-L=-—

V/

/4,行、3

4x———a)'

.34

=0.74

(2)求(121)与(100)决定的晶带轴与(001)和(111)所决定的晶带轴

所构成的晶面的晶面指数。

(121)晶面与(100)晶面的晶带轴为［01-2］;

(001)晶面与(111)晶面的晶带轴为［-110］;

［01-2］晶带轴与［-110］晶带轴所构成的晶面的晶面指数为(221)

2.绘制铁碳平衡相便并标出图中各区相组成；写出包晶反应、共晶反应、共析

反应的反应式并注明反应温度。试分析含碳量为0.40wt.%的铁碳合金冷却时的

组织转变过程并计算钢中组织组成物(先共析铁素体和珠光体)和相组成物(铁

素体和渗碳体)的相对含量。

答：铁碳平衡相图如下图所示

其中：包晶反应：品+诙一九1495℃

共晶反应：屋—九+属3c1148℃

共析反应：%—+民3c727℃

含碳量为0.40wi.%的铁碳合金冷却时的组织转变过程如下：首先发生匀晶

转变从液相中析出8固溶体，冷却至1495℃时发生包晶转变形成奥氏体，但

由于钢中的含碳量大于0.17%,所以包晶转变结束后仍有液相存在，这些残余

的液相在随后的冷却过程中继续结晶成奥氏体；单相的奥氏体在冷却过程中在

晶界上开始析出铁素体，随温度的不断降低先共析铁素含量逐渐增加，当温度

降至727。（？时，发生共析反应形成珠光体，最终该钢在室温下的组织由先共析

铁素体和珠光体所组成。

钢中组织组成物的相对含量如下:

0.77-0.40

%x100%=49.5%

0.77-0.0218

%=1-49.5%=50.5%

钢中相组成物的相对含量如下:

6.69-0.40

①ax100%=94.3%

6.69-0.0218

①行=1—94.3%=5.7%

四、论述题（每题14分，共14分）

普通车床的主轴要求具备较好的综合力学性能，一般选用中碳合金钢40Cr

（0.4%C）制造，加工工艺路线如下：锻造—正火-＞切削加工一淬火-＞回火一

精磨一装配.

1.若不经正火工艺，会对零件的组织与性能产生什么影响？

2.淬火加热的临界温度应如何选择？淬火得到什么组织？

3.选择什么温度回火？与淬火组织相比，回火组织的性能有什么变化？

4.在不考虑成本的前提下，要想进一步提高轴颈表面的耐磨性，请你推荐其他

的强化方法并简述理由？

答：

I.因40Cr钢经锻造后呈现纤维状锻造组织,由于加工硬化导致材料硬度升高,

不利于后续的切削加工。

2.淬火加热温度一般选取Ac3或Acl以上一定温度，然后以大于临界淬火速

度冷却，经淬火后得到的组织为马氏体或贝氏体组织。

3.由于40Cr钢属于中碳钢且用于车床主轴，故淬火后应选择在500〜650。（2进

行高温回火，及调质处理以获得强度、塑形和韧性均较好的综合机械性能。

与淬火组织相比，高温回火后的组织为回火索氏体。

4.在不考虑成本的前提下，通过以下途径可以提高轴颈表面的耐磨性：表面

淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铭、热喷涂、离子注入以及激光

表面改性等。

哈尔滨工业大学（威海）2012/2013学年秋季学期

金属学及热处理A.试题卷（B）

考试形式（开、闭卷）：闭卷答题时间：120（分钟）本卷面成绩占课程成绩&%

题卷面平时课程

—■=

号1四五七八

总分成绩总成绩

分

数

一、名词解释（每题2分，共40分）

得分

1.相

2.晶格

3.成分起伏

4.宏观偏析

5.马氏体

6.挛生

7.细晶强化

8.再结晶

9.共晶反应

10.完全退火

11.正火

12.索氏体

13.二次渗碳体

14.超塑性

15.淬硬性

16.低温回火

17.刚度

18.调质

19.硬位向

20.固态相变

二、简答题（每题6分，共24分）

得分

1.为什么金属具有光泽、延展性及正的电阻温度系数、导电性及导热性?

2.为什么碳在y-Fe中的溶解度较其在a-Fe中的溶解度大?

3.影响形核率的因素?

4.简述多晶体塑形变形的特点？

三、计算题（第一题10分,第二题12分,共22分）

得分

1.计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度。

2.碳钢在平衡冷却条件下.所得显微组织中，含有50%的珠光体和50%的铁素

体，问：（1）此合金中含碳质量分数为多少？（2）若该合金加热到730℃,在平

衡条件下将获得什么组织?（3）若加热到850℃,又将得到什么组织？

四、论述题（每题14分，共14分）

塑料注塑机中的注塑螺杆一般用38CrMoAl钢制造，既要有一定的强度，又要

有较高的表面硬度和耐磨性。该杆的制造过程大致分为以下几个步骤：毛坯一

锻造一热处理⑴一粗加工一热处理（2）一精加工一表面渗氮一热处理⑶一成

品。请列出热处理（1）、（2）、（3）的工艺名称、热处理目的，并绘出这三种热处

理的工艺曲线。

哈尔滨工业大学（威海）/学年季学期

金属材料及热处理试题卷（样题）

考试形式（开、闭卷）：闭卷答题时间：120（分钟）本卷面成绩占课程成绩/%

n|r>题—■"[=四五六七卷面平时课程

於号

总分成绩总成绩

分

数

一、填空题（每空1分，共3（）分）得分

1、铝的单晶体中原子排列密度最高的晶面是,其原子半径可用晶格常数a

表示为O

疝

2、金属结晶一般包含与两个阶段，结晶时液相必须有足

够的,同时需要与其相适应的起伏与起伏。

遵对于合金，液相结晶时还应该具备起伏。

守

3、从相的结构来看，钢中的铁素体是一种，渗碳体是一种

考

试

纪4、二元共晶转变的反应式可以写为o

律

5、金属晶体塑性变形的主要方式是________________,体心立方点阵的晶体中，滑移阻力最

注

小的晶面为,晶向是O

意

行6、表现出较高强度和韧性的钢中马氏体具有状的形态，其亚结构是高密度的

为。贝氏体的形成温度通常在以下以

规上。可以采用的方法获得综合力学性能优异的下贝氏体组

范

织。

7、38CrMoAl中含碳,含Cr。

8、通常情况下，建筑塔吊的使用组织是_________________________，弹簧使用的组织是

，滚动轴承使用的组织是。

9、形石墨对铸铁基体的削弱作用最小，铸铁可以进行整体淬

火回火处理，用于制造一些重要的机器零件。

10、根据加工工艺不同，铝合金可以分为和

11、钢中含有杂质P会造成锯的,而S杂质会造成钢的

二、名词解释（每题2分，共10分）得分

1、合金

2、枝晶偏析

3、临界冷却速度

4、回复

5、回火脆性

三、判断题（每题1分，共10分）

得分

1、当液相的温度梯度为正时，合金结晶时的界面以平面状推移。（）

2、通常元素的扩散能力越差，越容易产生枝晶偏析，反映在相图中液固相线水平距离越大，

偏析越严重。（）

3、k0>l时，自左向右定向凝固的合金棒中出现左端溶质含最低、右端溶质含量高的现象属于

正偏析。（）

4、合金结晶的温度范围越大，流动性越好，越容易形成集中缩孔。（）

5、只有共晶点成分的合金才会在结晶时得到全部共晶体的组织。（）

6、固溶体结晶一定温度下固相与液相平衡时，两相的化学成分相同。（）

7、固溶体的力学性能往往接近其溶剂组元构成的金属，既有一定的强度同时还保持一定的韧

性。（）

8、含有Ti、Zr、V等元素的合金钢在热处理时容易得到细小的奥氏体晶粒。

（）

9、同一种钢，水冷获得的冷却速度比油冷更大，所以水冷时获得的淬透性更好。

（）

10、马氏体中的含碳量越高，c/a越大。（）

得分

四、根据Fe—Fe3c相图，回答以下问题（10分）

1、判断1495C,727c水平线上发生转变的类型，写出其转变式4分

2、分析Wc=1.2%的铁碳合金平衡凝固条件下室温组织的形成过程。4分

3、计算2中室温显微组织中各组织组成体的相对含量2分

"FcjC

a+Fe3c

56669

图1