2025年金属材料与热处理练习题库+参考答案

2025年金属材料与热处理练习题库+参考答案一、单项选择题1.下列金属晶体结构中，塑性最好的是（）A.体心立方（BCC）B.面心立方（FCC）C.密排六方（HCP）D.非晶态结构答案：B。面心立方结构的滑移系数量多且滑移方向密排，原子间结合力均匀，塑性优于体心立方和密排六方结构。2.铁碳相图中，共析反应的产物是（）A.莱氏体（Ld）B.珠光体（P）C.奥氏体（A）D.铁素体（F）答案：B。共析反应为A（0.77%C）→F（0.0218%C）+Fe₃C（6.69%C），产物是珠光体。3.下列热处理工艺中，以获得马氏体为主要目的的是（）A.完全退火B.正火C.淬火D.球化退火答案：C。淬火通过快速冷却（大于临界冷却速度）使过冷奥氏体转变为马氏体。4.40Cr钢属于（）A.碳素结构钢B.合金渗碳钢C.合金调质钢D.合金工具钢答案：C。40Cr含碳量约0.4%，Cr为合金元素，主要用于调质处理获得综合力学性能。5.铸铁中石墨形态为片状时，其材料类型是（）A.灰铸铁B.可锻铸铁C.球墨铸铁D.蠕墨铸铁答案：A。灰铸铁的石墨呈片状，割裂基体严重，塑性和韧性低。6.金属发生加工硬化后，其（）A.强度提高，塑性降低B.强度降低，塑性提高C.强度和塑性均提高D.强度和塑性均降低答案：A。加工硬化因位错密度增加、滑移阻力增大，导致强度上升，但位错缠结限制了进一步变形，塑性下降。7.下列回火工艺中，用于制造刀具（要求高硬度）的是（）A.低温回火（150-250℃）B.中温回火（350-500℃）C.高温回火（500-650℃）D.时效处理答案：A。低温回火可保持马氏体的高硬度（58-64HRC），同时消除淬火应力。8.衡量材料抵抗局部塑性变形能力的指标是（）A.强度B.硬度C.韧性D.疲劳强度答案：B。硬度反映材料表面抵抗压入或划痕的能力，与局部塑性变形密切相关。9.铝合金固溶处理后进行时效的目的是（）A.提高耐蚀性B.消除内应力C.析出强化相D.细化晶粒答案：C。时效通过过饱和固溶体分解，析出细小弥散的第二相粒子，阻碍位错运动，实现强化。10.下列组织中，硬度最高的是（）A.铁素体（F）B.奥氏体（A）C.渗碳体（Fe₃C）D.珠光体（P）答案：C。渗碳体是铁与碳的间隙化合物，硬度约800HBW，远高于其他组织。二、判断题（正确√，错误×）1.所有金属在固态下都是晶体结构。（）答案：×。非晶态金属（如金属玻璃）在固态下为无序结构，但工程中常见金属多为晶体。2.钢的含碳量越高，其淬火后的硬度一定越高。（）答案：×。当含碳量超过0.77%时，淬火后残余奥氏体量增加，硬度不再显著提高，甚至下降。3.正火的冷却速度比退火快，因此正火后的组织更细，强度和硬度更高。（）答案：√。正火采用空冷，冷却速度大于退火（炉冷），得到的珠光体片层更薄，力学性能更优。4.球墨铸铁通过石墨球化处理，其塑性和韧性可接近钢材。（）答案：√。球状石墨对基体的割裂作用小，应力集中低，故球墨铸铁（如QT600-3）具有较高的强度和韧性。5.马氏体转变是一种无扩散的切变过程，因此转变后不发生体积变化。（）答案：×。马氏体比容大于奥氏体，转变时会引起体积膨胀，易导致淬火裂纹。6.加工硬化现象仅在冷变形时发生，热变形过程中不会出现。（）答案：×。热变形中加工硬化与动态回复/再结晶同时进行，若后者速率大于前者，则无明显加工硬化；否则仍可能残留。7.灰铸铁不能进行热处理强化，因其石墨形态无法改变。（）答案：×。灰铸铁可通过表面淬火提高表层硬度，或通过退火消除内应力，但整体力学性能受石墨形态限制。8.铝合金的时效强化效果随时间延长持续增强。（）答案：×。时效存在“最佳时效”阶段，过时效后析出相粗化，强化效果减弱。9.铁素体的含碳量低于奥氏体，因此其溶碳能力更强。（）答案：×。奥氏体的面心立方结构间隙更大，溶碳能力（最大2.11%C）远高于铁素体（最大0.0218%C）。10.回火索氏体与索氏体的区别在于，前者由马氏体回火形成，后者由奥氏体直接转变形成。（）答案：√。回火索氏体是淬火马氏体在高温回火后形成的铁素体+粒状渗碳体组织，而索氏体是奥氏体在正火或等温转变中形成的层状珠光体。三、简答题1.简述细晶强化的原理及实现方法。答案：细晶强化是通过细化晶粒提高材料强度的方法。原理：晶粒越细，晶界越多，晶界阻碍位错运动的能力越强（晶界处原子排列不规则，位错需额外能量才能穿过）；同时，细晶粒的应力集中较小，断裂所需能量更高。实现方法：①增加过冷度（如提高冷却速度），增加形核率；②变质处理（加入形核剂，如钢中加钛、铝）；③振动或搅拌（促进晶核形成）；④控制变形量与再结晶温度（通过冷变形+再结晶获得细晶）。2.比较完全退火与球化退火的工艺、目的及应用。答案：工艺：完全退火是将钢加热至Ac3以上30-50℃，保温后随炉缓慢冷却；球化退火是加热至Ac1以上20-30℃（或交替加热冷却），保温后缓冷。目的：完全退火用于细化晶粒、消除内应力、降低硬度（改善切削性能），主要针对亚共析钢；球化退火使渗碳体球化，降低硬度（≤200HBW）、改善切削性并为淬火作准备，主要用于过共析钢（如工具钢）。应用：完全退火用于中碳钢（如45钢）的锻件、铸件；球化退火用于T10钢等高碳钢的刀具毛坯。3.说明马氏体转变的主要特点。答案：①无扩散性：原子不进行长程扩散，仅作切变位移；②切变共格性：马氏体与母相奥氏体保持共格关系，形成表面浮凸；③高速性：转变速度极快（接近声速），通常在Ms-Mf温度范围内瞬间完成；④不完全性：冷却至Mf以下仍有部分奥氏体未转变（残余奥氏体）；⑤高硬度性：马氏体含碳量越高，硬度越高（主要因过饱和碳固溶引起晶格畸变）；⑥体积膨胀：马氏体比容大于奥氏体，导致零件尺寸增大。4.分析45钢（含碳0.45%）淬火后硬度不足的可能原因。答案：①加热温度不足：未达到Ac3（约780℃），奥氏体未充分形成，淬火后残留铁素体，硬度降低；②保温时间过短：奥氏体成分不均匀（局部碳含量低），淬火后马氏体量减少；③冷却速度不够：小于临界冷却速度（V临），部分奥氏体转变为珠光体或贝氏体，未全部转马氏体；④钢材成分偏差：实际含碳量低于0.45%（如冶炼误差），马氏体中碳含量不足；⑤表面脱碳：加热时未保护，表层碳被氧化，淬火后表层马氏体含碳量低，硬度下降；⑥淬火介质选择不当：如水温过高（>30℃），冷却能力下降，或使用油冷（对45钢而言冷却速度可能不足）。四、综合分析题某汽车变速箱齿轮（承受交变载荷、冲击及齿面磨损），要求表面高硬度（58-62HRC）、心部良好强韧性（25-35HRC）。现有20CrMnTi、45钢、T12钢三种材料可选，试：（1）选择合适材料；（2）设计热处理工艺路线；（3）说明各工艺的作用。答案：（1）材料选择：20CrMnTi。原因：齿轮需表面高硬度（耐磨）、心部强韧性（抗冲击），20CrMnTi为合金渗碳钢，含碳量低（0.17-0.23%）保证心部韧性，Cr、Mn、Ti提高淬透性并细化晶粒，适合渗碳淬火处理。（2）热处理工艺路线：下料→锻造→正火→机械加工→渗碳（900-950℃，渗碳层深0.8-1.2mm）→预冷淬火（830-850℃油冷）→低温回火（180-200℃，1-2h）→喷丸→磨齿。（3）各工艺作用：①正火：消除锻造应力，细化晶粒，调整硬度（170-217HBW），改善切削性能；②渗碳：增加表层碳含量（0.8-1.0%C），形成高碳奥氏体区；③预冷淬火：表层高碳奥氏体以大于V临的速度冷却转马氏体（高硬度），心部低碳奥氏体因淬透性好也转马氏体（或贝氏体），保证心部强度；④低温回火：消除淬火应力，稳定