2025年金属热处理习题库含参考答案

2025年金属热处理习题库含参考答案一、选择题1.共析钢过冷奥氏体在550350℃的温度区间等温转变时，所形成的组织是（）A.索氏体B.下贝氏体C.上贝氏体D.珠光体答案：C解析：共析钢过冷奥氏体在不同温度区间等温转变会形成不同组织。550350℃是上贝氏体的形成温度区间；索氏体是在650600℃形成；下贝氏体在350℃Ms温度区间形成；珠光体是在A1650℃形成。2.完全退火主要适用于（）A.亚共析钢B.共析钢C.过共析钢D.所有碳钢答案：A解析：完全退火是将亚共析钢加热到Ac3以上3050℃，保温适当时间后缓慢冷却的工艺，目的是细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能等。共析钢和过共析钢一般采用球化退火。3.钢的淬透性主要取决于（）A.钢的含碳量B.冷却介质C.钢中合金元素D.淬火加热温度答案：C解析：钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，主要取决于钢的临界冷却速度，而合金元素能显著影响临界冷却速度，从而影响淬透性。含碳量主要影响钢的硬度和强度；冷却介质影响的是淬硬性；淬火加热温度对淬透性有一定影响，但不是主要因素。4.下列材料中，最适合制造气轮机叶片的是（）A.1Cr13钢B.1Cr17钢C.2Cr13钢D.4Cr13钢答案：A解析：1Cr13钢具有良好的耐腐蚀性和一定的强度、韧性，适合制造承受冲击载荷不大的耐蚀件，如气轮机叶片。1Cr17钢主要用于制作耐蚀结构件；2Cr13钢强度和硬度较高，用于制造要求较高强度和韧性的零件；4Cr13钢硬度和耐磨性较高，常用于制造医疗器械等。5.为了改善高速钢铸态组织中的鱼骨状碳化物，应采用（）A.完全退火B.球化退火C.正火D.多次锻造答案：D解析：高速钢铸态组织中存在粗大的鱼骨状碳化物，严重影响其性能。多次锻造可以击碎粗大的碳化物，使其均匀分布，改善组织。完全退火、球化退火主要用于改善钢的硬度和组织均匀性；正火主要用于提高低碳钢的硬度和改善切削性能。二、判断题1.金属的结晶过程是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成的。（）答案：正确解析：金属结晶时，首先在液态金属中形成一些微小的稳定晶核，然后这些晶核不断吸收周围的原子而长大，同时新的晶核又不断形成，直到液态金属全部转变为固态晶体，所以结晶过程由晶核形成和晶核长大两个基本过程组成。2.过冷度越大，结晶后金属的晶粒越粗大。（）答案：错误解析：过冷度越大，晶核的形成率和长大速度都增加，但晶核形成率增加的速度比长大速度快，因此过冷度越大，结晶后金属的晶粒越细小。3.钢的回火处理是在淬火后进行的，其目的是消除淬火内应力，降低钢的脆性，调整硬度和韧性之间的关系。（）答案：正确解析：淬火后的钢硬度高、脆性大，且存在较大的内应力，回火处理可以使钢中的组织发生转变，消除内应力，降低脆性，同时根据回火温度的不同，可以调整钢的硬度和韧性，以满足不同的使用要求。4.铝合金的强化主要通过固溶强化和时效强化来实现。（）答案：正确解析：固溶强化是将合金元素溶入铝的晶格中，使晶格发生畸变，从而提高合金的强度和硬度。时效强化是指铝合金在淬火后，在室温或较高温度下放置一定时间，合金元素会以细小弥散的沉淀相形式从固溶体中析出，使合金的强度和硬度显著提高。5.金属材料的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。（）答案：正确解析：强度是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力；硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力；塑性是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力；韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收能量和抵抗断裂的能力；疲劳强度是指材料在交变载荷作用下，在规定的循环次数内不发生断裂的最大应力。这些都是衡量金属材料力学性能的重要指标。三、简答题1.简述马氏体转变的主要特点。答案：（1）无扩散性：马氏体转变是一种非扩散型相变，铁原子和碳原子都不发生扩散，仅靠晶格的切变来完成。（2）切变共格性：马氏体转变时，马氏体和母相奥氏体之间保持共格关系，即相界面上的原子同时属于两相，这种共格关系是通过晶格的切变来实现的。（3）转变速度极快：马氏体转变速度极快，在瞬间即可完成，因此转变过程中会产生很大的内应力。（4）转变不完全性：马氏体转变不能进行到底，即使冷却到Ms点以下，仍会有一部分奥氏体残留下来，称为残余奥氏体。（5）转变的可逆性：在一定条件下，马氏体可以逆转变为奥氏体。2.说明淬火钢在回火时的组织转变过程。答案：（1）马氏体的分解：在100200℃回火时，马氏体中的过饱和碳原子开始以ε碳化物的形式析出，马氏体的含碳量降低，晶格畸变减小，这一过程称为马氏体的分解。（2）残余奥氏体的转变：在200300℃回火时，残余奥氏体不稳定，会转变为下贝氏体或回火马氏体。（3）碳化物的转变：在300400℃回火时，ε碳化物逐渐转变为渗碳体（Fe3C），这一过程称为碳化物的转变。（4）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶：在400℃以上回火时，渗碳体颗粒逐渐聚集长大，铁素体发生再结晶，由片状或板条状变为等轴状，这一过程使钢的硬度和强度进一步降低，韧性提高。3.简述合金元素在钢中的主要作用。答案：（1）强化作用：合金元素可以溶入铁素体中，形成固溶体，使铁素体强化；也可以形成碳化物、氮化物等强化相，提高钢的强度和硬度。（2）提高淬透性：大多数合金元素能降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，使钢在淬火时可以获得更深的淬硬层。（3）细化晶粒：一些合金元素如钛、钒、铌等可以形成细小的碳化物或氮化物，在钢加热时能阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。（4）提高回火稳定性：合金元素可以延缓回火时碳化物的析出、聚集和长大，提高钢的回火稳定性，使钢在较高温度回火时仍能保持较高的硬度和强度。（5）改善钢的耐腐蚀性：某些合金元素如铬、镍、铝等可以在钢表面形成一层致密的氧化膜，提高钢的耐腐蚀性。（6）改变钢的临界点：合金元素可以改变钢的Ac1、Ac3、Ar1、Ar3等临界点，从而影响钢的热处理工艺。四、计算题1.已知某种碳钢的室温平衡组织中，珠光体的质量分数为75%，铁素体的质量分数为25%，试计算该碳钢的含碳量。答案：珠光体的含碳量为0.77%，铁素体的含碳量近似为0。设该碳钢的含碳量为x%，根据杠杆定律可得：\(x\%=0.77\%×75\%+0\%×25\%\)\(x\%=0.77\%×0.75=0.5775\%\approx0.58\%\)所以该碳钢的含碳量约为0.58%。2.某工厂用45钢制造一批轴类零件，要求轴的表面硬度为5055HRC，心部硬度为2530HRC。现采用淬火+回火的热处理工艺，已知45钢的Ac3=780℃，Ac1=724℃，Ms=330℃。试确定淬火加热温度和回火温度范围。答案：（1）淬火加热温度：45钢是亚共析钢，淬火加热温度应选择在Ac3以上3050℃，所以淬火加热温度为\(780+30=810℃\)到\(780+50=830℃\)，即淬火加热温度范围为810830℃。（2）回火温度范围：为了使轴的表面硬度达到5055HRC，需要进行低温回火。低温回火的温度范围一般为150250℃，在这个温度范围内回火，马氏体分解为回火马氏体，能保持较高的硬度和耐磨性。为了使轴的心部硬度达到2530HRC，需要进行中温回火。中温回火的温度范围一般为350500℃，在这个温度范围内回火，组织转变为回火托氏体，具有较高的弹性和屈服强度，硬度适中。综合考虑，可先进行低温回火使表面达到要求硬度，再进行中温回火调整心部硬度。所以回火温度范围先为150250℃，后为350500℃。五、综合分析题1.分析T12钢（含碳量1.2%）从液态缓冷到室温时的组织转变过程，并画出组织转变示意图，计算室温下组织组成物和相组成物的相对含量。答案：（1）组织转变过程：当液态T12钢冷却到液相线以上时，为单一的液相L。冷却到液相线与固相线之间时，开始从液相中结晶出奥氏体A，随着温度降低，奥氏体不断增多，液相不断减少，直到固相线温度，全部转变为奥氏体A。继续冷却到Accm温度时，开始从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ，随着温度降低，二次渗碳体不断增多，奥氏体的含碳量不断降低，直到A1温度，剩余的奥氏体发生共析转变，转变为珠光体P（铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物）。从A1温度到室温，组织不再发生变化，室温组织为珠光体P和二次渗碳体Fe3CⅡ。（2）组织转变示意图：横坐标为温度，纵坐标为组织状态。从高温液态开始，随着温度降低，依次经过液相L、液相L+奥氏体A、奥氏体A、奥氏体A+二次渗碳体Fe3CⅡ、珠光体P+二次渗碳体Fe3CⅡ几个阶段。（3）室温下组织组成物和相组成物的相对含量计算：组织组成物：根据杠杆定律，二次渗碳体Fe3CⅡ的质量分数为：\(W_{Fe3CⅡ}=\frac{1.20.77}{6.690.77}×100\%=\frac{0.43}{5.92}×100\%\approx7.26\%\)珠光体P的质量分数为：\(W_{P}=1W_{Fe3CⅡ}=17.26\%=92.74\%\)相组成物：铁素体F的含碳量近似为0，渗碳体Fe3C的含碳量为6.69%。铁素体F的质量分数为：\(W_{F}=\frac{6.691.2}{6.690}×100\%=\frac{5.49}{6.69}×100\%\approx82.06\%\)渗碳体Fe3C的质量分数为：\(W_{Fe3C}=1W_{F}=182.06\%=17.94\%\)2.有一根直径为20mm的40Cr钢轴，要求整体淬火后表面硬度达到4550HRC。现有两种淬火工艺可供选择：一种是在850℃加热后油冷淬火；另一种是在900℃加热后水冷淬火。试分析这两种工艺的优缺点，并选择合适的工艺。答案：（1）850℃加热后油冷淬火：优点：加热温度相对较低，能减少钢的氧化和脱碳，保证轴的表面质量。油冷的冷却速度相对较慢，淬火内应力较小，轴产生变形和开裂的倾向较小。缺点：油的冷却能力有限，对于直径为20mm的40Cr钢轴，可能淬不透，不能保证轴整体达到4550HRC的硬度要求。（2）900℃加热后水冷淬火：优点：加热温度较高，奥氏体晶粒相对粗大，碳和合金元素在奥氏体中溶解更充分，提高了奥氏体的稳定性，水冷的冷却速度快，能保证轴整体淬硬