2025年金属与热处理试题及答案

2025年金属与热处理试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种晶体结构的金属具有最高的塑性？A.体心立方（BCC）B.面心立方（FCC）C.密排六方（HCP）D.简单立方答案：B解析：面心立方结构的滑移系数量多（12个），滑移方向和滑移面组合更优，因此塑性最好。2.铁碳合金中，莱氏体（Ld）在室温下的组成是？A.奥氏体+渗碳体B.铁素体+渗碳体C.珠光体+渗碳体D.马氏体+残余奥氏体答案：C解析：高温莱氏体（Ld）冷却至727℃以下时，其中的奥氏体转变为珠光体，最终室温莱氏体（L'd）由珠光体和渗碳体组成。3.以下哪种热处理工艺能显著提高钢的硬度和耐磨性，但会降低塑性？A.退火B.正火C.淬火D.回火答案：C解析：淬火通过快速冷却使奥氏体转变为马氏体，马氏体组织硬度高但脆性大，需后续回火调整性能。4.铝合金的时效强化主要依赖于？A.固溶体的过饱和析出B.晶粒细化C.第二相弥散分布D.位错密度增加答案：C解析：时效过程中，过饱和固溶体析出细小弥散的第二相颗粒，阻碍位错运动，实现强化。5.以下哪种材料最适合制造承受冲击载荷的零件？A.T12钢（含碳1.2%）B.20钢（含碳0.2%）C.40Cr钢（含碳0.4%，含Cr）D.HT250（灰铸铁）答案：C解析：40Cr为合金结构钢，经调质处理后综合力学性能好，能承受冲击载荷；T12钢含碳量高，脆性大；20钢强度较低；灰铸铁塑性差，不耐冲击。6.钢的奥氏体化温度过高时，最可能出现的问题是？A.晶粒粗大B.残余奥氏体减少C.马氏体转变不完全D.硬度不足答案：A解析：奥氏体化温度过高会导致晶粒长大，形成粗晶组织，降低材料韧性和疲劳性能。7.球墨铸铁的石墨形态是？A.片状B.球状C.团絮状D.蠕虫状答案：B解析：球墨铸铁通过添加球化剂（如镁、铈）使石墨呈球状，显著提高力学性能。8.以下哪种工艺属于表面热处理？A.完全退火B.渗碳淬火C.调质处理D.时效处理答案：B解析：渗碳淬火通过表层增碳后淬火，使表层获得高硬度，心部保持良好韧性，属于表面强化工艺。9.纯铝的再结晶温度约为？（纯铝熔点约660℃）A.100℃B.200℃C.300℃D.400℃答案：B解析：金属再结晶温度约为0.4倍熔点（绝对温度），纯铝再结晶温度≈0.4×(660+273)=373K≈100℃，但实际因加工硬化影响，通常取200℃左右。10.以下哪种组织不属于钢的室温平衡组织？A.铁素体（F）B.珠光体（P）C.贝氏体（B）D.渗碳体（Fe₃C）答案：C解析：贝氏体是过冷奥氏体在等温转变或连续冷却时形成的非平衡组织，平衡冷却条件下不会出现。二、填空题（每空1分，共15分）1.金属的晶体缺陷主要包括点缺陷、线缺陷和面缺陷，其中线缺陷的典型代表是______。答案：位错2.铁碳相图中，共晶反应的温度是______℃，反应式为______。答案：1148；L→A（2.11%C）+Fe₃C3.钢的淬透性主要取决于______，而淬硬性主要取决于______。答案：临界冷却速度（或合金元素含量）；含碳量4.铝合金的固溶处理是将合金加热到______区并保温，使第二相充分溶解，然后快速冷却获得______固溶体。答案：单相；过饱和5.灰铸铁的性能主要取决于______的形态和分布，其抗拉强度低但抗压强度与钢接近，原因是______。答案：石墨；石墨对基体的割裂作用在拉应力下更显著6.马氏体转变的主要特征包括无扩散性、______和______。答案：切变共格性；转变不完全性7.为消除冷轧钢板的加工硬化，应采用______处理；为改善高碳钢的切削加工性，应采用______退火。答案：再结晶退火；球化三、简答题（每题6分，共30分）1.简述细化金属晶粒的常用方法及其原理。答案：（1）增加过冷度：通过提高冷却速度，增加形核率，抑制晶粒长大；（2）变质处理：加入形核剂（如钛、锆），提供异质形核核心，增加晶核数量；（3）振动或搅拌：破坏正在生长的晶体，增加晶核数目；（4）塑性变形后再结晶：通过冷变形增加位错密度，再结晶时形成细小等轴晶。2.比较正火与退火的工艺区别及应用场景。答案：工艺区别：正火冷却速度快（空冷），退火冷却速度慢（随炉冷或控制冷却）；正火加热温度通常高于退火（亚共析钢正火温度Ac3+30~50℃，退火为Ac3+20~30℃或Ac1+20~30℃）。应用场景：正火用于改善低碳钢切削性能（避免退火后硬度太低）、消除网状碳化物、作为中碳钢的最终热处理；退火用于消除内应力、改善切削性能（高碳钢）、为后续热处理准备组织（如球化退火）。3.解释“固溶强化”和“弥散强化”的异同点。答案：相同点：均通过第二相或溶质原子阻碍位错运动实现强化。不同点：固溶强化的溶质原子溶于基体晶格（间隙或置换固溶），引起晶格畸变；弥散强化的第二相以细小颗粒形式分布（不溶于基体），通过奥罗万机制或切割机制阻碍位错。4.分析45钢（含碳0.45%）经“淬火+高温回火”后获得的组织及性能特点。答案：组织为回火索氏体（细小粒状渗碳体分布于铁素体基体）。性能特点：综合力学性能优良，强度、塑性、韧性匹配良好，具有较高的抗拉强度（约650~800MPa）、良好的冲击韧性（AKU≥50J）和疲劳强度，适用于承受循环载荷或中等冲击的零件（如轴类、齿轮）。5.说明为什么铝合金通常采用时效强化而不采用淬火+回火强化？答案：铝合金的淬火（固溶处理）后形成过饱和固溶体，室温下原子扩散困难，需通过时效（加热至一定温度）促进第二相析出，实现强化；而钢的淬火形成马氏体（非平衡组织），回火时通过马氏体分解和碳化物析出强化。铝合金无马氏体相变，且时效析出的第二相是主要强化相，因此采用时效强化。四、分析题（每题10分，共30分）1.某汽车齿轮要求表面高硬度（58~62HRC）、心部良好韧性（冲击功≥40J），请选择材料并设计热处理工艺，说明各步骤作用。答案：材料选择20CrMnTi（低合金渗碳钢）。热处理工艺：（1）渗碳：加热至900~950℃，通入渗碳介质（如煤油），使表层含碳量增至0.8~1.0%；（2）预冷淬火：渗碳后预冷至830~850℃（略高于心部Ac3），油冷，表层奥氏体（高碳）转变为马氏体，心部奥氏体（低碳）转变为细珠光体或贝氏体（未完全淬透时）；（3）低温回火：180~200℃保温2~3h，消除淬火应力，稳定组织，表层获得回火马氏体（高硬度），心部获得回火托氏体或索氏体（良好韧性）。2.某模具钢（Cr12MoV）在淬火后出现表面裂纹，分析可能原因及预防措施。答案：可能原因：（1）淬火温度过高：导致晶粒粗大，内应力增大；（2）冷却速度过快：Cr12MoV为高合金钢，导热性差，快速冷却（如水冷）易产生大的热应力和组织应力；（3）原始组织不良：存在严重网状碳化物，淬火时应力集中；（4）工件形状复杂：棱角处应力集中。预防措施：（1）控制淬火温度（950~1000℃，避免过高）；（2）采用分级淬火或等温淬火（如先油冷至200℃左右，再转入200℃硝盐浴等温）；（3）预处理：预先进行球化退火，消除网状碳化物；（4）设计优化：减少尖角，采用圆角过渡；（5）淬火前预热（300~400℃），降低内外温差。3.比较T8钢（含碳0.8%）和Q235钢（含碳0.15%）在室温下的组织、力学性能及应用差异。答案：组织：T8钢为珠光体（P）+少量二次渗碳体（Fe₃CⅡ，因含碳量接近共析点，二次渗碳体可忽略）；Q235钢为铁素体（F）+珠光体（P），铁素体占比约85%（根据杠杆定律计算：F%=(0.8-0.15)/(0.8-0.0218)≈83%）。力学性能：T8钢强度高（抗拉强度约700~800MPa）、硬度高（约200HB）、塑性低（断后伸长率δ≈10%）；Q235钢强度较低（抗拉强度约375~500MPa）、硬度低（约120HB）、塑性好（δ≈26%）。应用：T8钢用于要求高硬度、耐磨性的工具（如冲头、木工刀具）；Q235钢用于要求塑性、焊接性好的结构件（如钢板、钢筋）。五、计算题（共15分）1.计算含碳0.3%的亚共析钢在室温下的组织组成物（铁素体F和珠光体P）的相对含量（铁碳相图中，F含碳0.0218%，P含碳0.8%）。（7分）答案：根据杠杆定律，室温下组织为F+P，其中：P%=(0.3-0.0218)/(0.8-0.0218)×100%≈(0.2782/0.7782)×100%≈35.7%F%=1-P%≈64.3%2.某40Cr钢轴（直径50mm）经850℃油淬后，表面硬度为55HRC，心部硬度为35HRC。已知该钢的临界直径（水冷）为60mm，油冷临界直径为30mm，分析心部未淬透的原因，并计算心部组织中马氏体的体积分数（假设未淬透区域为马氏体+托氏体，且硬度与马氏体含量呈线性关系，55HRC对应100%马氏体，35HRC对应0%马氏体）。（8分）答案：未淬透原因：40Cr钢油冷临界直径为30mm，而轴直径50mm＞30mm，心部冷却速度低于临界冷却速度，无法完全转变为马氏体。马氏体体积分数计算：硬度差为55-35=20HRC，假设线性关系，则心部马氏体含量=(35HRC对应值)/(55HRC对应值)？不，正确应为：硬度从35HRC（0%马氏体）到55HRC（100%马氏体），心部硬度35HRC对应0%马氏体？不对，实际未淬透时，心部可能为