工程材料与成形技术基础习题（含答案）

工程材料与成形技术基础习题（含答案）一、名词解释（每题3分，共15分）金属的同素异构转变加工硬化铸造应力焊接热影响区塑性成形二、选择题（每题2分，共20分）下列材料中，属于黑色金属的是（）

A.铝合金B.铸铁C.铜合金D.钛合金金属在结晶过程中，冷却速度越快，其晶粒尺寸（）

A.越大B.越小C.不变D.无规律变化下列热处理工艺中，目的是降低硬度、提高塑性，便于切削加工的是（）

A.正火B.退火C.淬火D.回火铸造生产中，为了防止铸件产生缩孔和缩松，常采用的工艺措施是（）

A.提高浇注温度B.增加浇注速度C.采用定向凝固D.减少冒口尺寸焊接接头中，力学性能最差的区域是（）

A.焊缝区B.熔合区C.正火区D.部分相变区对于形状复杂、薄壁的有色金属铸件，最适宜的铸造方法是（）

A.砂型铸造B.压力铸造C.离心铸造D.熔模铸造金属塑性成形时，材料的塑性越好，其（）

A.变形抗力越大B.可变形程度越大C.硬度越高D.强度越高下列热处理工艺中，能显著提高钢的硬度和耐磨性的是（）

A.完全退火B.球化退火C.淬火+低温回火D.淬火+高温回火砂型铸造中，型砂的主要组成部分不包括（）

A.原砂B.粘结剂C.水D.金属粉末下列焊接方法中，属于熔化焊的是（）

A.电阻焊B.钎焊C.氩弧焊D.摩擦焊三、简答题（每题6分，共30分）简述金属结晶的基本过程，并说明细化晶粒的常用方法。比较退火和正火两种热处理工艺的异同点及应用场合。分析铸件产生裂纹的主要原因及防止措施。简述焊接变形的主要形式及控制焊接变形的工艺措施。说明塑性成形对金属材料组织和性能的影响。四、综合分析题（每题17.5分，共35分）某机械零件要求具有良好的综合力学性能，材料选用45钢。请分析：（1）45钢的含碳量及钢种类型；（2）为满足性能要求，应采用何种热处理工艺？说明该工艺的操作过程及获得的组织；（3）若热处理后零件出现硬度不足的问题，可能的原因有哪些？某汽车发动机缸体采用灰铸铁材料，通过砂型铸造生产。请分析：（1）灰铸铁的组织特点及性能优势；（2）砂型铸造生产缸体时，可能产生哪些常见缺陷？（3）针对其中两种主要缺陷，提出具体的防止措施。参考答案一、名词解释金属的同素异构转变：有些金属在固态下，随着温度的变化，其晶体结构会发生不同晶型的转变，这种转变称为金属的同素异构转变。例如铁在912℃以下为体心立方结构（α-Fe），912~1394℃为面心立方结构（γ-Fe），1394℃以上又变为体心立方结构（δ-Fe）。加工硬化：金属材料在塑性变形过程中，随着变形量的增加，其强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性逐渐降低的现象称为加工硬化，也叫冷作硬化。铸造应力：铸件在凝固和冷却过程中，由于各部分体积变化不均匀而产生的内应力，称为铸造应力。根据产生原因可分为热应力和机械应力。焊接热影响区：在焊接过程中，焊缝周围未熔化的母材受到焊接热循环的作用，其组织和性能发生变化的区域称为焊接热影响区。不同材料的热影响区可分为熔合区、过热区、正火区、部分相变区等。塑性成形：金属材料在一定的外力作用下，通过塑性变形获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法，称为塑性成形，也叫压力加工。常见的塑性成形方法有锻造、冲压、挤压、轧制等。二、选择题B解析：黑色金属主要指铁及其合金，如钢、铸铁等；铝合金、铜合金、钛合金均属于有色金属。B解析：冷却速度越快，过冷度越大，形核率越高，晶粒生长速度相对较慢，因此晶粒尺寸越小。B解析：退火的主要目的是降低硬度、提高塑性，便于切削加工；正火可细化晶粒、改善组织，提高钢的强度和韧性；淬火可提高钢的硬度和耐磨性；回火的目的是消除淬火应力，调整钢的力学性能。C解析：采用定向凝固工艺，使液态金属按照规定的方向凝固，可将缩孔集中到冒口中，从而防止铸件产生缩孔和缩松。B解析：熔合区是焊缝与母材的过渡区域，组织不均匀，晶粒粗大，力学性能最差，是焊接接头的薄弱环节。B解析：压力铸造具有生产效率高、铸件精度高、表面质量好等优点，适宜生产形状复杂、薄壁的有色金属铸件。B解析：塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，塑性越好，可变形程度越大。C解析：淬火+低温回火（回火温度150~250℃）可获得回火马氏体组织，能显著提高钢的硬度和耐磨性，同时降低淬火应力。D解析：型砂的主要组成部分包括原砂、粘结剂、附加物和水，金属粉末不属于型砂的组成成分。C解析：氩弧焊属于熔化焊；电阻焊、摩擦焊属于压力焊；钎焊是采用比母材熔点低的填充金属，在加热温度低于母材熔点但高于填充金属熔点的条件下，使填充金属熔化并润湿母材，形成焊接接头的方法。三、简答题答：金属结晶的基本过程包括形核和长大两个阶段。①形核：液态金属中首先形成一些极微小的晶体（晶核）；②长大：晶核不断吸收周围液态金属原子，逐渐长大，同时新的晶核继续形成并长大，直至液态金属完全凝固，晶核长大成为晶粒，晶粒之间形成晶界。

细化晶粒的常用方法：①提高冷却速度，增大过冷度，增加形核率；②变质处理，在液态金属中加入变质剂，促进非自发形核；③机械振动、搅拌，破碎正在长大的晶粒，增加晶核数量；④采用热处理工艺，如正火，细化晶粒。答：异同点：①相同点：均属于热处理的预备热处理工艺，都是将钢加热到奥氏体区，保温后缓慢冷却（退火）或空冷（正火），目的都是改善钢的组织、降低硬度、提高塑性，为后续加工或最终热处理做准备。②不同点：加热温度略有不同（亚共析钢退火温度为Ac3+30~50℃，正火温度为Ac3+50~100℃；过共析钢退火温度为Ac1+30~50℃，正火温度为Accm+30~50℃）；冷却方式不同（退火为炉冷、坑冷等缓慢冷却，正火为空冷）；获得的组织不同（退火获得珠光体、铁素体等，组织更细小均匀；正火获得索氏体，组织更细密）；力学性能不同（正火后的钢强度、硬度略高于退火，塑性、韧性相近）。

应用场合：①退火适用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，或塑性较差的材料，如高碳钢、合金结构钢的预备热处理；也可用于消除加工硬化、稳定尺寸。②正火适用于形状简单、尺寸精度要求不高的零件，如低碳钢、中碳钢的预备热处理；也可用于提高低碳钢的强度和硬度，或作为普通结构钢的最终热处理。答：铸件产生裂纹的主要原因：①热应力：铸件在凝固和冷却过程中，各部分温度不均匀，冷却速度不同，导致体积收缩不一致，产生热应力，当热应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂纹。②机械应力：铸件在冷却过程中，受到铸型、型芯的阻碍，无法自由收缩，产生机械应力，机械应力与热应力叠加，易导致裂纹产生。③材料因素：铸件材料的塑性较差，或含有过多的有害杂质（如硫、磷），降低了材料的韧性，易产生裂纹。

防止措施：①合理设计铸件结构，使铸件各部分壁厚均匀，避免尖角、壁厚突变，减少应力集中；②采用合理的铸造工艺，如定向凝固、同时凝固，控制冷却速度，减少热应力；③选择塑性较好的材料，严格控制有害杂质含量；④改善铸型和型芯的退让性，避免阻碍铸件收缩；⑤对铸件进行时效处理，消除内应力。答：焊接变形的主要形式：收缩变形（纵向收缩、横向收缩）、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。

控制焊接变形的工艺措施：①合理设计焊接结构，尽量采用对称结构，减少焊缝数量和焊缝长度，避免焊缝集中；②选择合理的焊接顺序，如对称焊接、分段焊接、跳焊等，使焊接应力均匀分布；③采用反变形法，在焊接前预先给焊件施加一个与焊接变形方向相反的变形，抵消焊接后的变形；④采用刚性固定法，在焊接过程中用夹具、胎具等固定焊件，限制其变形；⑤合理选择焊接参数，减小焊接热输入，如降低焊接电流、缩短焊接时间等；⑥焊接后进行时效处理，消除焊接应力，减少变形。答：塑性成形对金属材料组织和性能的影响主要体现在以下几个方面：①细化晶粒：塑性成形过程中，金属材料的原始晶粒被破碎，同时产生大量晶核，再结晶后形成细小均匀的晶粒，细化晶粒可提高材料的强度、硬度和塑性、韧性。②改善组织缺陷：塑性成形可消除金属材料中的铸造缺陷（如缩孔、缩松、气孔等），使组织更加致密，提高材料的致密度和力学性能。③形成纤维组织：塑性成形过程中，金属材料中的夹杂物、第二相粒子等沿变形方向排列，形成纤维组织，使材料具有各向异性，沿纤维方向的强度、塑性和韧性高于垂直纤维方向。④提高力学性能：通过细化晶粒、改善组织缺陷和形成纤维组织，塑性成形后的金属材料强度、硬度显著提高，塑性、韧性也得到改善，综合力学性能优于铸造态材料。四、综合分析题答：（1）45钢的含碳量为0.45%（质量分数），属于中碳钢（含碳量0.25%~0.60%的钢）。

（2）为满足良好的综合力学性能要求，45钢应采用的热处理工艺为：淬火+高温回火（调质处理）。

工艺操作过程：①淬火：将45钢加热到Ac3+30~50℃（即840~860℃），保温一段时间，使钢完全奥氏体化，然后迅速放入淬火介质（水或油）中冷却，获得马氏体组织。②高温回火：将淬火后的45钢加热到500~650℃，保温一段时间，然后空冷或炉冷，获得回火索氏体组织。

获得的组织：回火索氏体，其组织由细小均匀的铁素体和弥散分布的渗碳体组成，具有良好的综合力学性能，强度、硬度较高，塑性、韧性较好。

（3）热处理后零件出现硬度不足的可能原因：①淬火温度过低，钢未完全奥氏体化，淬火后获得的马氏体量不足，导致硬度偏低；②淬火保温时间不足，钢的奥氏体化不充分，马氏体量少；③淬火冷却速度不够，未获得完全的马氏体组织，出现珠光体、贝氏体等组织，降低硬度；④高温回火温度过高，超过650℃，导致渗碳体聚集长大，硬度下降；⑤回火保温时间过长，也会使渗碳体聚集，硬度降低。答：（1）灰铸铁的组织特点：灰铸铁的组织由液态铁碳合金经共晶转变形成，主要由石墨、铁素体和珠光体组成，石墨以片状形式存在于铁素体或珠光体基体中。

性能优势：①良好的铸造性能，灰铸铁流动性好，收缩率小，适宜铸造形状复杂的零件；②良好的减振性，片状石墨能吸收振动能量，减小振动；③良好的耐磨性，石墨本身具有润滑作用，能减少零件磨损；④较低的缺口敏感性，石墨的存在使零件在缺口处的应力集中不明显；⑤成本较低，原材料来源广泛，生产工艺简单。

（2）砂型铸造生产汽车发动机缸体时，可能产生的常见缺陷：气孔、缩孔、缩松、裂纹、砂眼、夹砂、浇不足、冷隔等。

（3）两种主要缺陷的防止措施：

①气孔缺陷：产生原因主要是型砂透气性差、水分过高，浇注时型砂中的气体无法及时排出；液态金属中含有过多的气体；浇注温度过高，金属液吸气过多等。

防止措施：改善型砂的透气性，在型砂中加入附加物（如木屑），合理设