工程材料及热处理考试试题A卷含答案

工程材料及热处理考试试题A卷含答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于金属材料弹性模量的描述中，正确的是（）A.随材料的热处理工艺变化显著B.主要取决于金属的本质和晶格类型C.与材料的显微组织密切相关D.随材料的冷变形程度增加而增大答案：B解析：弹性模量（E）是材料的固有属性，反映原子间结合力的强弱，主要由金属的本质（如原子种类）和晶格类型（如体心立方、面心立方）决定，与热处理、显微组织或冷变形程度无显著关联。2.铁素体（F）的晶体结构为（）A.面心立方（FCC）B.体心立方（BCC）C.密排六方（HCP）D.复杂立方答案：B解析：铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，α-Fe的晶体结构为体心立方，因此铁素体的晶体结构也是体心立方。3.下列材料中，属于典型共晶合金的是（）A.工业纯铁（ωc≈0.0218%）B.共析钢（ωc≈0.77%）C.亚共晶白口铸铁（ωc≈2.11%~4.3%）D.过共晶白口铸铁（ωc≈4.3%~6.69%）答案：C解析：铁碳合金中，共晶反应发生在ωc=4.3%时，生成莱氏体（Ld）。亚共晶白口铸铁（ωc=2.11%~4.3%）在冷却过程中会发生共晶反应，属于共晶合金范畴；共析钢发生的是共析反应（ωc=0.77%）。4.45钢（ωc=0.45%）经840℃加热奥氏体化后，快速水冷得到的组织是（）A.珠光体（P）B.贝氏体（B）C.马氏体（M）D.索氏体（S）答案：C解析：45钢为亚共析钢，加热至Ac3以上（840℃高于45钢的Ac3≈780℃）奥氏体化后，快速水冷（冷却速度大于临界冷却速度Vk）会发生马氏体转变，得到马氏体组织。5.下列热处理工艺中，主要用于消除铸件内应力的是（）A.完全退火B.球化退火C.去应力退火D.再结晶退火答案：C解析：去应力退火的加热温度较低（通常为500~650℃），不发生相变，通过原子扩散松弛内应力，适用于消除铸件、焊接件等的残余应力。6.铝合金的固溶处理与钢的淬火工艺最本质的区别是（）A.加热温度不同B.冷却介质不同C.冷却后的组织稳定性不同D.目的不同答案：C解析：钢淬火后得到的马氏体是过饱和固溶体，处于亚稳态；铝合金固溶处理后得到的过饱和固溶体在室温下可长期保持（若不人工时效），而钢的马氏体在室温下会自发分解（如发生时效马氏体转变），因此组织稳定性是本质区别。7.灰铸铁的性能特点是（）A.抗拉强度高，抗压强度低B.塑性好，耐磨性差C.抗压强度与钢接近，抗拉强度低D.减震性差，铸造性能好答案：C解析：灰铸铁中的片状石墨割裂基体，导致抗拉强度低（约为钢的1/3~1/4），但抗压强度与钢接近（石墨对压应力的敏感性低）；同时具有良好的减震性和铸造性能，塑性几乎为零。8.下列关于回火的描述中，错误的是（）A.低温回火（150~250℃）主要用于工具钢B.中温回火（350~500℃）可获得良好的弹性C.高温回火（500~650℃）得到回火索氏体D.回火温度越高，材料的硬度和强度一定越低答案：D解析：对于某些合金钢（如高速钢），在500~600℃回火时会发生“二次硬化”现象，硬度和强度反而升高，因此D选项错误。9.下列材料中，适合制造汽车发动机活塞的是（）A.HT250（灰铸铁）B.ZL109（铝硅合金）C.Q235（碳素结构钢）D.GCr15（滚动轴承钢）答案：B解析：活塞需满足质轻、导热性好、耐高温等要求。铝硅合金（如ZL109）密度小（约为钢的1/3）、热膨胀系数低、耐磨性好，是活塞的常用材料；灰铸铁密度大，不适合；Q235强度和耐热性不足；GCr15主要用于轴承。10.某钢件经检测发现其显微组织为“回火托氏体”，则该工件的回火温度范围为（）A.150~250℃B.250~350℃C.350~500℃D.500~650℃答案：C解析：回火托氏体（T回）是中温回火（350~500℃）的产物，由过饱和α固溶体（已部分脱溶）和细粒状渗碳体组成，硬度约为35~45HRC。二、填空题（每空1分，共20分）1.金属材料的工艺性能主要包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和______。答案：热处理工艺性2.铁碳合金相图中，ES线（Acm线）是______的溶解度曲线。答案：碳在奥氏体（γ-Fe）中3.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（或合金元素种类及含量）；含碳量4.常用的表面热处理工艺包括表面淬火和______，其中______可同时提高表面硬度和心部韧性。答案：化学热处理；表面淬火5.铝合金的强化方法主要有固溶强化、时效强化、______和______。答案：细晶强化；加工硬化6.球墨铸铁中石墨的形态为______，其力学性能接近______。答案：球状；钢7.马氏体的硬度主要取决于______，其脆性主要与______和______有关。答案：含碳量；马氏体的亚结构（或位错/孪晶形态）；残余奥氏体量8.完全退火的工艺路线是：加热至______以上30~50℃，保温后______冷却。答案：Ac3；随炉（或缓慢）9.40Cr钢（合金结构钢）经调质处理（淬火+高温回火）后，其组织为______，性能特点是______。答案：回火索氏体；良好的综合力学性能（强韧性匹配）10.普通黄铜是______的二元合金，其性能随含锌量变化显著，当含锌量超过______时，塑性急剧下降。答案：铜（Cu）与锌（Zn）；39%三、判断题（每题1分，共10分。正确打“√”，错误打“×”）1.所有金属材料在固态下都具有晶体结构。（）答案：×解析：非晶态合金（如金属玻璃）在固态下为非晶体结构。2.铁素体的含碳量高于奥氏体。（）答案：×解析：铁素体（F）中碳的最大溶解度为0.0218%（727℃时），奥氏体（A）中碳的最大溶解度为2.11%（1148℃时），因此奥氏体含碳量更高。3.钢的正火冷却速度比退火快，因此正火后的硬度和强度比退火低。（）答案：×解析：正火冷却速度（空冷）快于退火（炉冷），得到的珠光体片层更细，因此硬度和强度更高。4.灰铸铁通过孕育处理可使石墨细化，从而提高其力学性能。（）答案：√解析：孕育处理（加入硅铁、硅钙合金等）可增加石墨形核点，使石墨片细化，减少对基体的割裂，提高强度和韧性。5.铝合金的时效强化是通过过饱和固溶体的脱溶析出实现的。（）答案：√解析：铝合金固溶处理后得到过饱和固溶体，在时效过程中，溶质原子脱溶析出第二相（如θ相），阻碍位错运动，实现强化。6.马氏体转变是一种无扩散型相变，因此转变后不会产生内应力。（）答案：×解析：马氏体转变时体积膨胀（比容增大），会在工件内部产生很大的内应力（组织应力），可能导致变形或开裂。7.高速钢（如W18Cr4V）的红硬性主要来源于其高碳含量。（）答案：×解析：高速钢的红硬性（高温下保持高硬度的能力）主要来源于回火时析出的高硬度碳化物（如W2C、VC）的二次硬化效应，而非单纯高碳。8.可锻铸铁可以进行锻造加工。（）答案：×解析：可锻铸铁（又称玛钢）中的石墨为团絮状，但其基体为铁素体或珠光体，塑性虽优于灰铸铁，但仍较差，不能锻造。9.表面淬火仅改变工件表层的组织，而化学热处理会改变表层的化学成分。（）答案：√解析：表面淬火（如感应淬火）通过快速加热-冷却使表层相变，化学成分不变；化学热处理（如渗碳、渗氮）通过原子扩散改变表层成分。10.黄铜的耐蚀性优于紫铜。（）答案：×解析：紫铜（纯铜）的耐蚀性（如耐大气、淡水腐蚀）优于黄铜（铜锌合金），黄铜易发生脱锌腐蚀。四、简答题（每题6分，共30分）1.简述铁碳合金中渗碳体的类型及其特点。答案：铁碳合金中的渗碳体（Fe3C）主要有5种类型：（1）一次渗碳体（Fe3CⅠ）：由液态合金中直接析出，呈粗大片状（白口铸铁中），硬度高（~800HBW）、脆性大。（2）二次渗碳体（Fe3CⅡ）：由奥氏体中析出，沿奥氏体晶界呈网状分布（如过共析钢中），会降低材料塑性。（3）三次渗碳体（Fe3CⅢ）：由铁素体中析出，呈细片状或颗粒状（工业纯铁中），数量极少，对性能影响可忽略。（4）共晶渗碳体（Fe3C共晶）：共晶反应产物（莱氏体中的渗碳体），与奥氏体机械混合，呈连续基体状。（5）共析渗碳体（Fe3C共析）：共析反应产物（珠光体中的渗碳体），与铁素体呈层片状交替分布，片层较薄。2.比较退火与正火的工艺及应用区别。答案：（1）工艺区别：退火加热后缓慢冷却（炉冷），正火加热后空冷（冷却速度较快）。（2）组织区别：退火得到平衡或接近平衡组织（如珠光体+铁素体），正火得到更细的珠光体（索氏体）或贝氏体（视钢种而定）。（3）性能区别：正火后的硬度、强度高于退火，塑性略低。（4）应用区别：退火用于消除内应力、改善切削性能或为后续热处理准备；正火用于提高低碳钢强度（替代退火）、细化晶粒（作为预处理）或用于性能要求不高的零件最终处理（降低成本）。3.说明淬火钢在回火过程中组织与性能的变化规律。答案：（1）低温回火（150~250℃）：马氏体分解为回火马氏体（M回，极细碳化物+过饱和α相），硬度略有下降（保持高硬度），脆性降低，用于工具、刃具。（2）中温回火（350~500℃）：回火马氏体转变为回火托氏体（T回，细粒状碳化物+铁素体），硬度降至35~45HRC，弹性极限最高，用于弹簧、模具。（3）高温回火（500~650℃）：回火托氏体转变为回火索氏体（S回，粗粒状碳化物+铁素体），硬度20~35HRC，综合力学性能（强韧性）最佳，用于轴类、齿轮等承受综合载荷的零件。（4）回火温度升高，碳化物逐渐聚集长大，α相回复再结晶，材料硬度、强度下降，塑性、韧性提高。4.分析灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁中石墨形态对性能的影响。答案：（1）灰铸铁：石墨呈片状（割裂基体严重），相当于“微裂纹”，导致抗拉强度低（约100~300MPa）、塑性几乎为零，但抗压强度较高（与钢接近），减震性好。（2）可锻铸铁：石墨呈团絮状（对基体割裂减轻），抗拉强度（300~700MPa）和塑性（δ=2%~12%）优于灰铸铁，但仍低于球墨铸铁。（3）球墨铸铁：石墨呈球状（对基体割裂最小），基体连续性好，抗拉强度（400~1000MPa）和塑性（δ=2%~18%）接近钢，同时保留铸铁的减震性和铸造性。5.简述铝合金的时效强化（沉淀强化）机理。答案：（1）固溶处理：将铝合金加热至单相区（α固溶体区），保温后快速冷却（水冷），得到过饱和α固溶体（溶质原子（如Cu、Mg）过饱和溶解）。（2）时效过程：过饱和固溶体在室温（自然时效）或加热（人工时效）条件下，溶质原子脱溶析出细小弥散的第二相颗粒（如Al2Cu、Mg2Si）。（3）强化机理：第二相颗粒与位错交互作用（如奥罗万绕过机制或切割机制），阻碍位错运动，从而提高材料强度。时效温度和时间影响析出相的尺寸和分布，最佳时效状态（峰时效）时析出相最细小弥散，强化效果最大。五、综合分析题（共20分）某汽车齿轮（承受交变载荷、接触应力和冲击载荷）拟选用20CrMnTi钢制造，其加工路线为：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火→低温回火→磨加工。（1）分析各热处理工序（正火、渗碳、淬火、低温回火）的目的。（12分）（2）说明20CrMnTi钢的类别（按用途、按合金元素含量）及选择该材料的原因。（8分）答案：（1）各热处理工序目的：①正火：消除锻造应力，细化晶粒（锻造后晶粒粗大），改善切削加工性能（正火后硬度适中，避免退火后硬度偏低导致粘刀）。使组织均匀（消除锻造带来的成分偏析），为后续渗碳作准备。②渗碳：提高齿轮表层含碳量（从原始的0.2%左右增至0.8%~1.0%），使表层具备高硬度、高耐磨性的条件（后续淬火后表层形成高碳马氏体）。心部保持低碳（原始含碳量），保证心部良好的韧性和抗冲击能力。③淬火：表层高碳奥氏体（渗碳后表层为高碳奥氏体）快速冷却（油冷）转变为高碳马氏体（M），获得高硬度（58~64HRC）和耐磨性。心部低碳奥氏体转变为低碳马氏体或回火索氏体（视冷却速度），保持较高的强度和韧性。④低温回火：消除淬火内应力（组织应力和热应力），防止齿轮变形或开裂。稳定组织（减少残余奥氏体量），提高尺寸稳定性。适当降低脆性（高碳马氏体脆性大），保持高硬度（回火马氏体硬度仍可达58~62HRC）。（2）20CrMnTi钢的类别及选材原因：①类别：按用途分类：合金渗碳钢（主要用于表面强化零件，需渗碳处理）。按合金元素含量分类：低合金结构钢（合