金属材料及热处理试题库和答案解析

金属材料及热处理试题库和答案解析一、单项选择题（每题2分，共30分）1.纯铁在912℃时发生同素异构转变，此时晶体结构由（）转变为（）。A.体心立方（α-Fe）→面心立方（γ-Fe）B.面心立方（γ-Fe）→体心立方（α-Fe）C.体心立方（δ-Fe）→面心立方（γ-Fe）D.面心立方（γ-Fe）→体心立方（δ-Fe）2.下列金属中，室温下晶体结构为密排六方的是（）。A.铁（Fe）B.铜（Cu）C.镁（Mg）D.铝（Al）3.铁碳合金中，硬度最高的基本相是（）。A.铁素体（F）B.奥氏体（A）C.渗碳体（Fe₃C）D.珠光体（P）4.亚共析钢的室温平衡组织为（）。A.铁素体+珠光体B.珠光体+二次渗碳体C.铁素体+莱氏体D.珠光体+莱氏体5.共晶反应的温度是（）。A.727℃B.1148℃C.912℃D.1394℃6.下列热处理工艺中，冷却速度最快的是（）。A.退火B.正火C.淬火D.回火7.45钢淬火后得到的组织是（）。A.马氏体B.珠光体C.贝氏体D.索氏体8.为消除冷轧钢板的加工硬化，应采用（）。A.完全退火B.球化退火C.再结晶退火D.扩散退火9.高速钢刀具（如W18Cr4V）的最终热处理工艺通常是（）。A.淬火+低温回火B.淬火+中温回火C.淬火+高温回火D.正火+回火10.灰铸铁中石墨的形态是（）。A.片状B.球状C.团絮状D.蠕虫状11.下列材料中，属于过共析钢的是（）。A.Q235B.45钢C.T8钢D.T12钢12.钢的淬透性主要取决于（）。A.冷却速度B.含碳量C.合金元素种类及含量D.工件尺寸13.低温回火的主要目的是（）。A.消除内应力，保持高硬度和耐磨性B.提高弹性极限和屈服强度C.获得良好的综合力学性能D.降低硬度，改善切削加工性14.铝合金的固溶强化处理是通过（）实现的。A.加热至单相区后快速冷却B.加热至双相区后缓慢冷却C.冷变形加工D.长时间高温退火15.下列铸铁中，综合力学性能最好的是（）。A.灰铸铁B.可锻铸铁C.球墨铸铁D.蠕墨铸铁二、填空题（每空1分，共20分）1.金属的晶体缺陷主要包括（）、（）和（）三类。2.铁碳合金的基本相有（）、（）和（）。3.钢的热处理工艺由（）、（）和（）三个阶段组成。4.马氏体转变的主要特点是（）、（）和（）。5.常用的淬火介质有（）和（），其中（）的冷却能力更强。6.球墨铸铁的石墨形态为（），其力学性能接近（）。7.40Cr钢属于（）钢，其最终热处理通常为（）。三、判断题（每题1分，共10分。正确打“√”，错误打“×”）1.所有金属的结晶过程都需要过冷度。（）2.奥氏体的溶碳能力比铁素体强。（）3.退火的冷却速度比正火快。（）4.钢的含碳量越高，硬度越高，塑性和韧性越低。（）5.马氏体的硬度主要取决于其含碳量。（）6.可锻铸铁可以锻造加工。（）7.高速钢刀具采用“二次硬化”是因为回火时析出了细小弥散的碳化物。（）8.铝合金的时效强化效果随时间延长而一直增加。（）9.铸铁中的石墨会割裂基体，因此石墨数量越多，铸铁的力学性能越差。（）10.表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢，以提高表层硬度和耐磨性。（）四、简答题（每题6分，共30分）1.简述细化晶粒的常用方法及其原理。2.比较退火与正火的异同点（从加热温度、冷却方式、组织性能、应用场景四方面分析）。3.说明45钢（含碳量0.45%）从液态冷却至室温的平衡结晶过程（用铁碳相图关键点描述）。4.分析淬火钢回火时的组织转变阶段及对应的性能变化。5.为什么高速钢刀具需要采用“高温淬火+多次回火”工艺？五、综合分析题（每题10分，共20分）1.某汽车齿轮要求表面高硬度（58-62HRC）、心部良好的强韧性（25-35HRC），工作时承受冲击载荷和磨损。试选择合适的材料（需说明钢种），并设计完整的热处理工艺路线（含各工序的目的和温度范围），最后分析最终组织。2.现有一根T10钢（含碳量1.0%）制成的冲头，使用中发现刃口易磨损、断裂。经检验，冲头的热处理工艺为：800℃加热后水淬，200℃回火。试分析可能的问题原因，并提出改进措施（需结合T10钢的特性和热处理工艺原理）。答案及解析一、单项选择题1.答案：A解析：纯铁的同素异构转变温度为912℃（α-Fe→γ-Fe）和1394℃（γ-Fe→δ-Fe），其中α-Fe和δ-Fe为体心立方（BCC），γ-Fe为面心立方（FCC）。2.答案：C解析：镁（Mg）的晶体结构为密排六方（HCP）；铁（Fe）室温为BCC（α-Fe），铜（Cu）和铝（Al）为FCC。3.答案：C解析：渗碳体（Fe₃C）是铁与碳的间隙化合物，硬度极高（约800HBW），而铁素体（F）软韧（约80HBW），奥氏体（A）塑性好，珠光体（P）是F与Fe₃C的层状混合物，硬度介于两者之间。4.答案：A解析：亚共析钢（含碳量<0.77%）室温平衡组织为铁素体（先共析F）+珠光体（P）；过共析钢（>0.77%）为P+二次渗碳体（Fe₃CⅡ）。5.答案：B解析：共晶反应发生在1148℃（C点，含碳量4.3%），反应式为Lc→（Ae+Fe₃C），生成莱氏体（Le）；共析反应发生在727℃（S点，含碳量0.77%），反应式为As→（Fp+Fe₃C），生成珠光体（P）。6.答案：C解析：淬火通常采用水或油快速冷却（冷速>临界冷却速度），正火为空冷（冷速较慢），退火为炉冷（冷速最慢），回火为任意冷却（一般空冷）。7.答案：A解析：45钢为中碳钢，淬火后得到马氏体（M），马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，硬度高但脆性大。8.答案：C解析：再结晶退火用于消除冷变形后的加工硬化（如冷轧钢板），加热至再结晶温度以上使变形晶粒重新结晶为等轴晶粒；完全退火用于亚共析钢的组织均匀化，球化退火用于过共析钢改善切削性，扩散退火用于消除铸锭成分偏析。9.答案：A解析：高速钢（如W18Cr4V）淬火后需低温回火（150-250℃），目的是消除淬火应力，同时利用“二次硬化”（回火时析出W₂C、VC等细小碳化物）提高硬度和耐磨性。10.答案：A解析：灰铸铁的石墨呈片状（割裂基体严重，力学性能差）；球墨铸铁为球状（对基体割裂小，性能接近钢），可锻铸铁为团絮状，蠕墨铸铁为蠕虫状。11.答案：D解析：过共析钢含碳量>0.77%，T12钢含碳量约1.2%；T8钢为共析钢（0.77%），45钢（0.45%）和Q235（低碳钢）为亚共析钢。12.答案：C解析：淬透性是钢在淬火时获得马氏体的能力，主要取决于合金元素（如Cr、Mn、Mo等提高淬透性）；淬硬性主要取决于含碳量。13.答案：A解析：低温回火（150-250℃）得到回火马氏体（M回），保持高硬度（58-64HRC）和耐磨性，同时消除淬火内应力；中温回火（350-500℃）得到回火托氏体（T回），用于弹性零件；高温回火（500-650℃）得到回火索氏体（S回），用于综合性能要求高的零件（如轴类）。14.答案：A解析：铝合金的固溶强化（如6061Al）是将合金加热至单相区（α固溶体）后快速冷却（淬火），使溶质原子过饱和固溶于基体中，阻碍位错运动，提高强度。15.答案：C解析：球墨铸铁的石墨呈球状，对基体的割裂作用最小，力学性能（尤其是塑性、韧性）接近钢，可替代部分铸钢使用。二、填空题1.点缺陷（空位、间隙原子）；线缺陷（位错）；面缺陷（晶界、亚晶界）2.铁素体（F）；奥氏体（A）；渗碳体（Fe₃C）3.加热；保温；冷却4.无扩散性；切变共格性；转变不完全性（或“具有一定的转变温度范围Ms-Mf”）5.水；油；水6.球状；钢7.合金结构（或“调质”）；淬火+高温回火（调质处理）三、判断题1.√（结晶的必要条件是过冷，实际结晶温度低于理论结晶温度）2.√（奥氏体为FCC结构，间隙大，溶碳量最高2.11%；铁素体为BCC结构，溶碳量仅0.0218%）3.×（退火为炉冷，正火为空冷，正火冷却速度更快）4.×（含碳量过高时，二次渗碳体沿晶界析出，塑性、韧性显著下降，但硬度并非无限增加）5.√（马氏体硬度主要取决于过饱和碳的固溶强化，含碳量越高，硬度越高）6.×（可锻铸铁是铸铁经石墨化退火得到，石墨呈团絮状，但其本质是铸铁，不可锻造）7.√（高速钢回火时，W、Mo、V等合金元素形成细小弥散的碳化物（如W₂C），产生“二次硬化”，提高硬度）8.×（铝合金时效强化存在“最佳时效”，过时效后析出相粗化，强化效果下降）9.×（石墨数量过多会降低强度，但石墨形态（如球状）比数量更关键，球墨铸铁石墨数量多但性能好）10.√（表面淬火通过快速加热表层至Ac3以上，淬火后表层为马氏体（高硬度），心部保持原始组织（良好韧性），适用于中碳钢（如45钢））四、简答题1.细化晶粒的常用方法及原理：①增加过冷度：过冷度越大，形核率（N）与长大速率（G）的比值N/G越大，晶粒越细（适用于小型铸件）。②变质处理（孕育处理）：在液态金属中加入难熔质点（如钢中的Al、Ti），作为异质晶核，增加形核率，细化晶粒（适用于大型铸件）。③振动或搅拌：通过机械振动、超声波或电磁搅拌，破碎正在生长的树枝晶，增加晶核数量，细化晶粒（适用于凝固过程控制）。2.退火与正火的异同点：|比较项|退火|正火||--------------|-------------------------------|-------------------------------||加热温度|亚共析钢：Ac3+30-50℃；过共析钢：Ac1+30-50℃（球化退火）|亚共析钢：Ac3+30-50℃；过共析钢：Accm+30-50℃||冷却方式|炉冷（缓慢）|空冷（较快）||组织性能|亚共析钢：F+P（粗大）；过共析钢：P+Fe₃CⅡ（球状），硬度较低（170-220HBW）|亚共析钢：F+P（细小）；过共析钢：P+Fe₃CⅡ（网状），硬度较高（180-250HBW）||应用场景|消除内应力、改善切削性、细化组织（用于复杂件或最终热处理前）|作为预备热处理（替代部分退火）或最终热处理（用于低中碳钢不重要零件）|3.45钢的平衡结晶过程：①液态（L）冷却至液相线（约1500℃）以下，开始析出δ固溶体（δ）；②冷却至固相线（约1450℃），完全凝固为δ固溶体；③冷却至912℃时，δ-Fe发生同素异构转变为γ-Fe（奥氏体A）；④继续冷却至GS线（A3，约790℃）以下，从奥氏体中析出先共析铁素体（F）；⑤冷却至PSK线（A1，727℃）时，剩余奥氏体（含碳0.77%）发生共析反应，生成珠光体（P=F+Fe₃C）；⑥室温组织：先共析铁素体（约50%）+珠光体（约50%）。4.淬火钢回火时的组织转变及性能变化：①第一阶段（100-200℃）：马氏体分解，析出ε-碳化物（Fe₂.₄C），形成回火马氏体（M回），硬度略有下降，内应力部分消除。②第二阶段（200-300℃）：残余奥氏体（Ar）分解为下贝氏体（B下）或回火马氏体，硬度继续下降，内应力进一步降低。③第三阶段（300-400℃）：ε-碳化物转变为渗碳体（Fe₃C），形成回火托氏体（T回，极细Fe₃C+铁素体），硬度显著下降，塑性提高。④第四阶段（400℃以上）：渗碳体聚集长大，形成回火索氏体（S回，粗粒状Fe₃C+铁素体），硬度、强度降低，塑性、韧性达到峰值（综合性能良好）。5.高速钢“高温淬火+多次回火”的原因：①高温淬火（1280-1300℃）：使W、Cr、V等合金元素充分溶解于奥氏体中，提高淬火后马氏体的合金含量，为后续回火的“二次硬化”提供条件。②多次回火（550-570℃，3-4次）：消除残余奥氏体（高速钢淬火后残余奥氏体量高达30%，一次回火仅部分转变，多次回火可使其完全转变为马氏体）；促进合金碳化物（如W₂C、VC）的弥散析出，产生“二次硬化”，提高硬度和热硬性（刀具在高温下保持硬度的能力）。五、综合分析题1.汽车齿轮的材料选择及热处理工艺：材料选择：20CrMnTi（低碳合金渗碳钢）。原因：低碳（0.17-0.23%）保证心部良好韧性；Cr、Mn提高淬透性，Ti阻止奥氏体晶粒长大（细化晶粒）。热处理工艺路线：①正火（900-920℃空冷）：消除锻造应力，细化晶粒，改善切削加工性。②渗碳（900-930℃，渗碳剂中保温