《金属材料与热处理》试题含答案

《金属材料与热处理》试题含答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种晶体结构属于非密排结构？A.面心立方（FCC）B.体心立方（BCC）C.密排六方（HCP）D.金刚石结构2.金属结晶时，细化晶粒的最有效方法是：A.提高冷却速度B.增加过冷度C.加入形核剂D.降低浇注温度3.铁碳合金中，莱氏体的组成相是：A.铁素体（F）+渗碳体（Fe₃C）B.奥氏体（A）+渗碳体（Fe₃C）C.珠光体（P）+渗碳体（Fe₃C）D.马氏体（M）+残余奥氏体（A’）4.下列热处理工艺中，属于表面热处理的是：A.完全退火B.淬火+低温回火C.感应加热表面淬火D.球化退火5.纯铁在912℃时发生同素异构转变，其晶体结构由：A.FCC转变为BCCB.BCC转变为FCCC.BCC转变为HCPD.FCC转变为HCP6.以下哪种强化机制的本质是阻碍位错运动？A.固溶强化B.细晶强化C.第二相强化D.以上都是7.45钢（含碳量0.45%）调质处理后的组织是：A.回火马氏体B.回火屈氏体C.回火索氏体D.珠光体8.灰铸铁的力学性能主要取决于：A.基体组织B.石墨形态C.碳含量D.硅含量9.下列铝合金中，属于变形铝合金的是：A.ZL102（铸造铝硅合金）B.2A12（硬铝）C.ZL201（铸造铝铜合金）D.ZL301（铸造铝镁合金）10.马氏体转变的主要特点是：A.扩散性、切变共格B.无扩散、切变共格C.扩散性、非共格D.无扩散、非共格二、填空题（每空1分，共20分）1.金属的晶体缺陷按几何特征可分为______、______和______三类。2.铁碳合金中，共晶反应的温度是______℃，反应式为______；共析反应的温度是______℃，反应式为______。3.钢的淬火加热温度选择原则：亚共析钢为______，过共析钢为______。4.常见的金属塑性变形方式有______和______，其中______是主要变形方式。5.球墨铸铁的石墨形态为______，其力学性能接近______，主要原因是______。6.铝合金的强化方式主要有______和______，其中硬铝主要通过______强化。三、判断题（每题2分，共20分，正确打“√”，错误打“×”）1.所有金属的晶体结构都是密排结构。（）2.金属的实际结晶温度一定低于理论结晶温度。（）3.过共析钢的平衡组织为珠光体+二次渗碳体。（）4.完全退火只适用于亚共析钢，而过共析钢应采用球化退火。（）5.马氏体的硬度主要取决于其含碳量，含碳量越高，硬度越高。（）6.铸铁中石墨的存在会降低其强度，但能提高其耐磨性和减震性。（）7.变形铝合金的塑性优于铸造铝合金，因此不能通过铸造方法成形。（）8.固溶强化中，间隙固溶体的强化效果比置换固溶体更显著。（）9.回火索氏体与索氏体的区别在于，前者是淬火后回火得到的，后者是正火或退火得到的。（）10.感应加热表面淬火的淬硬层深度主要取决于加热时间，加热时间越长，淬硬层越深。（）四、简答题（每题6分，共30分）1.简述金属晶体与非晶体的主要区别（从结构、性能两方面回答）。2.为什么细晶强化是唯一能同时提高金属强度和塑性的强化方式？3.比较正火与退火的主要区别（从加热温度、冷却方式、组织性能、应用范围四方面回答）。4.分析40Cr钢（合金结构钢）经“淬火+高温回火”处理后，其组织和性能的变化规律。5.简述铸铁中石墨形态对性能的影响（对比灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）。五、综合分析题（10分）某厂生产的20钢（含碳量0.20%）齿轮，要求表面具有高硬度（58-62HRC）和耐磨性，心部具有良好的强韧性（25-35HRC）。请设计其加工工艺路线（含热处理工序），并说明各热处理工序的目的。六、计算题（10分）计算含碳量为1.2%的铁碳合金在室温下的组织组成物及相组成物的相对含量（已知：共析点含碳量0.77%，渗碳体含碳量6.69%）。参考答案与解析一、单项选择题1.答案：B【解析】体心立方（BCC）的致密度为0.68，属于非密排结构；面心立方（FCC）和密排六方（HCP）的致密度均为0.74，属于密排结构；金刚石结构为共价晶体，非金属晶体结构。2.答案：C【解析】增加过冷度（如提高冷却速度）可细化晶粒，但受限于实际生产条件；加入形核剂（变质处理）是最有效且可控的方法，通过增加异质形核核心细化晶粒。3.答案：B【解析】莱氏体（Ld）是共晶反应的产物，高温莱氏体（Ld）由奥氏体（A）和渗碳体（Fe₃C）组成；室温下奥氏体转变为珠光体（P），形成低温莱氏体（Ld’），但组成相仍为P+Fe₃C（本质是A+Fe₃C的转变产物）。4.答案：C【解析】感应加热表面淬火仅对工件表层加热并淬火，属于表面热处理；完全退火、球化退火为整体热处理；淬火+低温回火是整体强化工艺。5.答案：B【解析】纯铁的同素异构转变：912℃以下为α-Fe（BCC），912-1394℃为γ-Fe（FCC），1394-1538℃为δ-Fe（BCC）。因此912℃时由BCC（α-Fe）转变为FCC（γ-Fe）。6.答案：D【解析】固溶强化通过溶质原子阻碍位错运动；细晶强化通过晶界阻碍位错运动；第二相强化通过第二相粒子阻碍位错运动（切割或绕过机制），本质均为位错阻碍。7.答案：C【解析】调质处理是淬火+高温回火（500-650℃），得到回火索氏体（细小粒状渗碳体+铁素体），具有良好的综合力学性能（强韧性匹配）。8.答案：B【解析】灰铸铁的基体多为珠光体或铁素体，但石墨呈片状，对基体割裂严重，因此石墨形态（如片的大小、数量、分布）是影响性能的关键因素。9.答案：B【解析】变形铝合金塑性好，适合压力加工（如轧制、锻造），包括防锈铝（5XXX）、硬铝（2XXX）、超硬铝（7XXX）等；铸造铝合金（ZL系列）含合金元素多，流动性好，适合铸造。10.答案：B【解析】马氏体转变是无扩散的切变过程，原子不发生长程扩散，仅作集体切变，形成与母相（奥氏体）共格的体心正方结构（含碳量较高时）或体心立方结构（含碳量低时）。二、填空题1.点缺陷；线缺陷；面缺陷2.1148；L→A+Fe₃C；727；A→F+Fe₃C3.Ac₃+30-50℃；Ac₁+30-50℃4.滑移；孪生；滑移5.球状；钢；球状石墨对基体的割裂作用最小6.固溶强化；时效强化；时效（或沉淀）三、判断题1.×（解析：如α-Fe为体心立方，非密排结构）2.√（解析：实际结晶需过冷度，实际结晶温度低于理论结晶温度）3.√（解析：过共析钢平衡冷却时，先析出二次渗碳体（Fe₃CⅡ），剩余奥氏体在727℃发生共析反应生成珠光体（P），故室温组织为P+Fe₃CⅡ）4.√（解析：完全退火加热至Ac₃以上，过共析钢会因二次渗碳体溶解不完全，冷却时沿晶界析出网状Fe₃CⅡ，降低韧性；球化退火加热至Ac₁以上，使Fe₃C球化，改善切削性能）5.√（解析：马氏体硬度主要取决于含碳量，碳含量增加，晶格畸变加剧，硬度升高；但碳含量过高（>0.6%）时，残余奥氏体增多，硬度上升趋缓）6.√（解析：石墨力学性能差（近似于空穴），降低强度；但石墨可储存润滑油，提高耐磨性，且石墨能吸收振动，提高减震性）7.×（解析：变形铝合金塑性好，但也可通过铸造成形，只是铸造铝合金的合金元素含量更高，流动性更好）8.√（解析：间隙原子（如C、N）尺寸小，嵌入晶格间隙引起的畸变更大，阻碍位错运动的效果更显著）9.√（解析：回火索氏体是淬火马氏体经高温回火得到的（粒状渗碳体+铁素体），索氏体是过冷奥氏体在600-650℃等温转变或正火得到的（片状渗碳体+铁素体），两者组织形态不同）10.×（解析：感应加热表面淬火的淬硬层深度主要取决于电流频率，频率越低，透入深度越大，淬硬层越深；加热时间过长会导致表层过热，晶粒粗大）四、简答题1.答案要点：结构方面：金属晶体原子规则排列（长程有序），有固定熔点；非晶体原子无序排列（短程有序、长程无序），无固定熔点。性能方面：晶体具有各向异性（如单晶体的力学、电学性能随方向变化）；非晶体各向同性（如玻璃的力学性能无方向差异）。2.答案要点：细晶强化通过减小晶粒尺寸实现。晶粒越细，晶界越多，位错运动时需绕过晶界，增加了位错运动阻力（霍尔-佩奇公式：σs=σ0+kd⁻¹/2），提高强度；同时，细晶粒中变形更均匀（多晶粒协调变形能力强），减少应力集中，延缓裂纹扩展，因此塑性也提高。其他强化方式（如固溶强化、第二相强化）会增加晶格畸变或第二相粒子，虽提高强度但降低塑性。3.答案要点：加热温度：正火为Ac₃（亚共析钢）或Accm（过共析钢）+30-50℃；退火为Ac₃（完全退火）或Ac₁（球化退火）+30-50℃。冷却方式：正火采用空冷（冷却速度较快）；退火采用炉冷（冷却速度慢）。组织性能：正火得到细片状珠光体（索氏体），强度、硬度高于退火（退火得到粗片状珠光体或铁素体+珠光体）。应用范围：正火用于改善切削性能、消除网状碳化物（过共析钢）或作为最终热处理（低中碳钢）；退火用于消除内应力、细化晶粒（完全退火）或改善切削性能（球化退火，过共析钢）。4.答案要点：40Cr钢淬火后得到马氏体组织（含碳量0.4%，合金元素Cr提高淬透性），硬度高（约55-60HRC），但脆性大；高温回火（500-650℃）时，马氏体分解，碳化物聚集长大，形成回火索氏体（细小粒状渗碳体+铁素体）。最终性能：强度、硬度下降（25-35HRC），但塑性、韧性显著提高，获得良好的综合力学性能（强韧性匹配），适用于轴类、齿轮等承受循环载荷的零件。5.答案要点：灰铸铁：石墨呈片状，对基体割裂严重，应力集中明显，故强度、塑性低（抗拉强度约150-300MPa，延伸率近0%），但耐磨性、减震性好。可锻铸铁：石墨呈团絮状，对基体割裂减轻，强度、塑性提高（抗拉强度约300-450MPa，延伸率2-10%），但不可锻造（名称为历史沿用）。球墨铸铁：石墨呈球状，对基体割裂最小，应力集中极轻，力学性能接近钢（抗拉强度可达600-800MPa，延伸率2-18%），可部分替代钢制造复杂零件。五、综合分析题工艺路线：锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工各热处理工序目的：1.正火：消除锻造应力，细化晶粒，均匀组织，改善切削性能（20钢锻后组织可能粗大，正火后得到细片状珠光体+铁素体，硬度适中）。2.渗碳：在900-950℃下将碳原子渗入表层（渗碳层深度0.8-1.2mm），使表层含碳量提高至0.8-1.0%，心部保持原含碳量（0.2%），为后续淬火做准备。3.淬火：表层高碳奥氏体快速冷却（水或油冷）转变为马氏体，获得高硬度（58-62HRC）；心部低碳奥氏体冷却后转变为低碳马氏体或托氏体，保持良好韧性。4.低温回火（150-200℃）：消除淬火内应力，稳定组织，减少脆性，同时保持表层高硬度和耐磨性（回火马氏体）。六、计算题已知条件：室温下组织为珠光体（P）+二次渗碳体（Fe₃CⅡ）；相组成为铁素体（F）+渗碳体（Fe₃C）。组织组成物计算（杠杆定律）：珠光体（P）含碳量0.77%，二次渗碳体（Fe₃CⅡ）含碳量6.69%。合金含碳量C=1.2%，位于0.77%-2.11%之间（过共析钢）。组织组成物相对含量：Fe₃CⅡ%=[(C0.77)/(6.690.77)]×100%=[(1.20.77)/(6.690.77)]×