金属材料与热处理题库及答案

金属材料与热处理题库及答案一、选择题（每题2分，共30分）1.纯铁在912℃时发生同素异构转变，由体心立方结构（α-Fe）转变为面心立方结构（γ-Fe），此时晶体的致密度变化为（）。A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：A（面心立方致密度0.74，体心立方0.68，转变后致密度增大）2.下列合金相中，属于间隙固溶体的是（）。A.铁素体（α-Fe中溶入C）B.黄铜中的α相（Cu中溶入Zn）C.铝合金中的θ相（CuAl₂）D.灰铸铁中的石墨相答案：A（铁素体是C原子溶入α-Fe间隙形成的间隙固溶体）3.铁碳合金相图中，共析反应的产物是（）。A.莱氏体（Ld）B.珠光体（P）C.二次渗碳体（Fe₃CⅡ）D.三次渗碳体（Fe₃CⅢ）答案：B（共析反应式：γ→α+Fe₃C，产物为珠光体）4.45钢（含碳量0.45%）经完全退火后，其组织为（）。A.铁素体+珠光体B.珠光体+渗碳体C.马氏体+残余奥氏体D.贝氏体+铁素体答案：A（完全退火用于亚共析钢，组织为铁素体+珠光体，45钢为亚共析钢）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.等温退火答案：C（去应力退火加热至Ac1以下，主要消除残余应力）6.淬火钢在200-300℃回火时，容易产生的脆性称为（）。A.第一类回火脆性（不可逆回火脆性）B.第二类回火脆性（可逆回火脆性）C.冷脆性D.热脆性答案：A（第一类回火脆性发生在250-400℃，不可逆）7.下列材料中，适合采用表面淬火的是（）。A.20钢（低碳钢）B.40Cr（中碳合金钢）C.HT250（灰铸铁）D.ZL102（铸造铝合金）答案：B（表面淬火需材料含碳量0.4-0.5%，40Cr符合要求）8.铝合金的“自然时效”是指（）。A.室温下随时间延长强度、硬度升高的现象B.加热至100-200℃保温后冷却的过程C.高温下快速冷却获得过饱和固溶体的处理D.通过冷变形提高强度的方法答案：A（自然时效是铝合金固溶处理后室温放置，析出强化相的过程）9.灰铸铁中石墨的形态为（）。A.片状B.球状C.蠕虫状D.团絮状答案：A（灰铸铁石墨呈片状，是其基本特征）10.下列钢种中，属于工具钢的是（）。A.Q235B.40CrC.T12AD.20CrMnTi答案：C（T12A为碳素工具钢，含碳量1.2%）11.为提高高速钢刀具的红硬性，通常需要进行（）。A.完全退火B.多次回火（560℃×3次）C.等温淬火D.正火答案：B（高速钢淬火后需560℃三次回火，促进二次硬化，提高红硬性）12.下列金属中，属于密排六方结构的是（）。A.α-Fe（912℃以下）B.γ-Fe（912-1394℃）C.纯铝（Al）D.纯镁（Mg）答案：D（Mg的晶体结构为密排六方，α-Fe为体心立方，γ-Fe和Al为面心立方）13.铸铁中碳的质量分数一般为（）。A.0.0218%-2.11%B.2.11%-4.3%C.4.3%-6.69%D.大于6.69%答案：B（铸铁含碳量2.11%-6.69%，但工业上常用铸铁含碳量2.5%-4.0%，故B更准确）14.渗碳处理主要用于（）。A.提高零件表面的硬度和耐磨性，心部保持良好韧性B.提高零件整体的强度和硬度C.消除零件内部的残余应力D.改善切削加工性能答案：A（渗碳是表面化学热处理，用于低碳钢或低碳合金钢，表面高硬度，心部韧性好）15.下列热处理工艺中，冷却速度最快的是（）。A.退火（随炉冷却）B.正火（空冷）C.淬火（水冷或油冷）D.回火（空冷或炉冷）答案：C（淬火冷却速度需大于临界冷却速度，远快于退火、正火）二、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会发生同素异构转变。（）答案：×（仅部分金属如Fe、Ti、Co等有同素异构转变，多数金属无）2.固溶强化的本质是溶质原子与位错相互作用，阻碍位错运动。（）答案：√（溶质原子引起晶格畸变，与位错形成钉扎，提高材料强度）3.铁碳合金中，含碳量越高，硬度和强度一定越高。（）答案：×（含碳量超过0.9%后，二次渗碳体沿晶界析出，强度下降，硬度继续升高）4.完全退火适用于过共析钢，可消除网状渗碳体。（）答案：×（完全退火用于亚共析钢，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。（）答案：√（马氏体中碳含量增加，晶格畸变加剧，硬度提高）6.表面淬火后一般需要进行低温回火，以消除内应力并保持高硬度。（）答案：√（表面淬火后组织为马氏体，存在很大内应力，低温回火可稳定组织）7.铝合金的时效强化效果随时间延长而无限增强。（）答案：×（时效存在“过时效”阶段，超过峰值后硬度、强度下降）8.灰铸铁的抗压强度远高于抗拉强度，适合制作承受压应力的零件。（）答案：√（片状石墨对拉应力敏感，对抗压影响小，故抗压强度高）9.高速钢刀具淬火后需进行低温回火（150-200℃）以提高韧性。（）答案：×（高速钢需560℃三次回火，利用二次硬化提高红硬性）10.化学热处理的基本过程包括分解、吸收、扩散三个阶段。（）答案：√（分解：介质分解出活性原子；吸收：原子被表面吸附；扩散：原子向内部迁移）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述铁碳合金相图中ES线、GS线、PQ线的含义及实际应用意义。答案：ES线（Acm线）：碳在奥氏体中的溶解度曲线（727℃时含碳量0.77%，1148℃时2.11%）。实际意义：过共析钢加热时，温度超过ES线后，二次渗碳体完全溶入奥氏体；冷却时，奥氏体中碳含量超过ES线对应值会析出二次渗碳体，因此ES线是制定过共析钢淬火加热温度的依据（应低于ES线，避免奥氏体含碳量过高导致淬火开裂）。GS线（A3线）：奥氏体向铁素体转变的开始线（亚共析钢冷却时，奥氏体含碳量沿GS线降低，至727℃时含碳量0.77%）。实际意义：亚共析钢正火或退火时，加热温度需高于GS线，以获得均匀奥氏体；同时，GS线是区分亚共析钢与共析钢的界限。PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线（727℃时0.0218%，室温时0.0008%）。实际意义：铁素体冷却时，碳含量超过PQ线会析出三次渗碳体（Fe₃CⅢ），但数量极少，对性能影响可忽略；PQ线用于分析铁素体中碳的析出行为，如工业纯铁的缓冷组织中可能出现极少量三次渗碳体。2.比较退火与正火的工艺区别及应用场合。答案：工艺区别：加热温度：亚共析钢退火加热温度为Ac3+30-50℃，正火为Ac3+50-70℃；过共析钢退火（球化退火）为Ac1+20-30℃，正火为Accm+30-50℃。冷却方式：退火采用随炉冷却（慢冷），正火采用空冷（较快冷）。组织与性能：退火后组织为平衡态（铁素体+珠光体或球化体），硬度较低；正火后组织为伪共析体（珠光体更细），硬度、强度高于退火。应用场合：退火：用于消除内应力、改善切削性能（如高碳钢球化退火）、细化晶粒（完全退火）；适用于要求较低、需软化的零件或半成品。正火：用于提高低碳钢强度（避免退火后硬度太低）、消除过共析钢网状渗碳体（为球化退火做准备）、作为最终热处理（性能要求不高的零件）；成本低于退火（空冷无需控温）。3.说明马氏体转变的主要特征及其对钢性能的影响。答案：主要特征：无扩散性：原子不发生长程迁移，仅通过切变完成晶格重构。切变共格性：马氏体与母相奥氏体保持共格界面，形成表面浮凸效应。高速性：转变速度极快（接近声速），转变量仅与温度有关（Ms-Mf温度区间）。高缺陷密度：马氏体中存在大量位错或孪晶，晶格畸变严重。对性能的影响：高硬度与高脆性：马氏体的硬度主要取决于含碳量（碳含量↑，晶格畸变↑，硬度↑），但脆性大（尤其是高碳马氏体）。体积膨胀：马氏体比容大于奥氏体，淬火时易产生内应力，导致变形或开裂。强韧性差异：低碳马氏体（位错型）具有较高强韧性，高碳马氏体（孪晶型）硬度高但韧性差。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：灰铸铁（片状石墨）：石墨呈片状，相当于在基体中存在大量尖锐的“裂纹”，严重割裂基体，阻碍位错运动。因此，灰铸铁抗拉强度低、塑性差（接近零），但抗压强度较高（石墨对压应力不敏感），且具有良好的减震性、耐磨性和切削性能。可锻铸铁（团絮状石墨）：石墨经退火处理后呈团絮状，对基体的割裂作用显著减弱。与灰铸铁相比，可锻铸铁的抗拉强度、塑性和韧性明显提高（延伸率可达2-12%），但仍属脆性材料（不可锻造）。球墨铸铁（球状石墨）：石墨呈球状，对基体的割裂作用最小，基体连续性接近钢。因此，球墨铸铁具有较高的抗拉强度（可达600-800MPa）、良好的塑性（延伸率2-18%）和韧性，部分性能接近甚至超过碳钢，同时保留了铸铁的减震性和耐磨性。5.简述铝合金的时效强化（沉淀强化）机制，并说明自然时效与人工时效的区别。答案：时效强化机制：铝合金经固溶处理（加热至单相区后快速冷却）获得过饱和固溶体，随后在室温或加热条件下，过饱和的溶质原子（如Cu、Mg、Si等）逐渐析出细小弥散的第二相颗粒（如θ相CuAl₂、β相Mg₂Si）。这些第二相颗粒与位错相互作用（切割或绕过），阻碍位错运动，从而提高材料的强度和硬度。自然时效与人工时效的区别：温度条件：自然时效在室温下进行（如Al-Cu合金需数天至数月）；人工时效在加热条件下进行（通常100-200℃，保温数小时至数十小时）。析出速度：人工时效通过加热加速原子扩散，析出过程更快，可在较短时间内达到峰值强度。性能特点：自然时效的析出相更细小弥散，强度更高但塑性略低；人工时效的析出相尺寸稍大，塑性较好（过时效时强度下降）。应用场景：自然时效用于对尺寸稳定性要求高的零件（如精密仪器）；人工时效用于需要快速获得性能的零件（如建筑、车辆部件）。四、综合分析题（每题15分，共30分）1.某汽车变速箱齿轮（工作条件：承受交变接触应力、冲击载荷，要求表面高硬度（58-62HRC）、心部良好强韧性（30-40HRC）），请选择合适的材料并设计热处理工艺路线，说明各工艺的目的。答案：材料选择：20CrMnTi（低碳合金渗碳钢）。原因：含碳量0.17-0.23%，保证心部韧性；Cr、Mn、Ti元素提高淬透性（Mn、Cr），Ti阻止奥氏体晶粒长大（细化晶粒），适合渗碳处理。热处理工艺路线及目的：（1）预备热处理：正火。加热至Ac3+50-70℃（约900-920℃），空冷。目的：消除锻造应力，细化晶粒，改善切削加工性能（调整硬度170-210HBW）。（2）渗碳处理：加热至900-950℃，通入渗碳介质（如煤油、丙烷），保温6-10小时，使表层含碳量达0.8-1.0%。目的：获得高碳表层，为后续淬火提供条件。（3）淬火：渗碳后预冷至830-850℃（避开Ar3温度，防止晶粒粗大），油冷。目的：表层高碳奥氏体转变为马氏体，获得高硬度；心部低碳奥氏体转变为低碳马氏体或托氏体，保持强韧性。（4）低温回火：180-200℃保温2-3小时，空冷。目的：消除淬火内应力，稳定马氏体组织，减少脆性，保持表层高硬度（58-62HRC）。（5）磨削加工：回火后进行表面磨削，保证齿轮精度。2.分析45钢（含碳量0.45%）分别经“完全退火”“正火”“淬火+高温回火”处理后的组织与性能差异，并说明各自的应用场景。答案：（1）完全退火：加热至Ac3+30-50℃（约830-850℃），保温后随炉冷却。组织为铁素体+珠光体（铁素体约50%，珠光体约50%）。性能：硬度较低（170-210HBW），塑性、韧性较好，强度中等。应用场景：用于消除锻造应力，改善切削性能（如轴类零件粗加工前的预处理）。（2）正火：加热至Ac3+50-70℃（约850-870℃），保温后空冷。组织为铁素体+细珠光体（珠光体片层更薄）。性能：硬度高于退火（180-240HBW），强度、耐磨性更好，塑性略低。应用场景：用于低碳钢（如45钢）提高强度（替代退火），或作为最终热处理（如不重要的轴类零件）。（3）淬火+高温回