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、单项选择题（每题1分，共20分）1.体心立方晶格的原子配位数为（）A.4B.6C.8D.122.金属结晶过程中，冷却速度越快，实际结晶温度会（）A.越高B.越低C.越接近理论结晶温度D.不受影响3.二元共晶相图中共晶转变的产物是（）A.单相固溶体B.两种固相的机械混合物C.金属化合物D.过饱和固溶体4.奥氏体的本质是（）A.碳在α-Fe中的间隙固溶体B.碳在γ-Fe中的间隙固溶体C.碳在α-Fe中的置换固溶体D.碳在γ-Fe中的置换固溶体5.共析钢在平衡冷却条件下，室温获得的组织为（）A.珠光体B.铁素体+珠光体C.珠光体+二次渗碳体D.铁素体+渗碳体6.亚共析钢淬火的适宜加热温度范围为（）A.Ac₁以上30~50℃B.Ac₃以上30~50℃C.Acm以上30~50℃D.Ac₁以下30~50℃7.要求获得良好综合力学性能的中碳结构钢零件，最终热处理通常选用（）A.淬火+低温回火B.淬火+中温回火C.淬火+高温回火D.完全退火8.石墨呈球状分布的铸铁是（）A.灰铸铁B.可锻铸铁C.球墨铸铁D.蠕墨铸铁9.顺丁橡胶用于制造汽车轮胎，主要利用其优异的（）性能A.耐油B.耐寒C.耐磨与弹性D.高强度10.铸件产生集中缩孔缺陷的根本原因是（）A.液态收缩和凝固收缩得不到补缩B.浇注温度过低C.造型材料退让性不足D.浇口截面积过小11.铸造生产中，同时凝固原则主要用于防止（）缺陷A.缩孔B.铸造应力、变形和裂纹C.浇不足D.粘砂12.大型汽轮机转子轴坯适合采用的成形方法是（）A.砂型铸造B.自由锻C.模锻D.焊接13.模锻生产中，使坯料初步变形获得接近锻件形状的模膛是（）A.制坯模膛B.预锻模膛C.终锻模膛D.切断模膛14.碱性焊条相较于酸性焊条，突出的优点是（）A.焊接工艺性好B.对油污不敏感C.焊缝抗裂性能好D.脱氧能力弱15.低碳钢焊接接头热影响区中，性能最差的区域是（）A.过热区B.正火区C.不完全重结晶区D.再结晶区16.下列焊接方法中，适合自动化焊接厚钢板，生产效率高，焊缝质量好的是（）A.焊条电弧焊B.埋弧焊C.气焊D.电渣焊17.金属塑性变形时，三向压应力状态下，材料的塑性会（）A.升高B.降低C.不变D.先降低后升高18.奥氏体不锈钢焊接时，最容易产生的焊接缺陷是（）A.冷裂纹B.热裂纹C.未焊透D.夹渣19.粉末冶金生产工艺的正确顺序是（）A.混粉→压制→烧结→后处理B.压制→混粉→烧结→后处理C.混粉→烧结→压制→后处理D.烧结→混粉→压制→后处理20.塑料注射成形主要适合生产（）A.大型厚壁塑料制品B.大批量中小型复杂塑料制品C.单件小批量塑料制品D.高强度塑料制品二、多项选择题（每题2分，共20分）1.常见的金属晶格类型包括（）A.体心立方晶格B.面心立方晶格C.密排六方晶格D.正交晶格2.影响金属再结晶退火后晶粒大小的主要因素有（）A.冷塑性变形度B.再结晶加热温度C.保温时间D.金属的纯度3.钢中常见的有害杂质元素是（）A.SB.PC.SiD.Mn4.下列属于化学热处理工艺的有（）A.渗碳B.渗氮C.感应淬火D.碳氮共渗5.变形铝合金的主要强化方法包括（）A.固溶强化B.时效强化C.细晶强化D.加工硬化6.下列属于铸造常见缺陷的是（）A.缩孔缩松B.气孔C.冷隔D.偏析7.影响金属锻造性能（可锻性）的主要因素有（）A.化学成分B.内部组织C.变形温度D.变形速度8.完整的焊接接头由哪几个部分组成（）A.焊缝区B.熔合区C.热影响区D.母材区9.下列属于固态塑性成形工艺的有（）A.冲压B.轧制C.挤压D.拉拔10.下列属于增材制造（快速原型制造）典型工艺的有（）A.光固化立体成形（SLA）B.选择性激光烧结（SLS）C.熔融沉积成形（FDM）D.分层实体制造（LOM）三、填空题（每空1分，共20分）1.金属晶体中的缺陷按几何特征可分为点缺陷、____、____三类。2.铁碳平衡相图中，共析钢的碳质量分数为____%，过共析钢的碳质量分数范围是____%。3.钢的四种普通热处理基本工艺是退火、正火、____、____。4.根据石墨形态不同，工业常用铸铁分为灰铸铁、可锻铸铁、____、____四类。5.塑性变形按照变形温度分类，可分为____变形和____变形两类。6.铸造生产中，按照造型方法不同可分为____造型和____造型两大类。7.焊接方法按工艺过程本质可分为熔焊、____、____三大类。8.工程塑料按热性能可分为____塑料和____塑料两类。9.金属冷塑性变形后，强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为____，也叫____。10.钢的淬火获得的马氏体组织，按含碳量不同可分为____马氏体和____马氏体两类。四、简答题1.（封闭型）简述细晶强化的原理，说明细晶强化为什么能同时提高金属材料的强度、塑性和韧性。（5分）2.（开放型）什么是加工硬化？结合工程实际说明加工硬化的利弊。（6分）3.（封闭型）什么是回火？简述钢淬火后回火的目的，以及三种常见回火工艺的应用范围。（6分）4.（封闭型）简述铸造的顺序凝固原则和同时凝固原则，分别说明两者的适用场合。（6分）5.（封闭型）简述焊接热影响区各区域的组织和性能特点。（6分）6.（开放型）试说明变形铝合金为什么要进行固溶处理+时效处理才能获得高强度。（6分）五、综合分析与计算题1.已知一块亚共析钢的碳质量分数为w(C)=0.45%，室温下铁素体的碳质量分数约为w(C)≈0.0008%，渗碳体的碳质量分数为w(Fe₃C)=6.69%，要求：（1）根据铁碳平衡相图分析该钢从液态冷却到室温的平衡凝固过程；（2）计算室温下平衡组织中组织组成物铁素体和珠光体的相对质量分数；（3）计算室温下组成相铁素体和渗碳体的相对质量分数。（12分）2.某机械制造企业需要生产以下三种零件，要求从成形工艺、材料选择、热处理工艺三个方面给出合理方案，并说明理由：（1）单件重量10t的大型发电机转子轴，承受冲击载荷和交变弯曲载荷，要求整体综合力学性能优异，年产量5件；（2）形状复杂、尺寸为φ100mm×200mm的铸铁泵体，承受1.6MPa压力，要求减震性好，耐蚀性好，年产量10万件；（3）厚度1mm的低碳钢车身外壳，形状复杂，大批量生产，要求表面质量好，尺寸精度高，年产量30万件。（15分）参考答案一、单项选择题答案1.C2.B3.B4.B5.A6.B7.C8.C9.C10.A11.B12.B13.B14.C15.A16.B17.A18.B19.A20.B二、多项选择题答案1.ABC2.ABCD3.AB4.ABD5.ABCD6.ABCD7.ABCD8.ABCD9.ABCD10.ABCD三、填空题答案1.线缺陷；面缺陷2.0.77；0.77~2.113.淬火；回火4.球墨铸铁；蠕墨铸铁5.冷；热（顺序可互换）6.手工；机器（顺序可互换）7.压焊；钎焊（顺序可互换）8.热塑性；热固性（顺序可互换）9.加工硬化；形变强化10.板条；片状（针状）（顺序可互换）四、简答题答案1.细晶强化原理：晶粒越细小，单位体积内晶界总面积越大，位错运动的阻力越大，材料抵抗变形的能力越强，因此强度越高。（2分）强度提高的核心原因是晶界对位错运动的阻碍作用，晶粒越细晶界越多，阻碍作用越显著。（1分）塑性提高的原因：多晶体变形过程中，细小晶粒的变形可以分散到更多晶粒内进行，各晶粒变形的相互协调性更好，变形更均匀，不会因局部应力集中过早引发断裂，因此塑性更好。（1分）韧性提高的原因：裂纹扩展过程中，细小晶粒需要穿过更多晶界才能继续延伸，晶界会改变裂纹扩展方向，消耗更多断裂能，同时减少了应力集中，因此韧性更高。（1分）2.加工硬化定义：金属在冷塑性变形过程中，随着变形程度增加，位错密度不断升高，位错之间发生相互缠结、塞积，形成亚晶界，位错运动阻力不断增大，导致金属的强度、硬度持续升高，塑性、韧性不断下降的现象，也叫形变强化。（2分）有利方面：第一，是不可热处理强化金属的主要强化方法，比如工业纯铝、低碳钢、奥氏体不锈钢等无法通过淬火强化，都可以通过冷轧、冷拉等冷变形实现加工硬化提高强度，例如冷拉高强度钢丝就是利用加工硬化获得抗拉强度超过1500MPa的性能，用于制造钢丝绳、弹簧等构件；（2分）第二，提高构件使用的安全性，冲压成形过程中，局部变形大的位置因加工硬化强度升高，变形会转移到其他未变形区域，避免局部变形过度开裂，顺利完成复杂形状零件的成形。（1分）不利方面：加工硬化会提高后续塑性变形的抗力，增加加工能耗，例如冷轧钢板过程中，变形到一定程度后因硬度升高无法继续变形，必须进行中间退火消除加工硬化才能继续加工，增加了工序和生产成本。（1分）3.回火定义：将淬火后的钢件重新加热到Ac₁以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。（1分）回火的核心目的：一是消除淬火产生的残余内应力，稳定零件尺寸和形状，防止零件使用过程中变形开裂；二是调整淬火组织，获得满足零件使用要求的强度、硬度、塑性和韧性。（1分）三种回火工艺的应用范围：（1）低温回火（150~250℃）：获得回火马氏体组织，主要用于高碳工具、量具、滚动轴承、渗碳淬火零件，目的是保持淬火后的高硬度和高耐磨性，同时降低淬火应力和脆性；（1分）（2）中温回火（350~500℃）：获得回火托氏体组织，主要用于弹簧、热锻模具等弹性零件，目的是获得高弹性极限、屈服强度，同时保证足够的韧性；（1分）（3）高温回火（500~650℃）：获得回火索氏体组织，淬火加高温回火也称为调质处理，主要用于承受交变载荷、冲击载荷的结构零件，比如轴、齿轮、连杆、螺栓等，目的是获得强度、塑性、韧性匹配良好的综合力学性能，满足重载构件的使用要求。（2分）4.顺序凝固原则：就是通过在铸件厚大容易产生缩孔的部位安放冒口，控制铸件的凝固顺序，使远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，最后冒口本身凝固，将缩孔缺陷转移到冒口中，切除冒口后获得整体致密的铸件。（2分）顺序凝固适用于收缩率大的合金，比如铸钢、铝铜合金、铝硅合金等，以及壁厚差较大的铸件，主要用于防止集中缩孔缺陷，适合对致密度要求高的铸件。（1分）同时凝固原则：就是通过将内浇道开设在铸件薄壁部位，在厚大部位安放冷铁加快冷却，使铸件各个部位几乎同时达到凝固温度，实现同时凝固，减小铸件各部位的温度差，从而降低铸造残余应力，防止变形和开裂。（2分）同时凝固适用于收缩率小的合金，比如灰铸铁、锡青铜等，以及壁厚均匀的薄壁铸件，主要用于防止铸造应力、变形和热裂缺陷，缺点是容易在铸件中心产生缩松，适合对致密度要求不高的铸件。（1分）5.焊接热影响区是焊缝两侧母材，因受到焊接热循环作用，发生组织和性能变化的区域，按照组织和性能可以分为四个区域：（1分）（1）熔合区：是焊缝和母材的交界区域，温度处于固相线和液相线之间，只有部分晶粒熔化，组织粗大不均匀，化学成分偏析严重，强度和塑性韧性都很差，是焊接接头产生裂纹和脆断的发源地；（1分）（2）过热区：温度范围是Ac₃以上到1100℃，奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到粗大的片状组织，塑性韧性显著下降，冲击韧性比母材低20%~30%，是热影响区中性能最差的区域，刚度大的焊接结构容易在过热区产生裂纹；（2分）（3）正火区：温度范围是Ac₃到固相线以下，母材原来的组织全部发生重结晶，冷却后得到均匀细小的奥氏体晶粒转变的正火组织，性能优于母材，是焊接接头中性能最好的区域；（1分）（4）不完全重结晶区：温度范围是Ac₁~Ac₃，只有部分组织发生重结晶，未转变的晶粒保留粗晶，组织晶粒大小不均匀，性能不均匀，强度稍高，塑性韧性低于母材。（1分）6.变形铝合金的强化核心是时效析出强化，只有经过固溶处理+时效处理才能获得高强度，具体原因如下：变形铝合金中一般含有铜、镁、锌等溶质元素，这些元素在铝中的溶解度随温度降低而显著减小，将铝合金加热到固溶处理温度保温后，溶质元素形成的第二相（比如CuAl₂）会全部溶解到铝基体中，形成均匀的单相固溶体，随后快速淬火冷却到室温，阻止第二相在冷却过程中析出，得到不稳定的过饱和固溶体；（3分）之后将过饱和固溶体在室温放置或者加热到一定温度保温，过饱和固溶体会发生分解，逐渐析出纳米级、细小弥散分布的第二相颗粒，这些颗粒均匀分布在铝基体中，会强烈阻碍位错的运动，位错要继续变形需要克服更大的阻力，因此铝合金的强度和硬度会显著升高，这个过程就是时效强化。如果只进行固溶处理不进行时效，过饱和固溶体没有析出强化相，强度很低，无法满足使用要求。（3分）五、综合分析与计算题答案1.（1）平衡凝固过程分析：w(C)=0.45%的亚共析钢从液态冷却，温度降到液相线时，开始从液态中结晶出单相奥氏体，随着温度降低，奥氏体含量不断增加，成分沿液相线变化，液相含量不断减少，成分沿固相线变化；当温度降到固相线温度时，全部液态结晶完成，得到均匀的单相奥氏体；继续冷却到室温，温度降到Ac₃线时，开始从奥氏体晶界析出先共析铁素体，随着温度继续降低，铁素体含量不断增加，奥氏体含量不断减少，奥氏体的碳含量沿Ac₃线不断升高，逐渐靠近共析成分；当温度降到共析温度727℃（Ac₁线）时，剩余奥氏体的碳含量刚好达到共析成分0.77%，发生共析转变，奥氏体转变为珠光体；温度继续降到室温，铁素体中会析出极少量三次渗碳体，对组织影响可以忽略，因此最终室温平衡组织为铁素体+珠光体。（4分）（2）组织组成物相对质量计算：根据杠杆定律：w(F)=(0.770.45)/(0.770.0008)≈0.32/0.77≈41.6%w(P)=141.6%=58.4%（3分）（3）组成相相对质量计算：根据杠杆定律：w(F)=(6.690.45)/(6.690.0008)≈6.24/6.69≈93.3%w(Fe₃C)=193.3%=6.7%（3分）（4）室温组织特征：先共析铁素体分布在原奥氏体晶界，晶粒内部为层片状珠光体，组织组成物标注为F（铁素体）+P（珠光体），