东北大学《金属学与热处理基础》期末考核试题及答案参考

东北大学《金属学与热处理基础》期末考核试题及答案参考一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。在每小题列出的四个备选项中，只有一个是符合题目要求的）1.在面心立方晶格中，原子排列最紧密的晶向是（）。A.[100]B.[110]C.[111]D.[112]2.金属结晶时，晶体长大的方式主要取决于（）。A.液态金属的过冷度B.熔化潜热的大小C.晶核的表面张力D.液态金属的流动性3.在三元合金相图中，垂直截面的变温截面图（）。A.可以确定平衡相的成分B.可以确定相的相对含量C.只能确定相的转变温度D.既可以确定相的成分也可以确定相的含量4.铁碳合金中，莱氏体是由（）组成的机械混合物。A.奥氏体和渗碳体B.铁素体和渗碳体C.珠光体和渗碳体D.铁素体和奥氏体5.下列哪种缺陷属于线缺陷？（）A.空位B.晶界C.位错D.层错6.塑性变形使金属产生（）。A.加工硬化B.软化C.再结晶D.回复7.45钢（中碳钢）正火处理的目的是（）。A.获得球状珠光体B.提高硬度，改善切削加工性C.消除网状渗碳体D.获得下贝氏体8.二次硬化现象主要出现在（）钢中。A.低碳钢B.中碳钢C.高速钢D.高锰钢9.马氏体转变的主要特点是（）。A.扩散型转变B.切变型转变，无扩散C.只有晶格改变，无成分变化D.速度极慢10.完全退火主要用于（）。A.共析钢B.过共析钢C.亚共析钢D.所有碳钢11.合金元素在奥氏体中的溶解度随温度降低而减小时，会产生（）。A.二次硬化B.弥散强化C.固溶强化D.加工硬化12.钢的淬透性主要取决于（）。A.冷却介质B.工件尺寸C.临界冷却速度D.奥氏体晶粒度13.下列组织中，硬度最高的是（）。A.珠光体B.索氏体C.托氏体A.上贝氏体B.下贝氏体C.回火索氏体D.粗大片状珠光体14.确定铸型浇注位置时，最重要的铸件部分是（）。A.加工面B.重要加工面C.宽大平面D.薄壁部分15.金属经冷塑性变形后，其位错密度（）。A.降低B.不变C.增高D.先增后降二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分。在每小题列出的五个备选项中，至少有两个是符合题目要求的）1.影响再结晶晶粒大小的因素主要有（）。A.预先变形程度B.原始晶粒大小C.退火温度D.杂质含量E.加热速度2.下列属于改善金属材料力学性能的途径有（）。A.细晶强化B.固溶强化C.形变强化D.第二相强化E.热处理3.铁碳合金平衡冷却过程中，发生的共析反应是（）。A.L→γ+Fe3CB.γ→α+Fe3CC.γ+Fe3C→αD.α→γ+Fe3CE.γ→α+Fe3C(在727℃)4.淬火钢回火时，随着回火温度升高，其（）。A.硬度、强度下降B.塑性、韧性上升C.残余奥氏体分解D.碳化物聚集长大E.内应力消除5.关于铸造合金的收缩，下列说法正确的有（）。A.收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩B.液态收缩和凝固收缩是产生缩孔、缩松的主要原因C.固态收缩是产生铸件内应力、变形和裂纹的主要原因D.缩孔通常集中在铸件上部或最后凝固部位E.缩松通常分布在铸件轴线区域或厚大部位三、填空题（本大题共15小题，每小题2分，共30分）1.金属常见的三种晶体结构是体心立方、面心立方和________。2.根据溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体和________。3.结晶过程的热力学条件是________，动力学条件是________。4.铁碳合金相图中，ES线是碳在________中的溶解度曲线，PQ线是碳在________中的溶解度曲线。5.共析钢的含碳量为________，其室温平衡组织为________。6.塑性变形的基本方式有滑移和________。7.再结晶温度是指经大变形度的金属，在规定时间内完成再结晶所需的________温度。8.钢在加热时，为了获得细小的奥氏体晶粒，必须控制加热温度和________。9.淬火钢进行高温回火时，得到的组织是________，具有良好的综合力学性能。10.表面淬火主要用于________碳钢，目的是使表面获得高硬度，而心部保持高韧性。11.合金元素Cr、W、Mo、V等，在钢中主要形成________，提高钢的硬度和耐磨性。12.铸造应力按产生原因可分为热应力、相变应力和________。13.铸件在凝固过程中，如果合金的结晶温度范围________，则倾向于形成糊状凝固，易产生缩松。14.热处理工艺过程由加热、________和冷却三个阶段组成。15.45钢常规淬火温度为________，回火温度视性能要求而定。四、判断题（本大题共10小题，每小题1分，共10分。正确的打“√”，错误的打“×”）1.在面心立方晶格中，配位数为12，致密度为0.74。（）2.金属结晶时，冷却速度越快，过冷度越大，晶粒越粗大。（）3.间隙固溶体一定是无限固溶体。（）4.铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格，塑性韧性好。（）5.加工硬化只有在冷变形情况下才会产生，热变形不会产生。（）6.马氏体转变是扩散型转变，转变过程中有碳原子的扩散。（）7.淬火冷却速度越快，钢的淬透性越好。（）8.去应力退火加热温度低于再结晶温度，不发生组织变化。（）9.合金钢的淬透性一定优于碳钢。（）10.共晶成分的合金流动性最好，缩孔倾向大，缩松倾向小。（）五、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）1.简述固溶强化的原因及其对金属性能的影响。2.比较马氏体和托氏体（屈氏体）在组织形态、力学性能及形成条件上的异同。3.什么是淬透性？影响淬透性的主要因素有哪些？4.简述再结晶过程中，组织和性能的变化。5.画出Fe-Fe3C相图中钢的部分（简化版），标出主要特性点（S、E、C、P）的温度和含碳量，并写出共析反应式。六、综合分析题（本大题共4小题，共45分）1.（本题10分）某工厂生产一批机床齿轮，材料选用40Cr钢，其技术要求是：齿面硬度HRC50-55，心部硬度HRC25-30，具有良好的综合力学性能。试制定其热处理工艺路线（包括预备热处理和最终热处理），并说明各工艺步骤的目的及最终组织。2.（本题12分）有一低碳钢试样，经冷塑性变形后，其强度和硬度显著提高，塑性降低。若将其加热至不同温度，请分析：(1)加热至200℃时，发生什么过程？组织和性能有何变化？(2)加热至550℃时，发生什么过程？组织和性能有何变化？(3)加热至850℃时（高于A3线），发生什么过程？组织和性能有何变化？3.（本题10分）分析T12钢（过共析钢）在正常淬火温度加热并水冷后，其显微组织是什么？若加热温度过高（显著高于Accm），淬火后的组织又是什么？这两种情况对钢的性能有何不利影响？4.（本题13分）根据Fe-Fe3C相图，分析含碳量为0.8%的共析钢从液态缓慢冷却至室温的过程。(1)画出冷却曲线及组织转变示意图。(2)详细说明各温度区间的相组成和组织组成。(3)计算室温下（平衡组织）珠光体中渗碳体和铁素体的相对质量分数。以下为答案参考详细内容一、单项选择题1.C2.A3.C4.C5.C6.A7.B8.C9.B10.C11.B12.C13.D14.B15.C二、多项选择题1.ABC2.ABCDE3.BE4.ABCDE5.ABCDE三、填空题1.密排六方2.间隙固溶体3.过冷度；动态过冷度4.奥氏体；铁素体5.0.77%；珠光体6.孪生7.最低8.保温时间9.回火索氏体10.中11.碳化物12.机械应力13.宽14.保温15.840℃-860℃四、判断题1.√2.×（晶粒越细小）3.×（通常是有限固溶体）4.√5.√6.×（是无扩散型转变）7.×（淬透性是材料本身属性，与冷却速度无关，淬硬层深度才与冷却速度有关）8.√9.×（不一定，取决于合金元素种类和含量）10.√五、简答题1.简述固溶强化的原因及其对金属性能的影响。答：原因：溶质原子溶入溶剂晶格中，引起晶格畸变，增加了位错运动的阻力，从而提高了金属的强度和硬度。影响：固溶强化在提高金属强度和硬度的同时，往往会保持较好的塑性和韧性，即综合力学性能较好。这是强化金属的一种重要途径，但强化效果有限。2.比较马氏体和托氏体（屈氏体）在组织形态、力学性能及形成条件上的异同。答：(1)组织形态：马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。主要有板条马氏体（低碳，位错亚结构）和片状（针状）马氏体（高碳，孪晶亚结构）。托氏体：极细片状珠光体，由铁素体和渗碳体组成的层片状机械混合物，片层间距极小，需在高倍显微镜下分辨。(2)力学性能：马氏体：硬度高、强度高，但塑性韧性极差（尤其是片状马氏体），脆性大。托氏体：硬度、强度较高，优于珠光体和索氏体，但塑性韧性低于索氏体。(3)形成条件：马氏体：通过快速冷却（淬火），抑制碳原子的扩散和奥氏体的分解，在Ms点以下发生切变转变形成。托氏体：通过奥氏体在稍低于C曲线鼻尖的温度（约500℃-600℃）等温冷却，或以较快速度连续冷却（正火或淬火油冷）形成。3.什么是淬透性？影响淬透性的主要因素有哪些？答：淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力，即钢淬火时获得淬硬层深度的能力。通常用规定条件下淬火获得淬硬层的深度来表示。主要影响因素：(1)临界冷却速度：临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。(2)合金元素：除Co外，大多数合金元素（如Mn、Cr、Ni、Mo、B等）溶于奥氏体后，都能提高过冷奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，从而显著提高钢的淬透性。(3)奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒越粗大，晶界越少，形核率降低，过冷奥氏体稳定性增加，淬透性提高。(4)奥氏体均匀化程度：碳和合金元素在奥氏体中分布越均匀，淬透性越好。4.简述再结晶过程中，组织和性能的变化。答：组织变化：变形的晶粒被新的无畸变的等轴晶粒所取代，位错密度大大降低。性能变化：(1)加工硬化现象消除，金属的强度和硬度显著下降，塑性和韧性显著升高，恢复到变形前的水平。(2)内应力（主要是残余应力）基本消除。(3)物理、化学性能恢复，如电阻率下降，抗腐蚀性能提高等。5.画出Fe-Fe3C相图中钢的部分（简化版），标出主要特性点（S、E、C、P）的温度和含碳量，并写出共析反应式。答：（注：此处以文字描述绘图要点，实际考试需作图）Fe-Fe3C相图钢的部分（P点至S点至E点以下区域）。主要特性点：S点（共析点）：温度727℃，含碳量0.77%。E点：温度1148℃，含碳量2.11%。C点（共晶点）：温度1148℃，含碳量4.3%。P点：温度727℃，含碳量0.0218%。共析反应式：A(S点)⇌F(P点)+Fe3C即：γ(0.77%C)⇌α(0.0218%C)+Fe3C(6.69%C)六、综合分析题1.某工厂生产一批机床齿轮，材料选用40Cr钢，其技术要求是：齿面硬度HRC50-55，心部硬度HRC25-30，具有良好的综合力学性能。试制定其热处理工艺路线（包括预备热处理和最终热处理），并说明各工艺步骤的目的及最终组织。答：热处理工艺路线：锻造→预备热处理（正火/退火）→粗加工→调质→精加工→表面淬火→低温回火→磨削。(1)预备热处理：正火（或退火）。目的：消除锻造应力，细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性，并为随后的调质处理做好组织准备。组织：珠光体（索氏体）+铁素体。(2)调质处理：淬火+高温回火。目的：获得回火索氏体组织，使齿轮心部具有良好的综合力学性能（强韧性好），满足心部硬度HRC25-30的要求，同时为表面淬火做好组织准备。组织：回火索氏体。(3)最终热处理：表面淬火+低温回火。目的：表面淬火使齿面获得高硬度的马氏体组织；低温回火减少淬火应力，降低脆性，保持高硬度。满足齿面硬度HRC50-55的要求。最终组织：表面为回火马氏体，心部为回火索氏体。2.有一低碳钢试样，经冷塑性变形后，其强度和硬度显著提高，塑性降低。若将其加热至不同温度，请分析：(1)加热至200℃时，发生什么过程？组织和性能有何变化？(2)加热至550℃时，发生什么过程？组织和性能有何变化？(3)加热至850℃时（高于A3线），发生什么过程？组织和性能有何变化？答：(1)加热至200℃时：发生回复过程。组织：显微组织无明显变化，仍保持变形后的纤维状组织，但空位减少，位错发生重排。性能：强度和硬度略有下降，塑性略有提高，内应力显著降低。(2)加热至550℃时：发生再结晶过程。组织：变形的晶粒被新的无畸变的等轴晶粒取代。性能：加工硬化完全消除，强度和硬度恢复到变形前的水平，塑性和韧性显著提高，内应力完全消除。(3)加热至850℃时（高于A3线）：发生再结晶和相变重结晶（奥氏体化）过程。组织：加热至奥氏体相区，转变为奥氏体。若随后缓慢冷却，则转变为铁素体和珠光体（平衡组织）；若随后快速冷却，则可能获得马氏体等组织。性能：取决于最终冷却后的组织。若空冷，性能接近退火或正火状态；若水冷，则获得淬火组织，硬度高。3.分析T12钢（过共析钢）在正常淬火温度加热并水冷后，其显微组织是什么？若加热温度过高（显著高于Accm），淬火后的组织又是什么？这两种情况对钢的性能有何不利影响？答：(1)正常淬火温度加热（Ac1+30~50℃）：显微组织：细小马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。性能：高硬度、高耐磨性，韧性较好。(2)加热温度过高（显著高于Accm）：显微组织：粗大马氏体+大量残余奥氏体。原因：加热温度过高，二次渗碳体完全溶解于奥氏体，使奥氏体含碳量增加，Ms点降低，导致淬火后残余奥氏体量剧增；同时奥氏体晶粒粗大，导致马氏体针叶粗大。性能不利影响：①硬度下降：因为大量残余奥氏体存在（硬度低），且粗大马氏体脆性大。②脆性增加：粗大马氏体显微裂纹增多，导致钢的脆性显著增加，使用时易开裂。③耐磨性降低：由于残余奥氏体存在及基体组织粗化。4.根据Fe-Fe3C相图，分析含碳量为0.8%的共析钢从液态缓慢冷却至室温的过程。(1)画出冷却曲线及组织转变示意图。（注：文字描述）冷却曲线：垂直线在0.8%C处。在1点以上为液相(L)；1-2点为L+γ；2点为共晶反应（不适用于共析钢，共析钢无液相