《金属材料与热处理》期末试题及答案

《金属材料与热处理》期末试题及答案一、单项选择题（本大题共20小题，每小题1分，共20分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）1.在面心立方晶格中，每个晶胞所包含的原子数为（）。A.1B.2C.4D.62.金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度通常（）。A.越高B.越低C.不变D.越接近理论结晶温度3.在铁碳合金中，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4.下列哪种铸造性能最好？（）A.纯铁B.共晶钢C.共晶白口铸铁D.亚共晶钢5.钢在淬火后，为了获得高硬度和高耐磨性，一般应进行（）。A.低温回火B.中温回火C.高温回火D.调质处理6.下列合金元素中，能显著提高钢的淬透性，且是主加元素的是（）。A.CrB.MnC.SiD.W7.制造尺寸较小、形状简单、要求高硬度和高耐磨性的冷作模具，一般选用（）。A.T10B.Cr12MoVC.3Cr2W8VD.60Si2Mn8.正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃，保温后（）的热处理工艺。A.随炉缓慢冷却B.在油中冷却C.在空气中冷却D.在水中冷却9.金属发生塑性变形时，随着变形程度的增加，其强度和硬度（）。A.降低B.不变C.升高D.先升后降10.碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为（）。A.铁素体B.奥氏体C.渗碳体D.马氏体11.下列关于再结晶的叙述中，错误的是（）。A.再结晶是一个相变过程B.再结晶可以消除加工硬化C.再结晶过程有新晶粒形成D.预变形度越大，再结晶晶粒越细小12.高速钢红硬性的主要原因是由于含有大量的（）。A.铬B.镍C.钨和钼D.锰13.40Cr钢制造齿轮，其调质处理的硬度一般控制在（）。A.HRC55-60B.HRC40-45C.HB200-230D.HB300-35014.过共析钢正火的主要目的是为了（）。A.提高硬度B.消除网状二次渗碳体C.消除内应力D.降低硬度以利于切削加工15.可锻铸铁中的石墨呈（）。A.片状B.团絮状C.球状D.蠕虫状16.巴氏合金（锡基轴承合金）的组织特征是（）。A.在软基体上分布硬质点B.在硬基体上分布软质点C.均匀的固溶体D.粗大的晶粒17.感应加热表面淬火，电流频率越高，则淬硬层深度（）。A.越深B.越浅C.不变D.不一定18.下列材料中，属于奥氏体不锈钢的是（）。A.1Cr13B.1Cr18Ni9TiC.Cr12D.4Cr9Si219.将金属加热到再结晶温度以上，保持一定时间，然后缓慢冷却，这种工艺称为（）。A.完全退火B.再结晶退火C.去应力退火D.扩散退火20.一块钢的硬度标注为“200HBS10/3000/30”，其中“30”表示（）。A.压头直径B.试验力C.保持时间D.压痕深度二、多项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题给出的四个选项中，有二至四项是符合题目要求的。多选、少选、错选均不得分）1.影响金属晶粒大小的因素主要有（）。A.加热温度B.保温时间C.变形度D.原始晶粒度2.下列属于马氏体特性的有（）。A.硬度高B.塑性好C.内应力大D.比容最大3.钢淬火时，常用的冷却介质有（）。A.水B.油C.盐水D.空气4.下列钢号中，属于工具钢的有（）。A.20CrMnTiB.T8C.9SiCrD.W18Cr4V5.合金元素在钢中可以起到的作用包括（）。A.强化铁素体B.形成碳化物C.细化晶粒D.提高淬透性6.灰铸铁具有良好的性能，包括（）。A.铸造性能B.减摩性C.切削加工性D.塑性7.回火的目的是（）。A.获得所需的力学性能B.稳定组织C.消除内应力D.提高淬透性8.铝合金根据其成分和工艺特点，可分为（）。A.变形铝合金B.铸造铝合金C.防锈铝D.硬铝9.下列关于残余奥氏体的说法，正确的有（）。A.淬火组织中通常含有少量残余奥氏体B.残余奥氏体硬度低，稳定性高C.残余奥氏体过多会降低钢的硬度和耐磨性D.冷处理可以消除残余奥氏体10.下列热处理工艺中，属于表面热处理的有（）。A.感应加热表面淬火B.火焰加热表面淬火C.渗碳D.渗氮三、填空题（本大题共20空，每空1分，共20分）1.金属材料常见的塑性变形方式有________和________。2.铁碳合金相图是研究铁碳合金在平衡状态下________与________之间关系的图形。3.在Fe-Fe3C相图中，S点称为________点，其含碳量为________。4.完全退火主要用于亚共析钢和________铸钢件，目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力。5.淬火钢回火时，随着回火温度的升高，其硬度________，塑性________。6.45钢按用途分类属于________钢，按质量分类属于________钢。7.渗碳处理一般用于________碳钢，渗碳后必须进行________处理。8.球墨铸铁是通过________处理获得的，其石墨形态呈________状。9.黄铜是________和________的合金。10.1Cr18Ni9Ti不锈钢中，Cr的主要作用是________，Ni的主要作用是________。11.热处理工艺过程由________、________和________三个阶段组成。12.金属的疲劳断裂过程包括裂纹萌生、________和________三个阶段。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.金属的晶粒越粗大，其力学性能越好，强度越高。（）2.铁素体和奥氏体都是铁碳合金中的基本相，但奥氏体具有顺磁性。（）3.共析钢加热到A1温度以下时，不会发生奥氏体相变。（）4.只要冷却速度足够快，任何碳钢都能淬成马氏体。（）5.调质处理就是淬火加高温回火，获得的组织为回火索氏体。（）6.合金钢的淬透性一定优于碳钢。（）7.去应力退火过程中，钢的组织不发生变化。（）8.可锻铸铁因其塑性较好，所以是可以进行锻造的铸铁。（）9.表面淬火主要用于承受重载、强烈摩擦的零件。（）10.所有的固溶强化都能显著提高金属的强度和硬度，且不降低塑性。（）五、简答题（本大题共6小题，每小题5分，共30分）1.简述固溶强化、加工硬化（冷变形强化）和细晶强化的原理及对性能的影响。2.比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变产物（珠光体、索氏体、托氏体、贝氏体、马氏体）的形态与性能特点。3.为什么亚共析钢淬火加热温度规定为Ac3以上30~50℃，而过共析钢为Ac1以上30~50℃？4.简述正火与退火的主要区别及正火的主要应用范围。5.何谓钢的淬透性？影响钢的淬透性的主要因素有哪些？6.比较灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁在组织、性能和应用上的主要区别。六、综合分析题（本大题共4小题，共50分）1.（本题15分）某工厂用T10钢制造一把锉刀，其加工工艺路线为：下料→锻造→热处理1→机械加工（粗加工）→热处理2→机械加工（精加工）→热处理3（1）请写出热处理1、热处理2、热处理3的具体工艺名称。（2）说明热处理1和热处理2的目的。（3）写出热处理3的具体工艺参数（加热温度、冷却介质）及最终获得的组织。2.（本题10分）现有两个形状尺寸相同的钢制试样，一个是45钢，另一个是40Cr钢。淬火后都沿中心剖开，测量其硬度分布，发现45钢中心硬度远低于表面，而40Cr钢中心与表面硬度相差不大。请用淬透性的概念解释这一现象，并说明加入合金元素Cr的作用机理。3.（本题15分）选择下列零件的材料，并制定其最终热处理工艺（写出工艺名称和大概温度范围或冷却方式），说明最终获得的组织。（1）汽车变速箱齿轮（要求齿面耐磨，心部强韧性好）。（2）机床主轴（要求具有良好的综合力学性能）。（3）弹簧（要求高的弹性极限）。4.（本题10分）分析Fe-Fe3C相图，回答下列问题：（1）画出简化Fe-Fe3C相图（草图），标注出主要特性点（C、S、E）的温度和含碳量，以及主要相区。（2）分析含碳量为0.45%的铁碳合金（亚共析钢）从液态缓慢冷却至室温时的平衡结晶过程，并写出室温时的组织组成物。参考答案及详细解析一、单项选择题1.【答案】C【解析】面心立方晶（FCC）每个顶点原子为8个晶胞共有，每个面心原子为2个晶胞共有。原子数=8×(1/8)+6×(1/2)=1+3=4。2.【答案】B【解析】冷却速度越快，过冷度越大，理论结晶温度与实际结晶温度之差越大，实际结晶温度越低。3.【答案】C【解析】莱氏体是高温下的组织（奥氏体+渗碳体），但在室温下称为变态莱氏体，由珠光体（P）和渗碳体组成。通常题目中若未特指高温，一般指变态莱氏体，但选项中若出现“奥氏体和渗碳体”指高温莱氏体。若选项中有“珠光体和渗碳体”则指变态莱氏体。本题考察的是莱氏体的定义，在相图中共晶点（1148℃）生成的是奥氏体和渗碳体。但在一般考试中，如果选项包含P和Fe3C，通常指室温组织。鉴于本题选项设置，C选项为变态莱氏体，A选项为高温莱氏体。根据大多数教材对“莱氏体”室温状态下的描述，选C更为准确。注：若严格区分，高温为Ld，室温为Ld'。此处选C。4.【答案】C【解析】共晶成分的合金凝固温度最低，且在恒温下结晶，流动性好，收缩小，偏析少，铸造性能最好。在铁碳合金中，共晶白口铸铁接近共晶成分。5.【答案】A【解析】高硬度和高耐磨性要求保持淬火后的高硬度，并消除部分内应力，因此采用低温回火（150~250℃），组织为回火马氏体。6.【答案】B【解析】Mn能显著提高奥氏体稳定性，强烈增加过冷奥氏体的稳定性，从而显著提高淬透性。Cr也能提高淬透性，但Mn的效果最显著且价格低廉，常作为主加元素。7.【答案】B【解析】T10是碳素工具钢，淬透性低，截面较大时心部无法淬硬，且耐磨性不如合金工具钢。Cr12MoV是高铬高碳冷作模具钢，具有高淬透性、高硬度和高耐磨性，适合制造重载、形状复杂的模具。3Cr2W8V是热作模具钢。60Si2Mn是弹簧钢。8.【答案】C【解析】正火的冷却方式为在空气中冷却，比退火冷却速度快。9.【答案】C【解析】金属发生塑性变形时，会产生位错增殖和交互作用，导致变形抗力增加，即加工硬化现象，表现为强度和硬度升高，塑性和韧性下降。10.【答案】B【解析】碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（A）；碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（F）。11.【答案】A【解析】再结晶是一个形核和长大的过程，但不是相变过程，因为它没有晶体结构的变化（如从bcc变成fcc），只是将破碎、拉长的晶粒变为新的等轴晶粒，消除加工硬化。12.【答案】C【解析】高速钢中含有大量的W、Mo、V等碳化物形成元素，淬火回火后能产生高硬度的特殊碳化物（如VC,W2C），具有极高的红硬性（二次硬化）。13.【答案】C【解析】40Cr钢调质处理通常为淬火+高温回火，获得的回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，其硬度范围一般在HB200~230（或HRC20~25）。14.【答案】B【解析】过共析钢在缓冷时会沿晶界析出网状二次渗碳体，这会严重降低钢的力学性能。正火由于冷却较快，会抑制二次渗碳体的网状析出，从而消除网状渗碳体。15.【答案】B【解析】可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火获得的，石墨呈团絮状。16.【答案】A【解析】轴承合金的理想组织是在软基体上分布硬质点，软基体保证承载能力和磨合性，硬质点承受摩擦并起耐磨作用。17.【答案】B【解析】感应加热利用集肤效应，电流频率越高，集肤效应越显著，电流透入深度越浅，因此淬硬层深度越浅。18.【答案】B【解析】1Cr13是马氏体不锈钢；1Cr18Ni9Ti是奥氏体不锈钢；Cr12是工具钢；4Cr9Si2是耐热钢。19.【答案】B【解析】再结晶退火是将经冷变形的金属加热到再结晶温度以上，使变形晶粒重新结晶为无畸变的等轴晶粒，消除加工硬化。20.【答案】C【解析】HBS10/3000/30表示用10mm直径钢球，3000kgf试验力，保持30秒测得的布氏硬度值。二、多项选择题1.【答案】ABC【解析】影响晶粒大小的主要因素有：加热温度（温度越高晶粒越粗大）、保温时间（时间越长晶粒越粗大）、变形度（临界变形度下晶粒异常粗大）。原始晶粒度也会影响后续加热时的晶粒长大倾向，但前三者是主要控制因素。2.【答案】ACD【解析】马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有很高的硬度和强度，但塑性极差，韧性也低。马氏体转变时体积膨胀，产生很大的内应力。其比容是所有组织中最大的。3.【答案】ABC【解析】常用的淬火冷却介质有水（包括盐水、碱水）、油、熔盐/熔碱等。空气冷却速度太慢，不能淬火。4.【答案】BCD【解析】20CrMnTi是合金结构钢（渗碳钢）；T8是碳素工具钢；9SiCr是合金工具钢；W18Cr4V是高速工具钢。5.【答案】ABCD【解析】合金元素的作用非常广泛：溶于铁素体起固溶强化作用；形成碳化物起耐磨和强化作用；阻碍晶粒长大细化晶粒；提高过冷奥氏体稳定性提高淬透性；提高回火稳定性等。6.【答案】ABC【解析】灰铸铁中石墨呈片状，对基体割裂严重，因此塑性、韧性极低。但其石墨具有润滑作用，且消震性好，铸造性能（流动性好、收缩小）和切削加工性优良。7.【答案】ABC【解析】回火的主要目的是：获得预期的力学性能（配合不同温度）；稳定组织（使不稳定的M或A'转变为稳定组织）；消除或减少淬火内应力。回火会降低淬透性（如果是指获得淬硬层深度的能力）这一说法不准确，回火是在淬火后进行的。8.【答案】AB【解析】铝合金按成分和工艺特点主要分为变形铝合金（可压力加工）和铸造铝合金（适于铸造）。防锈铝和硬铝属于变形铝合金的子类。9.【答案】ABCD【解析】淬火很难完全消除奥氏体，总会有少量残余奥氏体。A'硬度低、稳定性高，过多会降低工件硬度和耐磨性，并引起尺寸变化。冷处理是将残余A'转变为M的有效方法。10.【答案】ABCD【解析】表面热处理分为表面淬火（感应、火焰）和化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）两大类。三、填空题1.【答案】滑移；孪生2.【答案】温度；成分3.【答案】共析；0.77%4.【答案】过共析；合金5.【答案】降低；升高6.【答案】结构；优质7.【答案】低；淬火+低温回火8.【答案】球化；球9.【答案】铜；锌10.【答案】提高耐腐蚀性；获得单相奥氏体组织11.【答案】加热；保温；冷却12.【答案】裂纹扩展；瞬时断裂四、判断题1.【答案】×【解析】晶粒越细小，晶界越多，对位错运动的阻碍越大，强度和硬度越高，且塑韧性也越好（细晶强化是唯一在提高强度的同时不降低塑韧性的强化方式）。晶粒粗大则强度降低，脆性增加。2.【答案】×【解析】铁素体具有铁磁性，奥氏体是无磁性的（顺磁性）。3.【答案】√【解析】奥氏体相变必须在临界点（A1,A3,Acm）以上进行，低于该温度不发生相变。4.【答案】×【解析】淬火获得马氏体不仅需要冷却速度快（大于临界冷却速度），还取决于钢的淬透性。对于大截面的低淬透性钢，即使水冷，心部也无法获得马氏体。另外，过共析钢淬火温度在Ac1~Ac3之间，不会得到全马氏体。5.【答案】√【解析】调质处理定义为淬火加高温回火，回火索氏体是其理想组织。6.【答案】×【解析】一般来说，合金钢的淬透性优于碳钢，但这不是绝对的。如果合金元素含量很低，或者碳含量极低，淬透性可能不高。但通常在比较中，合金钢设计就是为了提高淬透性。此处严格来说，不是“一定”，但在大多数教学语境下视为正确。考虑到严谨性，如果题目是“一定优于”，则选×。例如低碳钢（如20钢）淬透性都很差，加少量合金后改善有限。但通常题目意在考察合金元素提高淬透性的趋势。此处判断为×，因为有特例，且取决于合金元素种类和含量。7.【答案】√【解析】去应力退火加热温度低于再结晶温度，不发生相变，只消除残余应力。8.【答案】×【解析】可锻铸铁虽然塑性比灰铸铁好，但仍不可锻造。其名称“可锻”仅指相对于灰铸铁具有一定的塑性，可以承受一定的变形，实际上仍属于铸铁，不能进行锻造加工。9.【答案】√【解析】表面淬火使表面硬而耐磨，心部保持强韧性，适合承受重载、摩擦的零件。10.【答案】×【解析】固溶强化在提高强度和硬度的同时，通常会降低塑性和韧性（虽然降低幅度不如加工硬化剧烈）。五、简答题1.【答案】（1）固溶强化：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。对性能影响：强度、硬度升高，塑性、韧性略有下降。（2）加工硬化：金属在塑性变形过程中，随着变形量增加，位错密度急剧增加，位错间交互作用增强，导致变形抗力增大。对性能影响：强度、硬度显著升高，塑性、韧性显著下降。（3）细晶强化：晶粒越细小，晶界总面积越大，对位错滑移的阻碍作用越强（霍尔-佩奇公式）。对性能影响：强度、硬度提高，且塑、韧性也得到改善（这是唯一能同时提高强韧性的强化方式）。2.【答案】（1）珠光体（P）：在A1~650℃形成，层片状F和Fe3C的混合物。片层间距较粗。性能：强度较低，塑性较好。（2）索氏体（S）：在650~600℃形成，细片状F和Fe3C的混合物。片层间距较细。性能：强度和硬度高于P，塑性也较好。（3）托氏体（T）：在600~550℃形成，极细片状F和Fe3C的混合物。片层间距极细。性能：强度和硬度高，塑性有所下降。（4）贝氏体（B）：在550℃~Ms温度形成。上贝氏体（B上）：羽毛状，由平行排列的条状铁素体和间断分布的渗碳体组成。性能：强度较高，但塑性、韧性较差（脆性较大）。下贝氏体（B下）：针状或竹叶状，由针状铁素体和其内部分布的细小渗碳体组成。性能：具有高的强度、硬度和良好的塑韧性（综合力学性能优异）。（5）马氏体（M）：在Ms以下温度形成，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。板条马氏体：低碳，强度硬度高，塑韧性好。片状（针状）马氏体：高碳，硬度极高，脆性大。3.【答案】（1）亚共析钢：加热到Ac3以上30~50℃。目的是为了使铁素体完全溶解于奥氏体中，获得均匀单一的奥氏体组织，淬火后得到均匀的马氏体。若加热到Ac1~Ac3之间，会有未溶铁素体，淬火后会出现软点（铁素体），降低钢的硬度和强度。（2）过共析钢：加热到Ac1以上30~50℃。目的是为了获得奥氏体和部分二次渗碳体。淬火后得到马氏体和粒状渗碳体组织，有利于保持高硬度和耐磨性。若加热到Accm以上，二次渗碳体完全溶解，奥氏体晶粒粗化，且碳含量过高，淬火后残余奥氏体大量增加，反而降低硬度和耐磨性，并增加开裂倾向。4.【答案】主要区别：（1）加热温度：正火加热温度略高于退火（Ac3或Accm以上30~50℃）。（2）冷却速度：正火出炉后在空气中冷却，冷却速度较快；退火通常随炉缓慢冷却。（3）获得组织：正火获得索氏体（或珠光体），组织较细；退火获得接近平衡的珠光体，组织较粗。（4）性能：正火处理后钢的强度、硬度比退火略高。正火的应用范围：（1）作为低碳钢的预备热处理，提高硬度，改善切削加工性（避免低碳钢“粘刀”）。（2）作为中碳钢的最终热处理，代替调质处理，对于受力不大的零件可获得较好的综合力学性能。（3）消除过共析钢中的网状二次渗碳体，为球化退火做组织准备。5.【答案】淬透性：是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，即钢被淬透的能力。它是钢材本身的一种属性，主要取决于钢的临界冷却速度。主要影响因素：（1）化学成分：最主要是碳和合金元素。碳含量增加（在亚共析范围内），淬透性提高；除Co外，大多数合金元素（如Mn,Cr,Ni,Mo,B等）都能提高钢的淬透性。（2）奥氏体化条件：奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，成分越均匀，过冷奥氏体稳定性越高，淬透性越好。（3）钢中未溶第二相：未溶的碳化物等相可作为非自发形核核心，促进珠光体转变，降低淬透性。6.【答案】（1）灰铸铁：组织：钢基体（F,P或F+P）+片状石墨。性能：抗拉强度低，塑性、韧性极低，但抗压强度好，减摩性、减震性好，铸造性能和切削加工性好。应用：机床床身、底座、箱体等承受压力、减震要求高的零件。（2）球墨铸铁：组织：钢基体（F,P或F+P）+球状石墨。性能：石墨呈球状，对基体割裂作用最小，强度、塑性、韧性远高于灰铸铁，接近钢，同时保持铸铁的优良铸造性和减摩性。应用：汽车曲轴、连杆、齿轮等受力复杂、要求强韧性的零件。（3）可锻铸铁：组织：钢基体（F或P）+团絮状石墨。性能：强度、塑性、韧性优于灰铸铁，但低于球墨铸铁。生产周期长。应用：汽车后桥壳、管接头等薄壁、形状复杂且有一定韧性的小型零件。六、综合分析题1.【答案】（1）热处理1：球化退火（或普通退火，T10一般球化退火）。热处理2：去应力退火（或再结晶退火）。热处理3：淬火+低温回火。（2）热处理1的目的：T10是过共析钢工具钢，锻造后组织中常存在网状二次渗碳体，硬度高，难加工。球化退火目的是降低硬度，改善切削加工性，并为最终热处理做好组织准备（获得粒状珠光体）。热处理2的目的：机械加工（粗加工）会产生切削内应力，去应力退火目的是消除粗加工应力，减少后续淬火变形。（3）工艺参数：加热温度760~780℃（Ac1以上30~50℃），冷却介质：水冷（或盐水/碱水，小件可用油冷，T10淬透性低，通常用水）。最终组织：回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。2.【答案】现象解释：这说明40Cr钢的淬透性比45钢好。45钢是碳钢，临界冷却速度大，淬火时试样中心冷却速度小于临界冷却速度，发生了非马氏体转变（转变为托氏体