金属工艺设计学试题和答案解析

一、简答题
1．将钟表发条拉直是弹性变形还是塑性变形？怎样判别它的变形性质？
2．下列符号表示的力学性能指标的名称和含义是什么？
σb、σs、σ0.2、σ-1、δ、αk、 HRC、HBS、HBW
3．什么是同素异构转变?试画出纯铁的冷却曲线，分析曲线中出现“平台”的原因。

室温和1100℃时的纯铁晶格有什么不同？
4．金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长速度受到哪些因素的影响？
5．常用的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数各有什么特点？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？
6．什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
7．将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后缓慢冷却到如图所示温度T1，求此时：
（1）两相的成分；（2）两相的重量比；
（3）各相的相对重量（4）各相的重量。

8．某合金如下图所示：
标出（1）-（3）区域中存在的相；
（2）标出（4）、（5）区域中的组织；
（3）相图中包括哪几种转变？写出它们的反应式。

9. 今有两个形状相同的铜镍合金铸件，一个含Ni90％，一个含Ni50％，铸后自然冷却，问凝固后哪个铸件的偏析较为严重？如何消除偏析？
10. 按下面所设条件，示意地绘出合金的相图，并填出各区域的相组分和组织组分，以及画出合金的力学性能与该相图的关系曲线。

设C、D两组元在液态时能互相溶解，D组元熔点是C组元的4/5 ，在固态时能形成共晶，共晶温度是C组元熔点的2/5，共晶成分为ωD＝30％；C组元在D组元中有限固溶，形成α固溶体。

溶解度在共晶温度时为ωC＝25％，室温时ωC＝10％，D组元在C组元中不能溶解；C组元的硬度比D组元高。

计算ωD＝40％合金刚完成共晶转变时，组织组成物及其百分含量。

11．分析在缓慢冷却条件下，45钢和T10钢的结晶过程和室温的相组成和组织组成。

并计算室温下组织的相对量。

12. 试比较索氏体和回火索氏体，托氏体和回火托氏体，马氏体和回火马氏体之间在形成条件、组织形态、性能上的主要区别。

却曲线进行冷却，分析其所得到的组织。

14. 现有45号钢材料，
（1）请根据铁碳合金相图，画出合金从液态冷却到室温的温度-时间曲线，并写出各个阶段的组织转变过程；
（2）请分别选择大批或小批生产小轴零件两种合适的热处理方案；
（3） 在TTT 曲线上画出这两种热处理方案的工艺曲线，并分别标出其室温时的组织状态；
（2）力学性能要求一般的小轴零件，采用正火热处理方案；力学性能要求较高的小轴零件采用调质热处理方案。

因为正火索氏体呈片状，高温回火得到的回火索氏体呈颗粒状，力学性能比正火索氏体好。

（3）V 1为正火热处理方案，其室温组织为F+S
V 2为调质热处理中的淬火，然后高温回火；其室温组织为回火索氏体。

15．确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的及退火的组织。

（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度； （2）ZG35的铸造齿轮； （3）铸造过热的60钢锻坯； （4）改善T12钢的切削加工性能。

16．说明直径为10mm 的45钢试样分别经下列温度加热：700℃、760℃、850℃、1100℃，保温后在水中冷却得到的室温组织。

17．指出下列工件淬火及回火温度，并说明回火后获得的组织：
（1）45钢小轴（要求综合力学性能好）；（2）60钢弹簧；（3）T12钢锉刀。

18．试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点。

19．有两种高强度螺栓，一种直径为10mm，另一种直径为30mm，都要求有较高的综合力学性能：σb≥800MPa，αk≥600KJ/m2。

试问应选择什么材料及热处理工艺。

20．为什么合金弹簧钢以硅为重要的合金元素？为什么要进行中温回火？
21．什么是钢的回火脆性？如何避免？
22．简述高速钢的成分，热处理和性能特点，并分析合金元素的作用。

23．合金元素提高钢的回火稳定性的原因何在？
24．不锈钢的固溶处理与稳定化处理的目的各是什么？
二、改错题
1. 材料的抗拉强度是指材料达到允许变形程度前的最大应力。

（）
2. 当外力超过塑性材料的弹性极限后，材料将产生屈服变形，该弹性极限也是材料的屈服极限。

（）
3. HRA是测定硬质合金、淬火钢、表面淬火层的洛氏硬度测试方法。

（）
4. 低应力脆断是材料在低温下发生脆性所引起的。

（）
5. 结晶时成核速率愈小，生长速率愈小，则结晶后合金的力学性能愈好。

（）
6. 置换固溶体中溶质原子和溶剂原子半径相差愈小则溶解度愈小。

（）
7. 球化退火为了得到在珠光体基体上均匀分布的球状渗碳体。

（）
8. 水淬后，过共析钢得到的是板状马氏体组织。

（）
9. 利用合金元素产生细晶粒钢，既减少晶界的面积，又提高晶界的强度，可提高钢的抗高温蠕变性能。

（）
三、单项选择题
1. 金属材料的冲击韧度用符号a k表示，其计算单位为（）
(1) N/mm2 (2) J/cm2 (3) kgf•m/mm2 (4) Pa/mm2
2.金属在疲劳试验时，试样承受的载荷为（）
(1) 静载荷 (2) 动载荷 (3) 冲击载荷 (4) 交变载荷
3. 固溶强化的基本原因是（）
(1) 晶格类型发生变化 (2) 晶粒变细 (3) 晶格发生滑移 (4) 晶格发生畸变
4. 碳的质量分数为1.2% 的碳钢，当加热至A c1～A ccm时，其组织应为（）
(1) F+A (2) P+A (3) A+Fe3C II (4) P+ Fe3C II
5. A1、A r1、A c1、A3之间的关系为（）
(1) A1>A r1>A c1>A3 (2) A r1<A1<A c1<A3
(3) A r1>A1>A c1>A3 (4) A3<A c1<A1<A r1
6. 过冷奥氏体转变前所停留的时间称为（）
(1) 孕育期 (2) 转变期 (3) 过渡期 (4) 停留期
7. 与钢相比，铸铁工艺性能的突出特点是（）
(1)焊接性能好 (2)锻造性能好 (3)吸振性能好 (4)热处理性能好
8. T12钢做锉刀，其最终热处理一般为（）
(1)淬火 (2)淬火+高温回火 (3)中温淬火 (4)淬火+低温回火
9. 60钢可以制造下列工件（）
(1) 游标卡尺 (2) 齿轮 (3) 塞规 (4) 锉刀
四、多项选择题
1. 硬度指标包括以下几种（）（）（）（）（）
(1) HBW (2) HBS (3) HRD (4) HRC (5) HV
2. 工具钢包括（）（）（）（）（）
(1) 模具钢 (2) 刃具钢 (3) 耐热钢 (4) 量具钢 (5) 高速钢
3. 高速钢具有（）（）（）（）（）
(1) 淬透性 (2) 高塑性 (3) 导电性 (4) 红硬性 (5) 回火稳定性
4.钢的淬透性主要取决于过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，显著提高钢的淬透性的合金元素有（）（）（）（）（）
(1) Mn (2) Ni (3) Co (4) Cr (5) V
5. 钢正火的目的是（）（）（）（）（）
(1) 提高硬度、强度 (2) 消除网状二次渗碳体
(3) 降低硬度以利切削加工 (4) 提高钢综合力学性能 (5) 消除内应力
6. 按石墨形态分，铸铁可分为（）（）（）（）（）
(1) 普通灰口铸铁 (2) 孕育铸铁
(3) 可锻铸铁 (4) 球墨铸铁 (5) 白口铸铁
五、综合题
1．附图所示为四种不同材料的应力-应变曲线（1～4），试比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度（屈服点）、刚度和塑性。

答：1) σb： 2>1>3>4
2) σS： 1>3>2>4
3）E： 1>3>2>4
4）δ： 3>2>4>1
2. 有A、B两元合金，在液态下能无限互溶，在固态中也能无限互溶而形成均匀固溶体，A组元熔点1090℃，B组元熔点1450℃。

在1200℃时，ωB为30%的试样液态质量分数ωL为52.63%，
固态质量分数ωS为47.37%，固态的浓度为ωB=40％。

而ωB=70%，温度为1360℃时，液相成分为ωB=64%，固相成分为ωB=76%。

请：
1）说明该合金相图为何类相图？
2）绘出该二元合金相图，其中相界线上必须有六个点的位置正确。

3. 画出T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线。

为获得以下组织，应采用什么冷却方式：并在等温转变曲线上画出冷却曲线示意图。

（1）索氏体（2）屈氏体+马氏体+残余奥氏体（3）全部下贝氏体（4）屈氏体+马氏体+下贝氏体+残余奥氏体（5）马氏体+残余奥氏体
4. 某型号机床齿轮，要求齿轮表面有高的硬度（HRC>50），而心部具有良好的韧性（A k>40J），原采用40Cr钢调质后再在齿轮表面进行高频淬火+低温回火，现因工厂库存的40Cr钢已经用完，只剩下20Cr钢，拟用20Cr钢代替。

请说明：1）原40Cr钢各热处理工序的作用；
2）改用20Cr钢后，仍按原来的热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？3）改用20Cr钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下应采用何种热处理工艺？
5.下图为单级齿轮减速箱高速轴部件，请在表内材料部分的三个备选答案中打钩选择一个正确的答案，并填出各零件热处理方案。