18 道材料与热处理练习题及答案

1. 1. 一个零件淬火到最高硬度后不经回火就直接投入使用。硬度的提高让这个零件付出了什么代价？

   • A.韧性——零件现在很脆，受到冲击时可能崩裂或开裂。✓ 答案
   • B.密度——零件的重量比淬火之前明显变轻了。
   • C.弹性模量——钢一旦淬硬，弹性模量就会大幅下降。
   • D.没有任何代价；零件越硬，在各个方面都比软态零件更强、更有韧性。

   硬度是抵抗压入和磨损的能力，韧性是吸收冲击而不断裂的能力，两者方向相反。淬火得到的马氏体又硬又脆，所以淬硬之后必须回火，用少量硬度换回韧性。

   编号 QB-EA3ZVT依据： NIMS/ANSI 101-2001 Machining Level I, KSAO 7.3 'Material Properties' (Standards, p.90); ASM heat-treating fundamentals — as-quenched martensite must be tempered报告此题的问题

2. 2. 一块 6061 铝板需要平面磨削。为什么它吸不住在电磁吸盘上？机加工人员应该怎么办？

   • A.没有什么障碍；只要贴合面干净平整，任何金属都能吸在电磁吸盘上。
   • B.铝是有色金属、不导磁，磁通没有通路，也就产生不了吸持力，所以铝板必须用精密虎钳、压板或夹具等机械方式装夹。✓ 答案
   • C.铝太软，磁力抓不住它，所以必须先给吸盘退磁，再重新通以全功率磁力，才能建立足够的吸持力。
   • D.磁场会使铝的表面发生表面硬化，所以必须先退火，再把板放在磁性平行垫铁上装夹。

   电磁吸盘是靠磁通穿过铁磁性工件来吸持的，铝这类非铁磁性的有色金属无法构成磁路，也就产生不了吸持力。有色金属工件必须用精密虎钳、压板、夹具装夹，或用双面胶粘牢。

   编号 QB-XS86GU依据： NIMS Grinding Level I task list — workholding: magnetic chuck versus non-ferrous work; KSAO 7.3 ferrous/non-ferrous recognition报告此题的问题

3. 3. 机加工人员把磁铁贴在一根 304 不锈钢棒料上，磁铁吸不住。正确的结论是什么？

   • A.这根料处于退火状态；304 只有在淬火并回火到全硬度之后才会重新具有磁性。
   • B.磁铁太弱了——包括 400 系列在内，所有不锈钢只要表面干净都具有很强的磁性。
   • C.304 仍然是以铁为基体的黑色金属，只是它的奥氏体组织本身不导磁。✓ 答案
   • D.这根料是有色金属，因为凡是含铁的合金都毫无例外地会被磁铁吸住。

   黑色金属的含义只是「以铁为基体」。300 系列不锈钢是黑色金属，但组织为奥氏体，而奥氏体基本不导磁，所以单凭磁铁并不能区分黑色金属和有色金属。相比之下，400 系列的马氏体和铁素体不锈钢是有磁性的。

   编号 QB-FAEB3V依据： NIMS/ANSI 101-2001 Machining Level I, KSAO 7.3 — recognizes differences between ferrous, non-ferrous and magnetic materials; AISI austenitic (300-series) stainless classification报告此题的问题

4. 4. 图纸上把材料标注为 SAE 1070。最后两位数字告诉机加工人员什么？

   • A.棒料的最低抗拉强度，以千磅每平方英寸计，即约 70,000 psi。
   • B.钢中除碳以外的主要合金元素所占的百分比。
   • C.该材料经淬火并回火之后能够达到的洛氏 C 硬度值。
   • D.含碳量，以百分之一为单位——即约 0.70% 的碳。✓ 答案

   在 SAE/AISI 四位数体系中，最后两位表示含碳量的「点数」，即百分之一的倍数，所以 1070 约含 0.70% 的碳。含碳量正是机加工人员判断这种钢能否整体淬硬、以及大致有多难切削的依据。

   编号 QB-YSKGNV依据： SAE/AISI steel numbering system (Machinery's Handbook); NIMS Job Planning, Benchwork & Layout Level I — 'Materials' task: SAE steel identification system报告此题的问题

5. 5. 图纸为某根轴指定材料 4140。数字「41」告诉机加工人员什么？

   • A.它们标明合金族——这是一种铬钼合金钢。✓ 答案
   • B.它们表示供应商在交货时保证的洛氏 C 硬度值。
   • C.它们给出含碳量，所以这种钢含约 4.1% 的碳。
   • D.它们是钢厂的炉批号，与成分和切削性能都没有关系。

   在 SAE/AISI 体系中，第一位表示主要合金类别，第二位表示该合金元素的大致含量，所以 41xx 系列是铬钼合金钢；只有最后两位表示含碳量。机加工人员可以查《机械工程师手册》（Machinery's Handbook）得到成分和推荐切削速度。

   编号 QB-GASN8W依据： SAE/AISI steel numbering system (Machinery's Handbook); NIMS Job Planning, Benchwork & Layout Level I — 'Materials' task: SAE steel identification system报告此题的问题

6. 6. 棒料上标记为 6061-T6。这个牌号告诉机加工人员什么？

   • A.这是一种含碳量 0.61% 的钢，经油淬整体淬硬之后又用回火回软。
   • B.这是一种以镁和硅为主要合金元素的铝合金，通过固溶热处理加时效来强化。✓ 答案
   • C.这是一种铝合金，它获得强度的方式和碳钢完全一样，都是加热到临界温度以上再淬火，而且加工完之后还能重新淬硬。
   • D.这是一种铜合金，后缀报告的是最后一道冷拔之后测得的布氏硬度值。

   铝有自己的一套四位数体系：第一位表示主要合金元素，6xxx 系列即镁-硅系；后缀字母表示状态：-O 为退火，-H 为冷作硬化，-T 为固溶处理加时效。铝是靠析出（时效）强化的，不是靠钢那种淬火加回火，所以在机床上铝用最高的切削速度，并需要锋利、抛光、大前角的刀具和充分的切削液，以防止产生积屑瘤。

   编号 QB-ZSXTTW依据： Aluminum Association alloy and temper designation system (Machinery's Handbook); NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 material recognition报告此题的问题

7. 7. 图纸要求一根含碳量 0.18% 的钢轴具有耐磨的硬表面和坚韧的芯部。哪种工艺能满足这一要求？

   • A.加热到临界温度以上并用盐水淬火实现整体淬硬，因为低碳钢只要这样就能达到全硬度。
   • B.先退火再随炉缓慢冷却，这样可以提高表面硬度而让芯部保持柔软。
   • C.渗碳——在高温下让碳扩散进表层，随后淬火硬化这层高碳表层，而低碳的芯部仍然坚韧、能吸收冲击。✓ 答案
   • D.在临界温度以下进行去应力处理，可以硬化外层表皮而不改变芯部。

   钢通常需要约 0.30% 以上的含碳量才能靠淬火硬化，所以含碳 0.18% 的钢无法整体淬硬，必须做表面硬化。渗碳是在高温下把碳扩散进表层，随后的淬火使这层高碳表层硬化，而低碳的芯部仍然坚韧、能吸收冲击。

   编号 QB-HA5ZDX依据： NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 — 'Understands the changes which heat-treat impart to materials'; case hardening (carburizing) of low-carbon steel报告此题的问题

8. 8. 一块锻造的合金钢毛坯太硬，粗加工效率很低。哪种热处理能让它处于最软、最易切削的状态？

   • A.回火——把毛坯重新加热到下临界温度以下并保温，然后空冷。
   • B.淬硬——加热到临界温度以上后淬火，然后在未回火的状态下加工毛坯。
   • C.正火——加热到临界温度以上保温，然后移出炉外在静止空气中冷却，得到的硬度会略高一些。
   • D.退火——加热到临界温度以上，保温，然后在闭合的炉中极缓慢地冷却。✓ 答案

   退火是把零件加热到临界温度以上，然后尽可能缓慢地冷却，通常是随炉冷却。这种缓冷得到最软、塑性最好、内应力最低的组织，因而切削性能最好，所以在重切削粗加工之前或重新淬火之前都采用退火。

   编号 QB-SSFGMN依据： NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 heat-treat effects; ASM heat treating — full annealing (furnace cool)报告此题的问题

9. 9. 一个焊接件因焊接产生了粗大不均匀的晶粒和内应力。车间希望在加工前得到细化、均匀的晶粒，并且强度比完全退火状态略高。应该选哪种工艺？

   • A.正火——加热到临界温度以上，保温，然后在静止空气中冷却，从而细化晶粒并消除焊接留下的应力。✓ 答案
   • B.退火，把焊接件放在闭合炉中缓慢冷却，这会得到四者之中最软、晶粒最粗大的组织。
   • C.在下临界温度以下回火，这样不必加热到临界以上也能细化晶粒。
   • D.趁焊接余热直接盐水淬火，通过快速相变来细化晶粒。

   正火是加热到临界温度以上后在静止空气中冷却。冷速比随炉冷却快、又远比淬火慢，因此能细化并均匀化晶粒，消除焊接、锻造或铸造留下的应力，使零件比退火态略硬、略强，但仍然容易切削。

   编号 QB-AANN7P依据： NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 heat-treat effects; ASM heat treating — normalizing (still-air cool)报告此题的问题

10. 10. 一根细长的冷拔钢棒，刚把一侧粗车掉就发生弯曲。正确的加工顺序是什么？

    • A.在一次装夹中把整个零件精加工到位，然后淬火并回火把它拉直。
    • B.先粗加工，再在临界温度以下去应力并缓冷，释放冷拔留下的残余应力，然后精加工到最终尺寸。✓ 答案
    • C.粗加工之前先加热到临界温度以上退火，因为这是消除冷拔残余应力的唯一办法。
    • D.加大切削深度，让棒料在一次重切削中同时完成粗加工和精加工，抢在应力释放之前。

    冷拔会在棒料内部留下残余应力，把一侧的材料切掉就打破了应力平衡，棒料因而变形。去应力处理是加热到临界温度以下再缓冷，可以释放内应力而不改变硬度和晶粒组织，这样零件在精加工过程中尺寸才能保持稳定。

    编号 QB-XCEP4G依据： NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 heat-treat effects; ASM heat treating — stress relieving below the lower critical temperature报告此题的问题

11. 11. 为什么淬硬的钢件在投入使用之前要重新加热到下临界温度以下？

    • A.为了把碳重新溶解回固溶体，使零件可以用普通高速钢刀具加工。
    • B.为了给表面增碳，因为在空气中重新加热会让碳扩散进零件的外层表皮。
    • C.为了降低脆性、恢复韧性，代价是损失一部分硬度。✓ 答案
    • D.为了让硬度进一步提高，因为第二次加热能使马氏体转变彻底完成。

    回火（也叫 drawing）是把淬硬的零件重新加热到下临界温度以下，使一部分脆性的淬火马氏体分解。硬度略有下降，而韧性和塑性得以恢复；回火温度越高，最终零件越软、越韧。

    编号 QB-EV8HHF依据： NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 heat-treat effects; ASM heat treating — tempering below the lower critical temperature报告此题的问题

12. 12. 一个合金钢零件已经磨削到尺寸，现在需要获得又硬又薄的耐磨表面，而且变形要尽可能小。应该选哪种表面处理？

    • A.整体淬硬：在炉中加热到临界温度以上，油淬之后再做完整的回火处理。
    • B.渗碳，它在高温下提高表层含碳量，随后还必须淬火才能使渗层硬化。
    • C.火焰淬火，用喷枪把表面加热到临界温度以上，然后立即用水喷淋淬火。
    • D.氮化——氮在较低的温度下扩散进表层，而且不需要淬火。✓ 答案

    氮化是在较低温度下让氮扩散进合金钢表层，且不需要淬火，因此没有急剧的组织转变，变形和氧化皮都极少。正因如此，它是已经加工并磨削到最终尺寸的零件所选用的表面处理方式。

    编号 QB-WC3CXE依据： NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 heat-treat effects; ASM heat treating — nitriding (no quench, minimum distortion)报告此题的问题

13. 13. 要检验一块淬硬工具钢试块的硬度，应该使用哪个洛氏标尺和压头？

    • A.C 标尺——金刚石圆锥压头配 150 kgf 主载荷，这一组合正是为淬硬钢和工具钢设计的，钢球压头在硬面上会被压扁。✓ 答案
    • B.A 标尺——金刚石压头，主载荷 60 kgf，主要用于硬质合金和很薄的材料。
    • C.用哪个标尺都行，因为所有洛氏标尺在同一块材料上读出的数值是一样的。
    • D.B 标尺——1/16 英寸钢球压头，主载荷 100 kgf，这是用于软钢、退火钢和黄铜的标尺。

    洛氏 C 标尺采用金刚石圆锥压头配 150 kgf 的重主载荷，这一组合正是为淬硬钢和工具钢设计的。钢球压头压在淬硬表面上会被压扁，读不出有效数值，所以球形压头的标尺只用于退火钢、黄铜、铝等较软的材料。

    编号 QB-DVV6CE依据： ASTM E18 Rockwell hardness testing — scale and indenter selection; NIMS Measurement, Materials & Safety Level I报告此题的问题

14. 14. 一个渗碳零件的硬化层只有几个千分之一英寸厚。为什么应该用 15N 或 30N 这类表面洛氏标尺，而不用常规的 C 标尺？

    • A.表面洛氏标尺用的是球形压头，不会像金刚石压头那样损伤淬硬表面。
    • B.较轻的载荷能让压头停留在薄硬化层之内，而不会穿透硬化层压到软芯部。✓ 答案
    • C.只要零件做过任何形式的表面硬化处理，任何黑色金属就都不能再使用常规的 C 标尺检测。
    • D.表面洛氏标尺是用显微镜测量压痕直径的，在薄件上更加精确。

    表面洛氏标尺采用 3 kgf 的初载荷和较轻的主载荷，压头因此停留在浅硬化层内，读出的才是真实的表面硬度。用常规 C 标尺检测会把金刚石压头压穿薄硬化层，读数是硬化层和软芯部的混合值，会低估实际达到的硬度。

    编号 QB-ZC5CFJ依据： ASTM E18 — superficial Rockwell scales (15N/30N/45N) for thin material and case-hardened surfaces; NIMS Measurement, Materials & Safety Level I报告此题的问题

15. 15. 布氏硬度试验在操作方法上与洛氏试验有何不同？布氏硬度值在车间里最有用的地方是什么？

    • A.布氏是一种回跳试验，把小锤落到工件上，再从刻度上读出回弹的高度。
    • B.布氏是在卸载的瞬间直接从表盘上读出压入深度的，因此它是检验精加工成品零件最快、最方便的方法。
    • C.布氏是压入钢球后测量压痕直径再换算；这个数值适用于粗糙的铸件，并且是查切削速度进给表的索引。✓ 答案
    • D.布氏使用金刚石压头配 150 kgf 载荷并直接读数，所以只用于完全淬硬的工具钢和硬质合金刀具。

    洛氏是在机器上直接读出压入深度，而布氏是用重载荷压入钢球后，操作者必须用显微镜测量压痕直径再换算成硬度值。布氏压痕较大，可以平均掉粗大组织的影响，因此适合铸件和锻件；而且《机械工程师手册》的切削速度表正是按布氏硬度编排的。

    编号 QB-GVX6VH依据： ASTM E10 Brinell hardness test; Machinery's Handbook cutting-speed tables indexed by Brinell hardness报告此题的问题

16. 16. 用同一把高速钢车刀加工两个相同的零件：一个硬度为 150 BHN，另一个为 300 BHN。较硬的那个零件的切削速度应该怎么处理？

    • A.提高切削速度，因为较硬的材料抗变形能力更强，可以承受更高的表面速度。
    • B.保持 sfm 不变，改为把进给量加倍，因为在硬材料上只有进给才影响刀具磨损。
    • C.切削速度只取决于零件直径，所以硬度对所选转速没有影响。
    • D.降低切削速度（sfm），在同样直径下转速也随之降低。✓ 答案

    材料越硬，作用在切削刃上的热量和压力就越大，所以硬度上升时推荐的表面速度必须下降。由于 转速 =（切削速度 × 4）÷ 直径，sfm 降低后在同样直径下转速自然也降低；如果用软料的速度去加工硬料，只会把刀具烧坏。

    编号 QB-YCSZ9H依据： NIMS Job Planning, Benchwork & Layout Level I — 'Materials and cutting speeds (relating to sfm and rpm)': harder materials require lower cutting speeds and lower rpm报告此题的问题

17. 17. 磨削铝和其他有色金属时，应该选用哪种磨料？

    • A.碳化硅，与铝、黄铜等有色金属相匹配的磨料，砂轮不会堵塞，能保持切削而不是打滑摩擦。✓ 答案
    • B.立方氮化硼，这是专门用于淬硬黑色合金和镍基高温合金的磨料。
    • C.金刚石，它用于硬质合金、陶瓷和玻璃，而不是用于软金属。
    • D.氧化铝，也就是通常用于钢等黑色金属的通用磨料。

    碳化硅是与铝、黄铜、铜等有色金属相匹配的磨料，也用于铸铁和硬质合金；而氧化铝是用于钢等黑色金属的通用磨料。磨料与工件材料匹配，砂轮才不会堵塞，才能保持切削而不是打滑摩擦。

    编号 QB-FVKUPG依据： NIMS Grinding Level I preparation guide — 'Types of Abrasives': silicon carbide for non-ferrous metals, cast iron and carbide; aluminum oxide for ferrous metals报告此题的问题

18. 18. 车削 304 不锈钢时，机加工人员走了一刀很轻的光刀，刀具只是在蹭而没有切下材料，接下来那一刀完全切不动了。发生了什么？该怎么办？

    • A.硬质合金刀片的涂层磨掉了；只要用同一条磨钝的刀刃降低转速就能恢复切削。
    • B.表面在刀具的摩擦下发生了加工硬化；应换上锋利的刀刃，并保持稳定、不间断的进给。✓ 答案
    • C.304 有磁性并被吸向刀具；把卡盘上的棒料退磁之后，刀具就能重新吃刀。
    • D.这种钢像工具钢那样被切削热空冷淬硬了，所以必须先把棒料放进炉中退火，然后从头重新加工。

    304 这类奥氏体不锈钢加工硬化非常快：刀具摩擦或停留造成的冷塑性变形会把表层硬度提高到刀刃切不动的程度。对策是使用锋利的刀刃和足够大的、连续不间断的进给，让刀刃始终切在硬化层之下——绝不能让刀具停顿或打滑摩擦。

    编号 QB-TCZBEB依据： NIMS/ANSI 101-2001 KSAO 7.3 applied in Job Execution — respond to cutting conditions imposed by material properties; work hardening of austenitic stainless steel报告此题的问题

练习题依据 NIMS/ANSI 101-2001《机械加工技能一级职责与标准》及 NIMS 机械加工一级理论考试公布的考核内容，并结合通行的精密加工实践编写。NIMS 是美国国家金属加工技能学会的商标；本网站与 NIMS 无关联，也未获其认可。机械加工一级由多个独立证书组成，其中大多数还要求通过实操考核，本题库不涵盖实操部分。NIMS 理论考试允许携带参考资料，但本题库的答案从不依赖背诵手册表格数值、条文编号或机床额定参数——实际作业时，请以手中的图纸、所在单位的书面作业程序以及机床自带的技术文件为准。考试前请确认当前要求。 关于 NIMS 机械加工认证 →