2025南工大期末考試及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下關于晶體缺陷的描述中，正確的是（）A.肖特基缺陷是指原子離開平衡位置進入間隙位置形成的缺陷B.刃型位錯的位錯線與柏氏矢量垂直C.面心立方晶體中，堆垛層錯不會改變晶體的堆垛順序D.點缺陷的平衡濃度隨溫度升高呈線性增加2.某金屬材料在室溫下的屈服強度為200MPa，當應變速率從10?3s?1增加到103s?1時，其屈服強度最可能（）A.顯著降低B.基本不變C.略有升高D.顯著升高3.對于Mg-Al系合金，若在500℃進行均勻化退火，其主要目的是（）A.消除枝晶偏析B.提高硬度C.細化晶粒D.形成沉淀強化相4.以下關于陶瓷材料斷裂韌性的描述，錯誤的是（）A.斷裂韌性KIC越大，材料越耐裂紋擴展B.引入ZrO?相變增韌可提高陶瓷的斷裂韌性C.陶瓷的斷裂韌性通常高于金屬材料D.表面壓應力層可抑制裂紋擴展，提高表觀斷裂韌性5.某聚合物的玻璃化轉變溫度（Tg）為80℃，當使用溫度為100℃時，該聚合物處于（）A.玻璃態(tài)B.高彈態(tài)C.粘流態(tài)D.結晶態(tài)6.制備納米顆粒時，采用溶膠-凝膠法的主要優(yōu)勢是（）A.可精確控制顆粒尺寸和形貌B.適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)C.無需高溫處理D.成本極低7.鐵碳合金中，萊氏體的組成相是（）A.鐵素體+滲碳體B.奧氏體+滲碳體C.珠光體+滲碳體D.馬氏體+殘余奧氏體8.以下關于材料腐蝕的防護方法中，屬于陰極保護的是（）A.在鋼鐵表面熱浸鍍鋅B.涂刷環(huán)氧富鋅底漆C.連接鎂合金犧牲陽極D.表面鈍化處理9.對于面心立方（FCC）晶體，其最密排的晶面和晶向分別是（）A.{110}<111>B.{111}<110>C.{100}<110>D.{111}<111>10.某半導體材料的禁帶寬度為1.5eV，其本征吸收邊對應的波長約為（）（h=6.626×10?3?J·s，c=3×10?m/s，1eV=1.6×10?1?J）A.413nmB.826nmC.1240nmD.1653nm二、填空題（每空1分，共15分）1.材料的強度通常分為________強度和________強度，其中前者是材料抵抗永久變形的能力，后者是材料抵抗斷裂的能力。2.固態(tài)相變中，形核分為________形核和________形核，其中前者需要更低的過冷度。3.金屬的加工硬化現(xiàn)象是由于________增殖和________相互作用導致位錯運動阻力增加。4.陶瓷材料的主要結合鍵是________和________，這決定了其高熔點、高硬度但脆性大的特性。5.聚合物的結晶度越高，其密度________、強度________、透明性________（填“升高”“降低”或“不變”）。6.鐵素體的晶體結構是________，奧氏體的晶體結構是________，滲碳體的化學式是________。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述位錯運動的兩種基本方式（滑移和攀移）的區(qū)別，包括驅動力、所需條件及對材料變形的影響。2.說明固溶強化的主要機制，并解釋為什么在置換固溶體中，溶質原子與溶劑原子的尺寸差越大，強化效果越顯著。3.對比分析金屬材料與高分子材料的斷裂機制：金屬通常表現(xiàn)為韌性斷裂，而高分子材料在玻璃態(tài)下易發(fā)生脆性斷裂，其本質原因是什么？4.什么是二次再結晶？它與正常晶粒長大有何區(qū)別？如何抑制二次再結晶的發(fā)生？5.解釋“復合材料的協(xié)同效應”，并舉例說明纖維增強復合材料中纖維與基體的協(xié)同作用如何提升材料性能。四、計算題（每題10分，共20分）1.某低碳鋼試樣的原始標距長度L?=50mm，拉伸斷裂后標距長度L?=65mm，頸縮處最小截面積A?=80mm2（原始截面積A?=100mm2）。計算該材料的斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ。2.已知某純鋁（FCC結構，原子半徑r=0.143nm）的密度ρ=2.7g/cm3，阿伏伽德羅常數(shù)N?=6.02×1023mol?1，鋁的原子量M=27g/mol。通過計算驗證FCC結構的晶格常數(shù)a與原子半徑r的關系（FCC結構中原子密排方向為<110>，原子間距為√2a/2）。五、綜合分析題（15分）某企業(yè)生產(chǎn)的鋁合金（主要成分為Al-4%Cu）鍛件在使用過程中出現(xiàn)早期疲勞斷裂，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)材料內部存在大量微米級的Al?Cu第二相顆粒，且分布不均勻。結合材料科學基礎理論，分析以下問題：（1）Al-4%Cu合金的平衡凝固過程（參考Al-Cu相圖，共晶溫度548℃，共晶成分Al-33.2%Cu，α固溶體最大溶解度5.65%Cu），說明Al?Cu相的形成機制；（2）第二相顆粒分布不均勻對疲勞性能的影響；（3）提出至少3種改善該合金鍛件疲勞性能的工藝措施，并說明其原理。答案及解析一、單項選擇題1.B解析：肖特基缺陷是原子離開晶格位置形成空位（A錯誤）；刃型位錯位錯線與柏氏矢量垂直（B正確）；堆垛層錯會改變堆垛順序（C錯誤）；點缺陷平衡濃度隨溫度升高呈指數(shù)增加（D錯誤）。2.D解析：應變速率增加，位錯運動阻力增大，材料屈服強度顯著升高（D正確）。3.A解析：均勻化退火通過原子擴散消除鑄造過程中的枝晶偏析（A正確）。4.C解析：陶瓷斷裂韌性通常低于金屬（C錯誤）。5.B解析：使用溫度高于Tg（80℃）但低于粘流溫度（通常更高），處于高彈態(tài)（B正確）。6.A解析：溶膠-凝膠法可通過控制水解-縮聚反應精確調控納米顆粒尺寸和形貌（A正確）。7.B解析：萊氏體在高溫下為奧氏體+滲碳體（B正確）。8.C解析：犧牲陽極法屬于陰極保護（C正確）。9.B解析：FCC最密排晶面{111}，最密排晶向<110>（B正確）。10.B解析：λ=hc/E=（6.626×10?3?×3×10?）/(1.5×1.6×10?1?)=828nm（接近826nm，B正確）。二、填空題1.屈服；抗拉2.均勻；非均勻（或異質）3.位錯；位錯4.離子鍵；共價鍵5.升高；升高；降低6.體心立方（BCC）；面心立方（FCC）；Fe?C三、簡答題1.滑移與攀移的區(qū)別：-驅動力：滑移由切應力驅動；攀移由正應力或過飽和空位驅動。-所需條件：滑移在滑移面上進行，需滿足臨界分切應力；攀移需空位擴散（正攀移）或原子擴散（負攀移），通常需要高溫。-對變形的影響：滑移是室溫下金屬塑性變形的主要方式，導致宏觀塑性應變；攀移主要在高溫下發(fā)生，可協(xié)調多滑移系變形，緩解應力集中。2.固溶強化機制：溶質原子與位錯交互作用（彈性交互、電交互、化學交互）阻礙位錯運動。尺寸差越大，溶質原子引起的晶格畸變越大，與位錯的彈性交互作用越強，位錯運動阻力增加更顯著，因此強化效果更明顯。3.本質原因：金屬的斷裂以位錯滑移導致的微孔聚合為主（韌性斷裂），其塑性變形能力強；玻璃態(tài)高分子鏈段運動被凍結，分子鏈間滑移困難，裂紋擴展時缺乏塑性變形耗散能量，易發(fā)生脆性斷裂。4.二次再結晶：少數(shù)晶粒異常長大，吞并周圍小晶粒的過程。與正常晶粒長大的區(qū)別：正常長大是所有晶粒均勻緩慢長大，驅動力為晶界能；二次再結晶是局部晶?？焖匍L大，驅動力為特殊晶界結構或第二相溶解。抑制措施：控制原始晶粒尺寸均勻性、保留細小第二相顆粒釘扎晶界、優(yōu)化退火溫度和時間。5.協(xié)同效應：復合材料的性能優(yōu)于各組分單獨性能的線性疊加。例如碳纖維增強環(huán)氧樹脂：碳纖維提供高模量和強度，基體傳遞載荷并保護纖維；纖維阻礙基體裂紋擴展，基體抑制纖維脆斷，協(xié)同作用使復合材料同時具備高比強度、高比模量和一定韌性。四、計算題1.斷后伸長率δ=（L?-L?）/L?×100%=（65-50）/50×100%=30%；斷面收縮率ψ=（A?-A?）/A?×100%=（100-80）/100×100%=20%。2.FCC結構中，原子密排方向為<110>，原子間距=√2a/2=2r（相鄰原子相切），故a=2r×√2=2×0.143nm×1.414≈0.404nm。理論密度ρ=（nM）/(N?a3)，F(xiàn)CC結構n=4，代入數(shù)據(jù)：ρ=(4×27)/(6.02×1023×(0.404×10??cm)3)=(108)/(6.02×1023×6.59×10?23)=108/(39.7)≈2.72g/cm3（與實際密度2.7g/cm3接近，驗證關系正確）。五、綜合分析題（1）平衡凝固過程：液態(tài)合金冷卻至液相線（約640℃）開始析出α（Al基固溶體），隨溫度降低，α含量增加，液相成分沿液相線向共晶點移動；當溫度降至共晶溫度（548℃），剩余液相（成分約Al-33.2%Cu）發(fā)生共晶反應，生成α+Al?Cu共晶體。最終組織為初生α+（α+Al?Cu）共晶體。Al?Cu相通過固溶體脫溶（時效）或共晶反應形成，本例中主要為凝固時的共晶反應產(chǎn)物。（2）影響：不均勻分布的Al?Cu顆粒會成為應力集中源，在循環(huán)載荷下易引發(fā)微裂紋；顆粒間距較大處基體承受更大應力，加速裂紋擴展；顆粒與基體界面結合力弱時，界面分離形成微孔，降低疲勞壽命。（3）工藝措施：①均勻化退火：在低于固相線溫度（如500℃）長時間保溫，通過Cu原子擴散消除枝晶偏析，使Al?Cu相均勻析出，減少局部應力集中。②