2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)應(yīng)力分析在材料工程中的作用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種情況主要是由材料內(nèi)部化學(xué)成分不均勻或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致體積變化而引起的應(yīng)力？（）A.混凝土在溫度變化下的開裂B.鋼材在冷加工過程中的硬化C.金屬在腐蝕介質(zhì)中的體積膨脹導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力D.飛機(jī)機(jī)翼在高速飛行中產(chǎn)生的氣動(dòng)應(yīng)力2.在材料科學(xué)中，相變應(yīng)力通常指在相變過程中由于不同相具有不同體積而導(dǎo)致產(chǎn)生的應(yīng)力。以下哪種材料的相變應(yīng)力通常更為顯著？（）A.金屬單晶B.陶瓷材料C.高分子聚合物D.復(fù)合材料3.對(duì)于一種在特定環(huán)境下容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的材料，以下哪種措施通常被認(rèn)為是提高其抗應(yīng)力腐蝕能力的有效方法？（）A.提高材料的工作溫度B.選用更軟的合金牌號(hào)C.進(jìn)行表面處理或合金化以改變表面化學(xué)成分D.增大材料的加工應(yīng)力4.化學(xué)應(yīng)力分析在材料工程中的一個(gè)重要應(yīng)用是預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命。化學(xué)應(yīng)力（特別是腐蝕應(yīng)力）如何影響材料的疲勞過程？（）A.總是降低材料的疲勞極限B.對(duì)疲勞極限影響不大，主要影響疲勞裂紋的擴(kuò)展速率C.可能提高材料的疲勞極限，尤其是在特定頻率下D.主要影響材料的疲勞裂紋萌生過程，而不影響裂紋擴(kuò)展5.有限元方法（FEM）在化學(xué)應(yīng)力分析中的應(yīng)用主要包括哪些方面？（請(qǐng)選擇兩個(gè)正確選項(xiàng)）A.模擬材料在化學(xué)環(huán)境下的長(zhǎng)期性能退化B.計(jì)算相變過程中的應(yīng)力重分布C.分析溫度梯度引起的應(yīng)力分布D.直接測(cè)量材料內(nèi)部的化學(xué)應(yīng)力分布6.金屬在高溫氧化過程中，新形成的氧化層若體積大于基體金屬，通常會(huì)在基體內(nèi)部產(chǎn)生哪種類型的化學(xué)應(yīng)力？（）A.拉應(yīng)力B.壓應(yīng)力C.剪切應(yīng)力D.扭轉(zhuǎn)應(yīng)力7.影響材料化學(xué)應(yīng)力敏感性的因素中，以下哪項(xiàng)通常不是主要因素？（）A.材料的化學(xué)成分B.化學(xué)環(huán)境的性質(zhì)（如介質(zhì)種類、濃度、溫度）C.材料的微觀結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸、相分布）D.材料的外部加載狀態(tài)（如拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力）8.在分析高分子材料在化學(xué)應(yīng)力作用下的性能時(shí)，需要特別關(guān)注其哪些特性？（）A.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱分解溫度B.拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度C.硬度和彈性模量D.疲勞極限和蠕變速率9.某種合金在特定腐蝕介質(zhì)中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)，裂紋通常沿哪個(gè)方向擴(kuò)展？（）A.與外加應(yīng)力方向垂直B.與外加應(yīng)力方向平行C.沿晶界擴(kuò)展D.沿特定的晶面滑移10.化學(xué)應(yīng)力分析與材料的選擇和設(shè)計(jì)有何直接關(guān)系？（）A.確定材料的最大允許工作溫度B.指導(dǎo)選擇具有特定相結(jié)構(gòu)的材料以提高應(yīng)力承受能力C.幫助設(shè)計(jì)應(yīng)力消除熱處理工藝D.所有以上選項(xiàng)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題號(hào)后的橫線上）11.化學(xué)應(yīng)力是指由于材料內(nèi)部發(fā)生__________變化或__________變化，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力的一種應(yīng)力形式。12.材料在相變過程中，若新相的體積大于母相，則相變前后界面附近會(huì)產(chǎn)生__________應(yīng)力；反之，則產(chǎn)生__________應(yīng)力。13.應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）是指材料在__________和__________共同作用下發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。14.為了減輕化學(xué)應(yīng)力對(duì)材料性能的影響，可以采用__________處理、__________或改變材料成分等方法。15.光彈性實(shí)驗(yàn)方法是一種常用的__________應(yīng)力分析技術(shù)，它利用某些材料在受力時(shí)產(chǎn)生的__________效應(yīng)來模擬測(cè)量應(yīng)力。16.在高溫化學(xué)氣相沉積過程中，若沉積層的體積膨脹，會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生__________應(yīng)力，可能導(dǎo)致材料變形或開裂。17.理解化學(xué)應(yīng)力產(chǎn)生的__________和__________是進(jìn)行有效應(yīng)力分析和材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。18.對(duì)于處于多相結(jié)構(gòu)中的材料，不同相之間的__________差異是產(chǎn)生相變應(yīng)力的根本原因之一。19.化學(xué)應(yīng)力分析對(duì)于預(yù)測(cè)材料在__________環(huán)境下的長(zhǎng)期可靠性和__________具有重要意義。20.除了熱應(yīng)力，化學(xué)應(yīng)力還是影響材料__________性能（如電化學(xué)性能）的一個(gè)重要因素。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）21.簡(jiǎn)述化學(xué)應(yīng)力與熱應(yīng)力的主要區(qū)別。22.闡述化學(xué)應(yīng)力分析在金屬材料抗腐蝕設(shè)計(jì)中的作用。23.解釋為什么高分子材料在受到化學(xué)應(yīng)力作用時(shí)，其性能表現(xiàn)通常比金屬或陶瓷材料更為敏感。四、論述題（每小題10分，共20分）24.結(jié)合具體實(shí)例，論述化學(xué)應(yīng)力分析對(duì)于確保壓力容器等關(guān)鍵工程結(jié)構(gòu)安全服役的重要性。25.試述化學(xué)應(yīng)力分析方法（包括理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量）在先進(jìn)材料（如納米材料、復(fù)合材料）研發(fā)中的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C*解析：化學(xué)應(yīng)力源于化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的質(zhì)量變化或相變引起的體積變化。選項(xiàng)C描述了金屬腐蝕導(dǎo)致體積膨脹產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，符合化學(xué)應(yīng)力的定義。選項(xiàng)A是熱應(yīng)力，選項(xiàng)B是機(jī)械加工硬化，選項(xiàng)D是機(jī)械應(yīng)力。2.B*解析：陶瓷材料通常具有較大的相變體積應(yīng)變和較低的對(duì)變形的耐受性，因此相變應(yīng)力在陶瓷中通常更為顯著。金屬相變一般伴有較小應(yīng)變，高分子相變多為玻璃化轉(zhuǎn)變，體積變化相對(duì)較小。3.C*解析：應(yīng)力腐蝕開裂需要化學(xué)環(huán)境和應(yīng)力共同作用。提高工作溫度可能加速腐蝕和開裂。選用更軟的材料不一定提高抗應(yīng)力腐蝕性。增大加工應(yīng)力會(huì)加劇應(yīng)力腐蝕。改變表面化學(xué)成分（如鍍層、合金化）或進(jìn)行表面處理（如陽極氧化）可以改變腐蝕環(huán)境或提高表面強(qiáng)度，有效抵抗應(yīng)力腐蝕。4.B*解析：腐蝕應(yīng)力顯著影響疲勞裂紋的擴(kuò)展速率，通常使其加速擴(kuò)展，從而降低材料的疲勞壽命。它對(duì)疲勞極限（應(yīng)力幅上限）的影響相對(duì)復(fù)雜，不一定總是降低。它主要影響裂紋擴(kuò)展階段，對(duì)裂紋萌生有一定影響，但不是主要因素。5.A,B*解析：FEM可以模擬材料在化學(xué)介質(zhì)中的長(zhǎng)期性能變化（如腐蝕坑擴(kuò)展、晶間腐蝕），也可以計(jì)算相變（如相變誘發(fā)塑性）過程中的應(yīng)力重分布。選項(xiàng)C（溫度應(yīng)力）也可通過FEM分析，但并非其獨(dú)有應(yīng)用。選項(xiàng)D（直接測(cè)量）是實(shí)驗(yàn)方法。6.A*解析：當(dāng)氧化層體積膨脹時(shí)，為了容納這個(gè)膨脹，基體材料必須產(chǎn)生抵抗這種膨脹的內(nèi)部力，即拉應(yīng)力。如果氧化層體積收縮，則基體會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力。7.D*解析：材料的化學(xué)成分、化學(xué)環(huán)境、微觀結(jié)構(gòu)都是影響化學(xué)應(yīng)力敏感性的內(nèi)在或外部因素。材料的外部加載狀態(tài)（如拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力）通常是施加在材料上的外部條件，而不是決定材料本身對(duì)化學(xué)應(yīng)力敏感性的內(nèi)在因素，盡管應(yīng)力會(huì)決定何時(shí)以及如何發(fā)生化學(xué)應(yīng)力破壞。8.A*解析：高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性與其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和熱分解溫度密切相關(guān)。低于Tg時(shí)材料硬而脆，易受化學(xué)應(yīng)力損傷；接近或超過Tg時(shí)材料變軟，對(duì)化學(xué)應(yīng)力更敏感。熱分解則決定了其在化學(xué)環(huán)境中的耐久上限。9.B*解析：應(yīng)力腐蝕裂紋通常沿著最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，即平行于外加應(yīng)力方向。裂紋路徑也可能受材料晶體結(jié)構(gòu)、缺陷和相界等因素影響，但平行于主應(yīng)力是普遍規(guī)律。10.D*解析：化學(xué)應(yīng)力分析幫助工程師理解材料在特定化學(xué)環(huán)境下的行為，從而選擇更合適的材料（考慮環(huán)境適應(yīng)性），設(shè)計(jì)能承受應(yīng)力而不發(fā)生破壞的結(jié)構(gòu)（如合理排布應(yīng)力集中、進(jìn)行應(yīng)力消除處理），并預(yù)測(cè)材料的服役壽命。選項(xiàng)A、B、C都是化學(xué)應(yīng)力分析的具體應(yīng)用或指導(dǎo)方向。二、填空題11.化學(xué)；體積*解析：化學(xué)應(yīng)力源于化學(xué)成分的變化（如發(fā)生反應(yīng)引入或脫除原子）或體積的變化（如相變）。12.拉伸；壓縮*解析：相變伴隨體積變化。體積增大時(shí)，新相生長(zhǎng)需要推開母相，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力；體積減小時(shí)，母相收縮擠壓新相，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。13.化學(xué)環(huán)境；應(yīng)力*解析：應(yīng)力腐蝕開裂（StressCorrosionCracking,SCC）的定義就是材料在特定化學(xué)介質(zhì)和足夠大的應(yīng)力共同作用下發(fā)生的脆性斷裂。14.熱處理；合金化*解析：固溶處理、退火等熱處理可以改變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力。合金化可以通過改變化學(xué)成分來提高材料的耐化學(xué)腐蝕性和抗應(yīng)力腐蝕能力。15.光學(xué)；雙折射*解析：光彈性是利用某些材料在受力時(shí)產(chǎn)生光學(xué)雙折射效應(yīng)（應(yīng)力引起折射率變化）的原理，通過觀察干涉條紋來模擬測(cè)量應(yīng)力分布的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。16.拉伸*解析：與題目11類似，化學(xué)氣相沉積形成的涂層體積通常膨脹，對(duì)基體產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。17.機(jī)理；規(guī)律*解析：深入理解化學(xué)應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理（如反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、相變熱力學(xué)）和普遍規(guī)律（如影響因素、破壞模式），是有效分析和預(yù)防化學(xué)應(yīng)力問題的前提。18.熱膨脹系數(shù)*解析：不同相具有不同的熱膨脹系數(shù)（CTE），當(dāng)溫度變化時(shí)，不同相的體積變化不同，相互約束就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。此外，相的彈性模量差異也起作用，但CTE差異是主要因素。19.嚴(yán)苛；壽命預(yù)測(cè)*解析：化學(xué)應(yīng)力分析對(duì)于評(píng)估材料在腐蝕性、高溫等嚴(yán)苛環(huán)境下的性能至關(guān)重要，有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期服役壽命。20.物理*解析：化學(xué)應(yīng)力本質(zhì)上與材料的化學(xué)狀態(tài)和成分變化相關(guān)，這會(huì)直接影響材料的物理性能，特別是電化學(xué)性能（如腐蝕電位、電導(dǎo)率）。三、簡(jiǎn)答題21.化學(xué)應(yīng)力是由于材料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)成分變化（如腐蝕、反應(yīng)）或相變引起的體積變化而產(chǎn)生的應(yīng)力；而熱應(yīng)力是由于材料內(nèi)部溫度不均勻或整體溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮受阻而產(chǎn)生的應(yīng)力?；瘜W(xué)應(yīng)力的根本驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)勢(shì)或相自由能的變化，而熱應(yīng)力的根本驅(qū)動(dòng)力是熱力學(xué)勢(shì)（溫度）的變化。兩者都可能引起材料的宏觀變形和微觀結(jié)構(gòu)變化，并可能導(dǎo)致材料損傷或破壞，但產(chǎn)生的原因和相關(guān)的物理場(chǎng)（化學(xué)場(chǎng)vs溫度場(chǎng)）不同。22.化學(xué)應(yīng)力分析有助于理解特定化學(xué)環(huán)境（如介質(zhì)種類、濃度、溫度、應(yīng)力狀態(tài)）如何影響材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。通過分析，可以識(shí)別材料在服役條件下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和臨界條件。這為材料選型提供了依據(jù)，即選擇具有高應(yīng)力腐蝕抗性的材料或在特定環(huán)境中穩(wěn)定的材料。此外，分析結(jié)果還可以指導(dǎo)對(duì)材料進(jìn)行表面處理（如涂層、陽極化）或合金化改性，以增強(qiáng)其抗應(yīng)力腐蝕性能，從而設(shè)計(jì)出更可靠、更耐用的抗腐蝕結(jié)構(gòu)。23.高分子材料通常具有較大的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍，在環(huán)境溫度變化或受到化學(xué)作用時(shí)，其模量對(duì)溫度和化學(xué)環(huán)境非常敏感?；瘜W(xué)應(yīng)力（如溶劑應(yīng)力、腐蝕應(yīng)力）容易導(dǎo)致高分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇或發(fā)生溶脹，即使在不大的應(yīng)力下也可能引起顯著的變形或性能下降。此外，高分子材料的強(qiáng)度和韌性相對(duì)金屬較低，對(duì)裂紋的擴(kuò)展較為敏感，且其性能往往表現(xiàn)出更強(qiáng)的環(huán)境依賴性（如光、熱、濕度、化學(xué)介質(zhì)的影響），這些因素共同導(dǎo)致高分子材料在化學(xué)應(yīng)力作用下的性能表現(xiàn)通常比金屬或陶瓷更為敏感。四、論述題24.化學(xué)應(yīng)力分析對(duì)于確保壓力容器等關(guān)鍵工程結(jié)構(gòu)安全服役至關(guān)重要。首先，許多壓力容器需要在腐蝕性介質(zhì)（如海水、酸性或堿性溶液）中運(yùn)行，化學(xué)應(yīng)力分析可以幫助評(píng)估材料在這些環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)材料選型（選用耐腐蝕材料）和設(shè)計(jì)（避免應(yīng)力集中、優(yōu)化結(jié)構(gòu)）。其次，壓力容器在高溫高壓下工作，熱應(yīng)力與化學(xué)應(yīng)力（如氧化導(dǎo)致的體積變化）可能疊加，化學(xué)應(yīng)力分析有助于理解這種耦合效應(yīng)對(duì)材料性能和結(jié)構(gòu)完整性的影響，預(yù)測(cè)疲勞壽命和蠕變損傷。通過分析，可以確定容器的安全工作窗口，預(yù)測(cè)潛在失效模式，為制定合理的操作規(guī)程、維護(hù)策略和檢修周期提供科學(xué)依據(jù)，從而最大限度地避免災(zāi)難性事故，保障人員安全和財(cái)產(chǎn)安全。缺乏化學(xué)應(yīng)力分析可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)保守過度或忽視潛在風(fēng)險(xiǎn)，兩者都有安全隱患。25.化學(xué)應(yīng)力分析在先進(jìn)材料研發(fā)中扮演著關(guān)鍵角色，但也面臨新的挑戰(zhàn)。對(duì)于納米材料，其小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)使得化學(xué)過程和應(yīng)力響應(yīng)與塊體材料顯著不同。例如，納米線或薄膜的表面原子比例高，化學(xué)活性強(qiáng)，更容易發(fā)生腐蝕或氧化，其應(yīng)力腐蝕行為可能完全不同。同時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布可能很不均勻，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型可能不再適用。因此，需要發(fā)展能描述原子尺度過程和