2025年材料科學與工程專升本粉末冶金試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪種方法不屬于物理法制備金屬粉末？（）A.霧化法B.水霧化法C.粉末冶金法D.等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法2.在粉末壓制成型過程中，為了提高壓坯的密度和強度，通常需要施加（）。A.負壓B.正壓C.無壓D.氣壓3.下列哪種缺陷不屬于粉末壓坯在壓制過程中產(chǎn)生的？（）A.彎曲B.裂紋C.空隙D.相變4.粉末冶金材料燒結(jié)的主要驅(qū)動力是（）。A.表面能的降低B.系統(tǒng)的自由能增加C.晶格畸變能的增加D.擴散能的增加5.為了抑制燒結(jié)過程中晶粒的過度長大，可以采取的措施包括（）。A.提高燒結(jié)溫度B.加快燒結(jié)速率C.添加晶粒抑制劑D.使用細粉6.硬質(zhì)合金中，通常作為粘結(jié)相的是（）。A.碳化鎢（WC）B.鈷（Co）C.氮化硅（Si3N4）D.氧化鋁（Al2O3）7.下列哪種方法不屬于粉末冶金成型中的綠色成型技術(shù)？（）A.冷等靜壓B.熱等靜壓C.濕法pressingD.干壓8.在粉末冶金燒結(jié)過程中，出現(xiàn)“液相燒結(jié)”現(xiàn)象時，液相的主要作用是（）。A.填充孔隙B.促進擴散C.削弱顆粒結(jié)合D.阻礙致密化9.下列哪種材料是典型的金屬基粉末冶金材料？（）A.硬質(zhì)合金B(yǎng).氧化鋁陶瓷C.鈦合金D.陶瓷基復(fù)合材料10.粉末的流動性好壞直接影響壓坯的質(zhì)量，影響流動性的因素包括（）。A.粉末的粒度分布B.粉末的形狀C.粉末的純度D.粉末的濕度二、填空題（每空1分，共20分。請將答案填在橫線上）1.粉末冶金技術(shù)是制備______材料、______零件以及某些______制品的重要方法。2.粉末的粒度通常用______和______來表示。3.粉末壓制成型工藝主要包括______、______和______三個主要步驟。4.燒結(jié)是粉末冶金過程中決定材料______和______的關(guān)鍵步驟。5.為了提高硬質(zhì)合金的耐磨性和韌性，通常在WC基體中添加Co粘結(jié)相。6.影響粉末冶金材料燒結(jié)速度的主要因素有______、______和______。7.粉末的松裝密度是指粉末在______狀態(tài)下的單位體積質(zhì)量。8.粉末冶金可以制備形狀復(fù)雜的______零件，且可以實現(xiàn)______。9.普通壓制成型通常在______MPa的壓力下進行。10.添加潤滑劑到壓坯中，主要目的是為了______和提高______。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述水霧化法制備金屬粉末的基本原理及其主要優(yōu)點。2.簡述粉末冶金材料與同類熔鑄材料相比，通常具有哪些優(yōu)異性能。3.簡述影響粉末壓坯強度的主要因素。4.簡述什么是反應(yīng)燒結(jié)，并舉例說明一種反應(yīng)燒結(jié)的應(yīng)用。四、計算題（共20分）1.（10分）某金屬粉末的密度為7.2g/cm3，松裝密度為3.6g/cm3，堆積密度為5.4g/cm3?，F(xiàn)需要制備一個直徑20mm，高10mm的圓柱形壓坯，要求壓坯密度達到理論密度的80%。試計算：（1）所需金屬粉末的質(zhì)量是多少克？（2）如果采用填充率（壓實后粉末體積與壓坯總體積之比）為60%進行壓制，理論上需要施加多大的壓強？（假設(shè)粉末裝填過程體積不變，粉末裝填密度即為堆積密度）2.（10分）一種氧化鋁陶瓷粉末，其理論密度為3.98g/cm3。某壓坯在1500°C下進行燒結(jié)，燒結(jié)時間為2小時。燒結(jié)后壓坯的密度為3.2g/cm3。試計算該壓坯的相對密度（即致密度）是多少？若要使壓坯的相對密度達到95%，在其他條件不變的情況下，你認為主要應(yīng)采取什么措施？（請至少提出兩種措施）五、論述題（10分）試論述粉末冶金技術(shù)在制備高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料方面的優(yōu)勢，并舉例說明其在某個特定領(lǐng)域的應(yīng)用。試卷答案一、選擇題1.C解析：粉末冶金法是利用粉末直接制造成品或半成品的方法，屬于加工工藝，而非粉末制備方法。2.B解析：正壓是使粉末顆粒相互靠攏，減小孔隙，提高壓坯密度和強度的必要條件。3.D解析：彎曲、裂紋、空隙是壓制過程中可能產(chǎn)生的宏觀或微觀缺陷；相變通常發(fā)生在燒結(jié)或后續(xù)熱處理過程中。4.A解析：燒結(jié)的本質(zhì)是物質(zhì)系統(tǒng)向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變，表面能的降低是驅(qū)動粉末顆粒結(jié)合和孔隙消失的主要動力。5.C解析：添加晶粒抑制劑（如Y2O3）可以阻礙晶粒原子擴散和邊界移動，從而抑制晶粒長大。提高溫度和速率通常會促進晶粒長大。6.B解析：鈷（Co）具有較好的金屬流動性，能潤濕WC硬質(zhì)相，形成牢固的金屬鍵，起到粘結(jié)作用。7.C解析：濕法pressing通常指在液體介質(zhì)中進行壓制，可能不利于粉末流動和壓坯密度均勻，不屬于綠色環(huán)保成型技術(shù)。冷/熱等靜壓和干壓是無污染的成型方法。8.B解析：液相在燒結(jié)過程中充當高Conductivity的原子擴散通道，顯著加速了原子擴散過程，促進了致密化。9.C解析：鈦合金通常通過粉末冶金方法制備，尤其是對于難以熔鑄的鈦合金。A是硬質(zhì)合金，B是氧化物陶瓷，D是陶瓷基復(fù)合材料。10.A,B,D解析：粒度分布、形狀和濕度都會影響粉末顆粒間的相互作用和自由運動，從而影響流動性。純度主要影響粉末性能，對流動性影響相對較小。二、填空題1.金屬；幾乎；特種解析：粉末冶金是制備金屬材料、金屬零件及陶瓷、復(fù)合材料等特種制品的重要技術(shù)。2.粒徑；粒度分布解析：粒度指顆粒的大小，粒度分布指大小不同顆粒的組成情況。3.粉末準備；壓制成型；燒結(jié)解析：這三個步驟是典型的粉末冶金工藝流程。4.組織；性能解析：燒結(jié)直接影響材料的微觀結(jié)構(gòu)（組織）的形成，進而決定了其宏觀力學性能。5.硬質(zhì)；韌性解析：Co粘結(jié)相提高了硬質(zhì)WC的韌性，但犧牲了部分硬度。6.燒結(jié)溫度；燒結(jié)時間；壓力（或氣氛、粉末種類等）解析：這些因素顯著影響原子擴散速率和物質(zhì)遷移，從而影響燒結(jié)進程。7.自由解析：松裝密度指粉末在自由落下或輕輕搖實狀態(tài)下的密度。8.金屬；成本解析：粉末冶金可直接制造形狀復(fù)雜的零件，且通常比傳統(tǒng)熔鑄法成本更低。9.200-800解析：普通壓制成型通常在幾百兆帕的壓力范圍內(nèi)完成。10.粉末流動；壓坯密度解析：潤滑劑減少粉末顆粒間的摩擦，使流動順暢，從而提高壓制密度和均勻性。三、簡答題1.答：水霧化法是利用高壓水流（或有時是蒸汽或空氣）高速沖擊熔融金屬流，將其破碎成細小的液滴，液滴在飛行中冷卻凝固成粉末。其優(yōu)點包括：設(shè)備相對簡單、生產(chǎn)效率高、可制備球形或近球形粉末、粉末粒度分布較窄、純度高、氧化少等。2.答：粉末冶金材料通常比同類熔鑄材料具有以下優(yōu)異性能：（1）組織性能：密度相對較低（特別是多孔材料），減振性好；無內(nèi)部缺陷（如氣孔、縮松），力學性能（特別是抗疲勞、耐磨性）可能更高；（2）特殊性能：易于制備形狀復(fù)雜的零件；可以實現(xiàn)某些難以熔鑄的合金或梯度功能材料；可以通過控制工藝制備多孔材料，用于吸聲、過濾等；（3）成本效益：對于某些零件，特別是大批量生產(chǎn)時，成本可能更低。3.答：影響粉末壓坯強度的主要因素有：（1）粉末性質(zhì)：粉末的粒度、形貌、純度、流動性、塑性等；（2）壓制工藝：壓實力大小、壓力均勻性、保壓時間等；（3）添加劑：潤滑劑、粘結(jié)劑的使用；（4）壓坯密度：密度越高，強度通常越大，但需注意密度過高可能導(dǎo)致開裂；（5）模具設(shè)計：模具的精度和結(jié)構(gòu)。4.答：反應(yīng)燒結(jié)是指粉末混合物中包含的兩種或多種組分在燒結(jié)過程中發(fā)生化學反應(yīng)，生成新物質(zhì)，同時伴隨著物質(zhì)遷移和致密化。例如，制備氮化硅（Si3N4）陶瓷，可以將硅粉（Si）和氮氣（N2）或氮化物前驅(qū)體混合，在高溫下燒結(jié)，發(fā)生反應(yīng)：Si+N2→Si3N4，同時Si3N4生成并長大，實現(xiàn)致密化。四、計算題1.解：（1）壓坯體積V=π*(d/2)2*h=π*(20mm/2)2*10mm=3141.6mm3=3.1416cm3理論密度ρ_t=7.2g/cm3要求壓坯密度ρ_p=0.80*ρ_t=0.80*7.2g/cm3=5.76g/cm3所需粉末質(zhì)量m=ρ_p*V=5.76g/cm3*3.1416cm3≈18.098g答：所需金屬粉末的質(zhì)量約為18.1克。（2）壓實后粉末體積V_p=V/填充率=3.1416cm3/0.60≈5.235cm3所需粉末質(zhì)量m'=ρ_堆*V_p=5.4g/cm3*5.235cm3≈28.251g假設(shè)粉末裝填密度即為堆積密度，則壓實過程需克服的粉末重力（近似為有效壓實力）F=(m'-m)*g=(28.251g-18.098g)*9.8m/s2其中m'、m需換算為kg：m'≈0.02825kg,m≈0.01810kgF=(0.02825kg-0.01810kg)*9.8m/s2≈0.01015kg*9.8m/s2≈0.0994N壓強P=F/A=F/(π*(d/2)2)=0.0994N/(π*(20mm/2)2*(1cm/10mm)2)P=0.0994N/(π*102*0.012)Pa≈0.0994N/(π*1cm2)Pa≈0.0316N/cm2=0.31MPa（注意：此計算假設(shè)粉末裝填密度即為堆積密度，且將粉末重力作為有效壓實力，實際情況可能更復(fù)雜，壓實力主要由壓機噸位決定）。答：理論上需要施加的壓強約為0.31MPa。2.解：壓坯初始密度ρ_i=3.2g/cm3理論密度ρ_t=3.98g/cm3相對密度(致密度)ρ_r=(ρ_i/ρ_t)*100%=(3.2g/cm3/3.98g/cm3)*100%≈80.4%答：該壓坯的相對密度約為80.4%。若要使相對密度達到95%，即ρ_p=0.95*ρ_t=0.95*3.98g/cm3≈3.78g/cm3。主要應(yīng)采取的措施包括：（1）提高燒結(jié)溫度：升高溫度能增加原子擴散速率，促進物質(zhì)遷移和孔隙消除，從而提高致密度。（2）延長燒結(jié)時間：適當延長保溫時間，使物質(zhì)遷移過程更充分，有助于達到更高的致密度。（3）采用更有效的燒結(jié)工藝：如熱等靜壓燒結(jié)（HIP），能提供更均勻的壓力，消除更大尺寸的孔隙。（4）優(yōu)化粉末制備：使用更細小的粉末，可以提供更大的比表面積，促進燒結(jié)，提高致密度。五、論述題答：粉末冶金技術(shù)在制備高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料方面具有顯著優(yōu)勢。首先，它能夠制造形狀極其復(fù)雜的零件，無需復(fù)雜的刀具和裝夾，可以直接利用粉末形狀成形，大大減少了零件的加工量甚至無需加工，提高了生產(chǎn)效率和材料利用率。其次，可以通過粉末的組成設(shè)計和工藝控制，制備出成分均勻、性能優(yōu)異的材料，尤其是在制備難熔金屬、