2025年【高等教育】材料科學基礎試卷及參考答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列晶體結構中，原子密排面堆垛順序為“ABCABC”的是（）。A.體心立方（BCC）B.面心立方（FCC）C.密排六方（HCP）D.簡單立方（SC）2.純鋁（熔點660℃）在300℃進行塑性變形，其變形機制主要屬于（）。A.冷變形B.熱變形C.溫變形D.超塑性變形3.下列缺陷中，屬于線缺陷的是（）。A.肖特基空位B.弗蘭克位錯環(huán)C.刃型位錯D.晶界4.Fe-C合金中，萊氏體（Ld）在室溫下的組成相為（）。A.奧氏體+滲碳體B.鐵素體+滲碳體C.珠光體+滲碳體D.馬氏體+殘余奧氏體5.擴散第一定律（菲克第一定律）適用于（）。A.穩(wěn)態(tài)擴散B.非穩(wěn)態(tài)擴散C.自擴散D.互擴散6.下列強化機制中，不屬于通過阻礙位錯運動實現強化的是（）。A.固溶強化B.細晶強化C.沉淀強化D.相變強化7.陶瓷材料中，離子晶體的主要結合鍵是（）。A.金屬鍵B.共價鍵C.離子鍵D.分子鍵8.某金屬在凝固時，若過冷度ΔT增大，則其形核率N與長大速率G的變化趨勢為（）。A.N增大，G增大B.N增大，G減小C.N減小，G增大D.N減小，G減小9.下列關于非晶態(tài)材料的描述，錯誤的是（）。A.長程無序，短程有序B.沒有固定熔點C.各向同性D.原子排列與液態(tài)完全相同10.鎂合金（HCP結構）的塑性通常低于鋁合金（FCC結構），主要原因是（）。A.鎂的原子半徑更小B.鎂的滑移系更少C.鎂的層錯能更高D.鎂的彈性模量更低二、填空題（每空1分，共15分）1.布拉菲點陣共有______種，其中立方晶系包含______種點陣類型。2.刃型位錯的柏氏矢量與位錯線______（平行/垂直），螺型位錯的柏氏矢量與位錯線______（平行/垂直）。3.固溶體按溶質原子位置可分為______和______；按溶解度可分為______和______。4.鐵碳合金中，共晶反應的溫度為______℃，反應式為______；共析反應的溫度為______℃，反應式為______。5.擴散的驅動力是______，其本質是______的遷移。三、簡答題（每題8分，共32分）1.比較間隙固溶體與間隙化合物的異同點（從結構、形成條件、性能等方面分析）。2.簡述加工硬化的產生機制及其工程意義。3.分析純金屬與合金在結晶過程中的主要差異（從形核條件、生長方式、組織特征三方面說明）。4.討論影響擴散的主要因素（至少列出4種），并說明其作用規(guī)律。四、計算題（每題10分，共30分）1.已知某Fe-0.6wt%C合金在平衡冷卻條件下凝固，試計算其室溫組織中珠光體（P）與先共析鐵素體（α）的相對質量分數（Fe-Fe?C相圖中，共析點含碳量為0.77wt%，鐵素體最大溶解度為0.0218wt%）。2.某銅合金中，原子在500℃時的擴散系數D?=2×10?1?m2/s，在600℃時D?=5×10?13m2/s。假設擴散激活能Q和常數D?不變，求該合金的擴散激活能Q（R=8.314J/(mol·K)）。3.某金屬經塑性變形后，位錯密度ρ=1×101?m?2，位錯平均滑移距離λ=1×10??m。若該金屬的切變模量G=40GPa，柏氏矢量b=0.25nm，試計算其加工硬化后的屈服強度τ（τ=αGb√ρ，α取0.5）。五、綜合分析題（共23分）1.（12分）鋁合金（如6061型）常采用“固溶處理+時效”工藝實現強化。請從微觀結構演變角度，分析時效過程中析出相的形成順序及其對強度的影響機制。2.（11分）陶瓷材料（如Al?O?）的脆性是其主要缺點。結合材料科學基礎理論，解釋陶瓷脆性大的根本原因，并提出3種改善其韌性的可行方法。參考答案一、單項選擇題1.B2.C3.C4.C5.A6.D7.C8.A9.D10.B二、填空題1.14；3（簡單立方、體心立方、面心立方）2.垂直；平行3.置換固溶體；間隙固溶體；有限固溶體；無限固溶體4.1148；L→A（2.11wt%C）+Fe?C；727；A（0.77wt%C）→α（0.0218wt%C）+Fe?C5.化學勢梯度；原子三、簡答題1.異同點分析：-結構：間隙固溶體保持溶劑的晶體結構，溶質原子嵌入溶劑晶格間隙；間隙化合物形成新的復雜晶體結構（如滲碳體Fe?C的正交結構）。-形成條件：間隙固溶體要求溶質原子半徑較?。ㄈ鏑、N，r≤0.59r溶劑），且溶解度有限；間隙化合物要求溶質與溶劑原子半徑比r溶質/r溶劑>0.59，通常由過渡金屬與C、N等形成。-性能：間隙固溶體通過晶格畸變提高強度（固溶強化），塑性較好；間隙化合物硬度高、脆性大，是合金中的強化相（如鋼中的Fe?C）。2.加工硬化機制及意義：機制：塑性變形中，位錯密度增加，位錯間相互交截、纏結，阻礙位錯運動（位錯增殖與交割理論）。意義：①提高材料強度（如冷拉鋼絲）；②使變形均勻（防止局部縮頸）；③可用于無法熱處理強化的材料（如純鋁）的強化。3.純金屬與合金結晶差異：-形核條件：純金屬需過冷度提供驅動力，均勻形核為主；合金因存在成分過冷，可在較小過冷度下非均勻形核。-生長方式：純金屬以平面方式生長（正溫度梯度）；合金因成分過冷易形成樹枝晶（負溫度梯度）。-組織特征：純金屬為等軸晶或柱狀晶，成分均勻；合金為枝晶偏析組織，存在溶質原子分布不均（如晶內偏析）。4.影響擴散的因素：-溫度：溫度升高，擴散系數指數增加（D=D?exp(-Q/RT)）。-固溶體類型：間隙固溶體擴散速率>置換固溶體（間隙原子尺寸小，躍遷阻力小）。-晶體結構：密排結構（如FCC）擴散速率<非密排結構（如BCC）（間隙體積?。?晶體缺陷：晶界、位錯等缺陷處原子能量高，擴散速率更快（短路擴散）。四、計算題1.室溫組織計算：該合金為亞共析鋼，室溫組織為α+P。珠光體質量分數：W_P=(0.6-0.0218)/(0.77-0.0218)×100%≈77.2%先共析鐵素體質量分數：W_α=1-77.2%≈22.8%2.擴散激活能計算：由D=D?exp(-Q/RT)，取對數得ln(D?/D?)=Q/R(1/T?-1/T?)T?=500+273=773K，T?=600+273=873Kln(2×10?1?/5×10?13)=ln(0.04)=-3.2189Q=R×(-3.2189)/(1/873-1/773)=8.314×(-3.2189)/(-1.47×10??)≈181kJ/mol3.屈服強度計算：τ=αGb√ρ=0.5×40×10?Pa×0.25×10??m×√(1×101?m?2)√ρ=1×10?m??.5τ=0.5×40×10?×0.25×10??×1×10?=5×10?Pa=50MPa五、綜合分析題1.鋁合金時效強化機制：時效過程析出相順序：過飽和固溶體（α）→GP區(qū)（銅原子偏聚區(qū)，厚度1-4原子層）→θ''相（共格析出，薄片狀，與基體完全共格）→θ'相（半共格析出，厚片狀，界面存在位錯）→θ相（非共格析出，平衡相Al?Cu）。強度影響：GP區(qū)和θ''相因與基體共格，引起晶格畸變，阻礙位錯運動（共格應變強化）；θ'相半共格，位錯需切過或繞過析出相（奧羅萬機制）；θ相非共格，主要通過奧羅萬繞過機制強化，但析出相粗化后強化效果減弱。2.陶瓷脆性原因及改善方法：根本原因：①離子鍵/共價鍵為主，位錯滑移系少（如Al?O?僅5個滑移系），塑性變形困難；②內部存在微裂紋（