(2025年)【工程材料】期末(知識點總結(jié)+題庫及答案+試卷及答案一、核心知識點總結(jié)（一）材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1.晶體結(jié)構(gòu)：金屬材料以晶體結(jié)構(gòu)為主，常見三種典型結(jié)構(gòu)為面心立方（FCC，如Cu、Al）、體心立方（BCC，如α-Fe、Cr）、密排六方（HCP，如Mg、Zn）。晶胞參數(shù)（a、b、c及夾角）決定晶體幾何特征，致密度（FCC為0.74，BCC為0.68，HCP為0.74）反映原子堆積緊密程度。晶面與晶向用米勒指數(shù)表示，如FCC的(111)晶面為密排面，<110>為密排方向。2.晶體缺陷：分為點缺陷（空位、間隙原子、置換原子）、線缺陷（位錯，含刃型位錯和螺型位錯）、面缺陷（晶界、亞晶界、相界）。位錯密度（單位體積內(nèi)位錯線總長度）與材料強度直接相關(guān)，加工硬化本質(zhì)是位錯密度增加導(dǎo)致位錯運動阻力增大。3.非晶態(tài)結(jié)構(gòu)：高分子材料（如無規(guī)聚苯乙烯）、部分合金（非晶態(tài)合金）呈長程無序、短程有序結(jié)構(gòu)，無固定熔點，力學(xué)性能表現(xiàn)為各向同性。（二）材料的性能1.力學(xué)性能：-強度：材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，包括屈服強度（σs）、抗拉強度（σb），通過拉伸試驗測定。-塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力，用斷后伸長率（δ）和斷面收縮率（ψ）表示，δ>5%為塑性材料（如低碳鋼），δ≤5%為脆性材料（如鑄鐵）。-硬度：材料抵抗局部塑性變形的能力，常用測試方法有布氏硬度（HB，適用于軟材料）、洛氏硬度（HRC/HRA/HRB，適用于淬火鋼等硬材料）、維氏硬度（HV，精確但效率低）。-韌性：材料吸收能量抵抗斷裂的能力，沖擊韌性（αk）通過夏比沖擊試驗測定，低溫下材料可能發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變（如體心立方金屬的冷脆現(xiàn)象）。2.物理與化學(xué)性能：-物理性能：導(dǎo)電性（金屬>半導(dǎo)體>陶瓷>高分子）、導(dǎo)熱性（與電子運動相關(guān)，F(xiàn)CC金屬導(dǎo)熱性優(yōu)于BCC）、熱膨脹性（高分子>金屬>陶瓷）。-化學(xué)性能：耐腐蝕性（不銹鋼因Cr形成鈍化膜）、抗氧化性（高溫合金添加Al、Cr提高氧化膜穩(wěn)定性）。（三）材料的凝固與固態(tài)相變1.金屬凝固：液態(tài)金屬冷卻到凝固點以下時，通過形核（均勻形核與非均勻形核）與長大（平面生長、樹枝晶生長）形成晶體。過冷度（ΔT=Tm-Tn）越大，形核率越高，晶粒越細（如變質(zhì)處理通過添加形核劑細化晶粒）。2.鐵碳合金相圖：核心線包括ACD（液相線）、AECF（固相線）、PSK（共析線，A1溫度727℃）、GS（A3線，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變）、ES（Acm線，奧氏體中碳溶解度極限）。典型合金：-工業(yè)純鐵（C≤0.0218%）：室溫組織為鐵素體（F）+少量三次滲碳體（Fe3CⅢ）。-鋼（0.0218%<C≤2.11%）：亞共析鋼（C<0.77%）室溫組織為F+珠光體（P）；共析鋼（C=0.77%）為P；過共析鋼（C>0.77%）為P+二次滲碳體（Fe3CⅡ）。-白口鑄鐵（2.11%<C≤6.69%）：共晶白口鑄鐵（C=4.3%）室溫組織為萊氏體（Ld）+Fe3C；亞共晶白口鑄鐵為P+Fe3CⅡ+Ld；過共晶白口鑄鐵為Fe3CⅠ+Ld。3.固態(tài)相變：-奧氏體化（A形成）：鋼加熱到Ac1以上時，F(xiàn)與Fe3C溶解形成均勻奧氏體，需控制加熱溫度與保溫時間。-珠光體轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變，A1~550℃）：層片狀P（粗片）或索氏體（S，細片）、托氏體（T，極細片），片層越細，強度硬度越高。-貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變，550℃~Ms）：上貝氏體（B上，羽毛狀，韌性差）、下貝氏體（B下，針狀，強韌性好）。-馬氏體轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變，Ms~Mf）：無擴散切變方式形成，組織為板條馬氏體（低碳鋼，強韌性好）或片狀馬氏體（高碳鋼，硬而脆），需回火消除內(nèi)應(yīng)力。（四）材料的熱處理工藝1.普通熱處理：-退火：加熱到Ac1或Ac3以上，保溫后緩慢冷卻（爐冷），目的是降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力、細化晶粒。包括完全退火（亞共析鋼，Ac3+30~50℃）、球化退火（過共析鋼，Ac1+20~30℃，獲得球狀珠光體，改善切削性能）、去應(yīng)力退火（<Ac1，消除加工應(yīng)力）。-正火：加熱到Ac3或Acm以上，空冷，冷卻速度快于退火，得到細片狀P，強度硬度高于退火，用于改善低碳鋼切削性能或作為最終熱處理。-淬火：加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上，保溫后快速冷卻（水或油冷），獲得馬氏體或下貝氏體，顯著提高硬度（如45鋼淬火后HRC可達50~55）。-回火：淬火后加熱到Ac1以下，保溫后冷卻，目的是消除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織、調(diào)整性能。分為低溫回火（150~250℃，得到回火馬氏體，高硬度高耐磨性，用于刀具）、中溫回火（350~500℃，回火托氏體，良好彈性，用于彈簧）、高溫回火（500~650℃，回火索氏體，綜合力學(xué)性能，用于軸類零件）。2.表面熱處理：-表面淬火：感應(yīng)加熱或火焰加熱表層至Ac3以上，快速冷卻，表層為馬氏體（高硬度），心部保持原始組織（良好韌性），適用于中碳鋼（如45鋼）制造的齒輪、軸類。-化學(xué)熱處理：滲碳（低碳鋼，900~950℃，表層C含量0.8~1.2%，淬火+低溫回火后表面HRC58~64，心部強韌性好，用于汽車齒輪）、滲氮（中碳合金鋼，500~570℃，表層形成氮化物，硬度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性高，用于精密模具）、碳氮共滲（綜合滲碳與滲氮優(yōu)點，加熱溫度低、周期短）。（五）常用工程材料1.金屬材料：-碳素鋼：Q235（低碳鋼，σs=235MPa，塑性好，用于鋼板、鋼筋）；45鋼（中碳鋼，綜合性能好，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理用于軸類）；T10（高碳鋼，C=1.0%，淬火+低溫回火后硬度高，用于刀具、模具）。-合金鋼：20CrMnTi（滲碳鋼，用于汽車齒輪）；40Cr（調(diào)質(zhì)鋼，用于重要軸類）；60Si2Mn（彈簧鋼，中溫回火后彈性好）；Cr12MoV（冷作模具鋼，高硬度高耐磨性）；1Cr18Ni9Ti（奧氏體不銹鋼，耐腐蝕性好，用于化工設(shè)備）。-鋁合金：變形鋁合金（如6061，可熱處理強化，用于航空結(jié)構(gòu)件）；鑄造鋁合金（如ZL102，Al-Si合金，流動性好，用于復(fù)雜鑄件）；超硬鋁合金（7075，強度接近鋼，用于飛機蒙皮）。2.高分子材料：-熱塑性塑料：聚乙烯（PE，耐化學(xué)性好，用于薄膜）、聚丙烯（PP，密度小，用于日用品）、聚氯乙烯（PVC，耐老化，用于管材）、聚酰胺（PA，強韌性好，用于齒輪）。-熱固性塑料：酚醛樹脂（PF，耐高溫，用于電器外殼）、環(huán)氧樹脂（EP，粘結(jié)性好，用于膠黏劑）、不飽和聚酯（UP，用于玻璃鋼）。3.陶瓷材料：-結(jié)構(gòu)陶瓷：氧化鋁（Al?O?，高硬度，用于刀具）、碳化硅（SiC，耐高溫，用于熱交換器）、氮化硅（Si?N?，抗熱震性好，用于發(fā)動機零件）。-功能陶瓷：鈦酸鋇（BaTiO?，壓電性，用于傳感器）、氧化鋅（ZnO，壓敏性，用于避雷器）。4.復(fù)合材料：-纖維增強復(fù)合材料：玻璃纖維增強塑料（GFRP，輕質(zhì)高強，用于船艇）、碳纖維增強樹脂（CFRP，比強度高，用于航空航天）。-顆粒增強復(fù)合材料：WC-Co硬質(zhì)合金（高硬度，用于刀具）、Al?O?顆粒增強鋁基復(fù)合材料（耐磨，用于活塞）。二、題庫及答案（一）選擇題（每題2分，共20分）1.下列晶體結(jié)構(gòu)中，致密度最高的是（）A.體心立方（BCC）B.面心立方（FCC）C.密排六方（HCP）D.簡單立方答案：B（FCC與HCP致密度均為0.74，高于BCC的0.68，但FCC為常見金屬結(jié)構(gòu)，故選B）2.下列缺陷中，屬于線缺陷的是（）A.空位B.晶界C.刃型位錯D.相界答案：C（位錯是線缺陷，空位是點缺陷，晶界和相界是面缺陷）3.衡量材料塑性的指標(biāo)是（）A.抗拉強度B.斷后伸長率C.硬度D.沖擊韌性答案：B（δ和ψ為塑性指標(biāo)，σb為強度，硬度為局部變形能力，αk為韌性）4.鋼的奧氏體化溫度通常為（）A.Ac1以下B.Ac1~Ac3之間C.Ac3或Acm以上D.任意溫度答案：C（亞共析鋼需加熱到Ac3以上，過共析鋼需加熱到Ac1以上但低于Acm，以保留未溶碳化物）5.下列熱處理工藝中，能顯著提高材料硬度的是（）A.退火B(yǎng).正火C.淬火D.回火答案：C（淬火獲得馬氏體，硬度顯著提高；回火會降低硬度但改善韌性）6.45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（高溫回火）后的組織是（）A.回火馬氏體B.回火托氏體C.回火索氏體D.珠光體答案：C（高溫回火得到回火索氏體，綜合性能好）7.下列材料中，屬于熱固性塑料的是（）A.聚乙烯B.環(huán)氧樹脂C.聚丙烯D.聚氯乙烯答案：B（環(huán)氧樹脂加熱固化后不可再熔化，屬于熱固性；其余為熱塑性）8.鐵碳合金中，共析反應(yīng)的產(chǎn)物是（）A.奧氏體B.珠光體C.萊氏體D.馬氏體答案：B（共析反應(yīng)：A→F+Fe3C，產(chǎn)物為珠光體P）9.細晶強化的原理是（）A.增加位錯密度B.減少晶界數(shù)量C.晶界阻礙位錯運動D.形成固溶體答案：C（晶粒越細，晶界越多，位錯運動阻力越大，同時變形更均勻，塑性提高）10.下列鋁合金中，屬于超硬鋁合金的是（）A.6061B.ZL102C.7075D.5A02答案：C（7075為Al-Zn-Mg-Cu系，屬于超硬鋁合金）（二）判斷題（每題1分，共10分）1.所有金屬材料都是晶體。（×，非晶態(tài)合金為非晶體）2.布氏硬度適用于測量淬火鋼的硬度。（×，布氏硬度壓痕大，適用于軟材料；淬火鋼用洛氏硬度HRC）3.馬氏體的硬度主要取決于含碳量。（√，含碳量越高，馬氏體中過飽和碳越多，硬度越高）4.正火的冷卻速度比退火慢。（×，正火空冷，退火爐冷，正火冷卻更快）5.滲碳處理適用于高碳鋼。（×，滲碳用于低碳鋼，提高表層含碳量）6.熱塑性塑料加熱可熔化，可反復(fù)成型。（√，熱塑性塑料分子鏈為線性或支化結(jié)構(gòu)）7.鑄鐵的韌性比鋼好。（×，鑄鐵含碳量高，組織中存在石墨，韌性差）8.晶界處原子排列不規(guī)則，因此晶界強度低于晶內(nèi)。（×，晶界阻礙位錯運動，強度高于晶內(nèi)）9.鋁合金的密度比鋼小，因此比強度一定高于鋼。（×，比強度=強度/密度，需具體比較強度值）10.陶瓷材料的抗壓強度遠高于抗拉強度。（√，陶瓷內(nèi)部存在微裂紋，拉伸時裂紋易擴展，壓縮時裂紋閉合）（三）簡答題（每題5分，共20分）1.比較退火與正火的工藝及目的差異。答：工藝差異：退火加熱后爐冷，冷卻速度慢；正火加熱后空冷，冷卻速度快。目的差異：退火用于降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力、細化晶粒；正火用于獲得較高強度硬度（細片狀珠光體），改善低碳鋼切削性能，或作為中碳鋼的最終熱處理。2.解釋加工硬化的概念及產(chǎn)生原因。答：加工硬化（冷作硬化）指金屬在塑性變形過程中，隨著變形量增加，強度硬度升高，塑性韌性下降的現(xiàn)象。原因是塑性變形導(dǎo)致位錯密度增加，位錯間相互交截、纏結(jié)，阻礙位錯運動，使變形抗力增大。3.簡述鐵碳合金中碳含量對力學(xué)性能的影響。答：碳含量增加，鋼的強度硬度升高，塑性韌性下降。當(dāng)C<0.9%時，隨C增加，珠光體增多，強度上升；C>0.9%時，二次滲碳體沿晶界析出，形成連續(xù)網(wǎng)狀，強度下降。鑄鐵中碳以石墨形式存在，石墨越多（如灰鑄鐵），塑性韌性越差，但耐磨性提高。4.說明為什么下貝氏體的強韌性優(yōu)于上貝氏體。答：下貝氏體形成于中溫區(qū)（230℃~350℃），組織為過飽和鐵素體針（α相）內(nèi)分布細小碳化物（ε-Fe3C），針狀鐵素體之間夾角大（約120°），裂紋擴展阻力大；上貝氏體形成于較高溫度（350℃~550℃），組織為平行排列的鐵素體條間分布不連續(xù)碳化物，呈羽毛狀，鐵素體條間結(jié)合力弱，裂紋易沿條間擴展，故下貝氏體強韌性更優(yōu)。（四）計算題（10分）已知面心立方（FCC）晶體的晶格常數(shù)a=0.361nm，計算其(111)晶面的晶面間距d???。解：FCC晶體的晶面間距公式為：d???=a/√(h2+k2+l2)對于(111)晶面，h=1，k=1，l=1，代入得：d???=0.361nm/√(12+12+12)=0.361nm/√3≈0.208nm三、模擬試卷及答案（一）單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列晶體結(jié)構(gòu)中，原子配位數(shù)為8的是（）A.FCCB.BCCC.HCPD.簡單立方答案：B（BCC配位數(shù)8，F(xiàn)CC和HCP配位數(shù)12，簡單立方配位數(shù)6）2.下列性能中，屬于材料工藝性能的是（）A.強度B.焊接性C.硬度D.耐腐蝕性答案：B（工藝性能指材料加工成零件的難易程度，如鑄造性、焊接性、切削性）3.鋼的淬透性主要取決于（）A.含碳量B.合金元素C.冷卻介質(zhì)D.工件尺寸答案：B（淬透性是鋼的固有屬性，取決于臨界冷卻速度，合金元素（如Cr、Mn）可降低臨界冷卻速度，提高淬透性）4.下列材料中，適合制造彈簧的是（）A.Q235B.T10C.60Si2MnD.20CrMnTi答案：C（60Si2Mn為彈簧鋼，中溫回火后具有良好彈性）5.陶瓷材料的主要結(jié)合鍵是（）A.金屬鍵B.共價鍵C.分子鍵D.離子鍵+共價鍵答案：D（陶瓷多為離子鍵（如NaCl）或共價鍵（如SiC）結(jié)合，或兩者混合）（二）多項選擇題（每題3分，共15分）1.下列屬于晶體缺陷的有（）A.空位B.位錯C.晶