(2025年)工程材料學學期期末考試試題與詳解答案解析一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種晶體缺陷屬于線缺陷？A.肖特基缺陷B.刃型位錯C.晶界D.層錯答案：B解析：線缺陷的特征是在一維方向上延伸，刃型位錯和螺型位錯均屬于線缺陷；肖特基缺陷（原子空位）是點缺陷，晶界和層錯是面缺陷。2.某鋁合金經固溶處理后進行時效強化，其強化機制主要為？A.固溶強化B.細晶強化C.沉淀強化D.彌散強化答案：C解析：固溶處理后形成過飽和固溶體，時效過程中析出細小彌散的第二相粒子，阻礙位錯運動，屬于沉淀強化（析出強化）；彌散強化通常指第二相在高溫下不溶解的情況。3.陶瓷材料的主要結合鍵是？A.金屬鍵B.離子鍵與共價鍵C.分子間作用力D.氫鍵答案：B解析：陶瓷的組成多為金屬氧化物、碳化物等，以離子鍵（如MgO）或共價鍵（如SiC）為主；金屬鍵為金屬材料特征，分子間作用力為高分子材料特征。4.下列高分子材料中，屬于熱固性塑料的是？A.聚乙烯（PE）B.聚氯乙烯（PVC）C.環(huán)氧樹脂（EP）D.聚丙烯（PP）答案：C解析：熱固性塑料加熱固化后不可再熔融，環(huán)氧樹脂交聯(lián)后形成三維網狀結構；PE、PVC、PP為熱塑性塑料，加熱可重新成型。5.鋼的正火處理是指？A.加熱到Ac3以上30-50℃，保溫后爐冷B.加熱到Ac3以上30-50℃，保溫后空冷C.加熱到Ac1以下，保溫后水冷D.加熱到Ac1以上，保溫后油冷答案：B解析：正火的加熱溫度為Ac3（亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）以上30-50℃，冷卻方式為空氣冷卻，比退火冷卻速度快，得到較細的珠光體組織。6.納米晶金屬材料的強度高于粗晶材料，主要原因是？A.晶界數(shù)量減少，位錯運動阻力降低B.晶界數(shù)量增加，位錯運動阻力增大C.晶粒內部缺陷密度降低D.原子間結合力增強答案：B解析：根據霍爾-佩奇關系，材料強度與晶粒尺寸的平方根成反比；納米晶材料晶粒細小，晶界多，位錯運動需跨越更多晶界，阻力增大，強度提高。7.下列哪種復合材料屬于纖維增強復合材料？A.顆粒增強鋁基復合材料（SiC顆粒/Al）B.碳纖維增強環(huán)氧樹脂（CFRP）C.鋼纖維增強混凝土（SFRC）D.氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）答案：B解析：纖維增強復合材料以連續(xù)或短切纖維為增強體，CFRP中碳纖維為增強相；顆粒增強以顆粒為增強體（如SiC顆粒），鋼纖維增強混凝土雖含纖維，但通常歸類為建筑復合材料，ZTA為相變增韌陶瓷，屬顆粒/晶須增韌。8.純鐵在912℃發(fā)生α-Fe（體心立方）向γ-Fe（面心立方）的轉變，該轉變屬于？A.同素異構轉變B.共晶轉變C.包晶轉變D.共析轉變答案：A解析：同素異構轉變指同一元素在不同溫度下晶體結構的變化，純鐵的α-γ轉變是典型的同素異構轉變；共晶、包晶、共析轉變涉及多組元合金的相變。9.衡量材料抵抗沖擊載荷能力的指標是？A.硬度B.韌性C.強度D.塑性答案：B解析：韌性是材料在斷裂前吸收能量的能力，常用沖擊吸收功（AKU、AKV）表示；硬度是抵抗局部變形的能力，強度是抵抗斷裂或塑性變形的能力，塑性是斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。10.以下哪種工藝可用于改善鋁合金的鑄造性能？A.變質處理B.時效處理C.冷變形D.表面滲碳答案：A解析：變質處理通過添加變質劑（如鈉鹽）細化鋁合金的共晶硅組織，改善流動性和鑄造性能；時效處理用于強化，冷變形提高強度但降低塑性，滲碳用于鋼的表面強化。二、填空題（每空1分，共15分）1.晶體的基本特征是具有（周期性排列）和（各向異性）。2.金屬的塑性變形主要通過（位錯滑移）和（孿生）兩種方式進行。3.鋼的淬透性主要取決于（臨界冷卻速度），而淬硬性主要取決于（含碳量）。4.高分子材料的三種力學狀態(tài)為（玻璃態(tài)）、（高彈態(tài)）和（粘流態(tài)）。5.陶瓷材料的主要失效形式是（脆性斷裂），其斷裂韌性KIC的單位是（MPa·m1/2）。6.復合材料的界面作用包括（傳遞載荷）、（阻斷裂紋擴展）和（調節(jié)性能）。7.鋁合金按加工方式分為（變形鋁合金）和（鑄造鋁合金）兩大類。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述固溶強化的機制及影響因素。答：固溶強化是通過溶質原子溶入溶劑晶格形成固溶體，使晶格畸變，阻礙位錯運動，從而提高材料強度的方法。影響因素包括：（1）溶質原子與溶劑原子的尺寸差異（尺寸差越大，晶格畸變越嚴重，強化效果越好）；（2）溶質原子的濃度（濃度增加，畸變區(qū)重疊，強化效果先增后減，過高濃度可能導致第二相析出）；（3）溶質原子與溶劑的化學鍵結合強度（共價鍵或離子鍵結合時，位錯運動阻力更大）；（4）溫度（溫度升高，原子熱運動加劇，溶質原子對位錯的釘扎作用減弱，強化效果降低）。2.比較退火與正火的工藝區(qū)別及組織性能差異。答：工藝區(qū)別：退火加熱后緩冷（爐冷），正火加熱后空冷（冷卻速度更快）。組織差異：亞共析鋼退火得到鐵素體+珠光體（珠光體含量較少），正火得到鐵素體+細珠光體（珠光體含量較多、片層更細）；過共析鋼退火得到珠光體+網狀二次滲碳體，正火因冷卻快抑制二次滲碳體析出，得到珠光體（可能含少量索氏體）。性能差異：正火后材料強度、硬度高于退火（因組織更細），塑性略低；退火用于消除內應力、改善切削性能，正火用于提高強度或作為預處理替代部分退火工藝（成本更低）。3.解釋為什么陶瓷材料通常表現(xiàn)出高硬度但低塑性。答：陶瓷材料的結合鍵以離子鍵和共價鍵為主，離子鍵要求電荷平衡，共價鍵具有方向性和飽和性，導致位錯滑移所需的臨界分切應力極高（位錯難以啟動）。此外，陶瓷晶體結構復雜（如氧化物的密堆積結構），滑移系少（通常只有1-2個獨立滑移系），無法通過位錯運動協(xié)調塑性變形。同時，陶瓷內部存在大量微裂紋（源于制備過程中的應力或氣孔），在載荷作用下裂紋易快速擴展導致脆性斷裂。因此，陶瓷表現(xiàn)出高硬度（原子結合力強）但低塑性（位錯難滑移、裂紋易擴展）。4.分析高分子材料的分子量對其性能的影響。答：分子量對高分子材料性能的影響主要體現(xiàn)在：（1）力學性能：分子量較低時，分子鏈間作用力弱，材料強度、韌性低；隨分子量增加，分子鏈纏結增多，強度、韌性提高（如聚乙烯分子量從1萬增至100萬，拉伸強度從5MPa增至30MPa）；但分子量過高（超過臨界分子量），纏結過度，加工流動性下降。（2）熱性能：分子量增加，分子鏈運動阻力增大，玻璃化轉變溫度（Tg）和熔點（Tm）升高（如聚酰胺-6分子量增大，Tm從215℃升至225℃）。（3）加工性能：分子量過高時，熔體粘度顯著增加，需要更高的加工溫度或壓力；分子量過低時，熔體易流動但制品力學性能差。5.說明復合材料“可設計性”的具體體現(xiàn)。答：復合材料的可設計性體現(xiàn)在：（1）組元設計：選擇增強體（如碳纖維、玻璃纖維）和基體（如樹脂、金屬）的類型，匹配兩者的物理化學性質（如熱膨脹系數(shù)、界面結合強度）。（2）結構設計：控制增強體的形態(tài)（連續(xù)纖維、短纖維、顆粒）、排列方向（單向、多向）和體積分數(shù)（如碳纖維體積分數(shù)30%-70%），以獲得特定方向的力學性能（如單向纖維復合材料在纖維方向強度可達2000MPa，垂直方向僅50MPa）。（3）性能設計：通過調整組元和結構，實現(xiàn)多功能性（如C/C復合材料兼具高比強、耐高溫和抗燒蝕性能）；或針對特定環(huán)境（如耐腐蝕、電磁屏蔽）設計界面層（如在玻璃纖維表面涂覆偶聯(lián)劑改善與樹脂的結合）。四、分析題（每題10分，共20分）1.某汽車齒輪使用20CrMnTi鋼制造，要求表面高硬度（58-62HRC）、心部良好韌性（沖擊功≥40J）。請設計其熱處理工藝，并解釋各步驟的作用。答：熱處理工藝設計：（1）預備熱處理：正火（加熱至Ac3+30-50℃，約920-940℃，空冷），細化晶粒，消除鍛造應力，改善切削性能，得到均勻的鐵素體+珠光體組織。（2）滲碳處理：在900-930℃滲碳爐中通入富碳氣氛（如甲烷），保溫4-6小時，使表層含碳量增至0.8-1.0%，形成從表面到心部的碳濃度梯度（表層高碳，心部低碳）。（3）淬火：滲碳后預冷至830-850℃（略高于心部Ac3，低于表層Accm），油冷淬火。表層高碳鋼發(fā)生馬氏體轉變（獲得高硬度），心部低碳鋼發(fā)生馬氏體+鐵素體轉變（保留韌性）。（4）低溫回火：180-200℃保溫2-3小時，消除淬火應力，穩(wěn)定組織，表層馬氏體轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體（保持高硬度），心部回火馬氏體+鐵素體提高韌性。作用解析：正火保證加工性能；滲碳提高表層含碳量，為淬火后高硬度奠定基礎；淬火使表層形成高硬度馬氏體，心部形成低碳馬氏體（強韌性好）；低溫回火消除應力，防止變形開裂，同時保持硬度。2.某鋁合金鑄件在使用中出現(xiàn)脆性斷裂，斷口觀察發(fā)現(xiàn)大量沿晶裂紋和未熔合的氣孔。分析可能的原因及改進措施。答：可能原因：（1）鑄造工藝不當：澆注溫度過低，熔體流動性差，導致氣孔（氣體未及時排出）和未熔合（金屬液充型不完整）；冷卻速度過快，鑄件內部應力集中，引發(fā)沿晶裂紋。（2）合金成分問題：硅含量過高（>13%）或雜質（如鐵、鈉）含量超標，導致晶界處形成脆性相（如Al-Fe-Si化合物），降低晶界結合力。（3）熱處理不當：固溶處理溫度過高或時間過長，導致晶粒粗化，晶界弱化；時效溫度過高，析出粗大第二相，沿晶分布，成為裂紋源。改進措施：（1）優(yōu)化鑄造工藝：提高澆注溫度（如從680℃升至720℃），增加熔體流動性；采用真空鑄造或低壓鑄造，減少氣孔；控制冷卻速度（如使用金屬型+涂料），避免應力集中。（2）調整合金成分：降低雜質含量（Fe<0.5%，Na<0.005%），添加變質劑（如0.02%Sr）細化共晶硅，改善晶界結構。（3）優(yōu)化熱處理：固溶處理溫度控制在500-540℃（避免過燒），時間2-4小時；時效溫度150-180℃，時間6-8小時，使第二相細小彌散析出，增強晶界強度。五、綜合題（15分）針對新能源汽車電池包輕量化需求，需選擇一種外殼材料，要求：密度≤2.8g/cm3，抗拉強度≥300MPa，斷裂韌性≥20MPa·m1/2，耐腐蝕性良好?，F(xiàn)有候選材料：鋁合金（Al-4Cu-1Mg）、碳纖維增強環(huán)氧樹脂（CFRP，纖維體積分數(shù)60%）、鎂合金（Mg-6Al-1Zn）。（1）對比三種材料的性能是否滿足要求；（2）從加工工藝、成本、可靠性角度推薦最優(yōu)材料，并說明理由。答：（1）性能對比：鋁合金（Al-4Cu-1Mg）：密度2.7g/cm3（≤2.8），抗拉強度約380MPa（≥300），斷裂韌性約35MPa·m1/2（≥20），耐腐蝕性良好（表面可陽極氧化處理），滿足所有要求。CFRP（60%纖維體積分數(shù)）：密度1.6g/cm3（≤2.8），抗拉強度1500MPa（≥300），斷裂韌性約40MPa·m1/2（≥20），耐腐蝕性優(yōu)異（樹脂基體抗化學腐蝕），滿足要求。鎂合金（Mg-6Al-1Zn）：密度1.8g/cm3（≤2.8），抗拉強度約280MPa（略低于300），斷裂韌性約15MPa·m1/2（<20），耐腐蝕性差（易氧化、點蝕），不滿足強度和韌性要求。（2）推薦及理由：推薦鋁合金（Al-4Cu-1Mg）。加工工藝：鋁合金可通過壓鑄或擠壓成型，工藝成熟，生產效率高（如壓鑄節(jié)