(2025年)工程材料學(xué)期末考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.下列關(guān)于晶體與非晶體的描述中，錯(cuò)誤的是（）A.晶體具有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，非晶體僅短程有序B.晶體的熔點(diǎn)明確，非晶體表現(xiàn)為軟化溫度范圍C.金屬冷卻時(shí)若凝固速率極快可能形成非晶態(tài)D.所有陶瓷材料均為晶體結(jié)構(gòu)答案：D（部分陶瓷如玻璃為非晶態(tài)）2.面心立方（FCC）金屬的致密度為（）A.0.68B.0.74C.0.52D.0.82答案：B（FCC致密度為√2π/6≈0.74）3.位錯(cuò)的柏氏矢量（b）與位錯(cuò)線（t）垂直時(shí)，該位錯(cuò)為（）A.刃型位錯(cuò)B.螺型位錯(cuò)C.混合位錯(cuò)D.肖克萊不全位錯(cuò)答案：A（刃型位錯(cuò)b⊥t，螺型位錯(cuò)b∥t）4.下列強(qiáng)化機(jī)制中，僅適用于金屬材料的是（）A.固溶強(qiáng)化B.細(xì)晶強(qiáng)化C.第二相強(qiáng)化D.形變強(qiáng)化答案：D（高分子的冷拉強(qiáng)化本質(zhì)不同，陶瓷難以塑性變形）5.45鋼（含碳量0.45%）經(jīng)840℃奧氏體化后，水淬得到的組織是（）A.珠光體B.貝氏體C.馬氏體D.索氏體答案：C（水淬為快速冷卻，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體）6.下列陶瓷中，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷的是（）A.壓電陶瓷（PbZrTiO3）B.氧化鋁陶瓷（Al2O3）C.鐵氧體陶瓷（Fe3O4基）D.超導(dǎo)陶瓷（YBa2Cu3O7）答案：B（結(jié)構(gòu)陶瓷側(cè)重力學(xué)性能，其他為功能陶瓷）7.高分子材料的粘流溫度（Tf）是（）A.玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度B.高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度C.結(jié)晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度D.熱分解的起始溫度答案：B（Tf為高彈態(tài)與粘流態(tài)分界，Tg為玻璃態(tài)與高彈態(tài)分界）8.下列復(fù)合材料中，屬于顆粒增強(qiáng)型的是（）A.碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂（CFRP）B.碳化硅顆粒/鋁基（SiCp/Al）C.玻璃纖維/聚酯（GFRP）D.硼纖維/鈦基（Bf/Ti）答案：B（顆粒增強(qiáng)為微米級(jí)顆粒，纖維增強(qiáng)為長(zhǎng)徑比大的纖維）9.衡量材料抵抗沖擊載荷能力的指標(biāo)是（）A.抗拉強(qiáng)度B.硬度C.沖擊韌性D.疲勞強(qiáng)度答案：C（沖擊韌性通過(guò)沖擊試驗(yàn)測(cè)定，單位J/cm2）10.下列鋁合金中，屬于變形鋁合金的是（）A.ZL101（Al-Si系鑄造合金）B.2A12（硬鋁）C.ZL201（Al-Cu系鑄造合金）D.ZL301（Al-Mg系鑄造合金）答案：B（變形鋁合金牌號(hào)以“2XXX”“5XXX”等表示，鑄造合金以“ZL”開(kāi)頭）11.鐵碳合金中，共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是（）A.珠光體（P）B.萊氏體（Ld）C.鐵素體（F）D.奧氏體（A）答案：B（共晶反應(yīng)：L→A+Fe3C，產(chǎn)物為萊氏體）12.下列熱處理工藝中，目的為消除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸的是（）A.完全退火B(yǎng).球化退火C.去應(yīng)力退火D.正火答案：C（去應(yīng)力退火加熱至Ac1以下，主要消除殘余應(yīng)力）13.陶瓷材料的主要結(jié)合鍵是（）A.金屬鍵B.離子鍵和共價(jià)鍵C.分子間力D.氫鍵答案：B（陶瓷多為金屬氧化物、碳化物等，以離子鍵或共價(jià)鍵為主）14.高分子的“老化”現(xiàn)象主要是由于（）A.分子鏈斷裂或交聯(lián)B.結(jié)晶度降低C.分子量分布變窄D.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高答案：A（老化表現(xiàn)為力學(xué)性能下降，源于分子鏈降解或交聯(lián)）15.下列關(guān)于材料斷裂的描述中，正確的是（）A.脆性斷裂無(wú)明顯塑性變形，斷口平齊B.韌性斷裂起源于裂紋尖端的解理面C.疲勞斷裂僅發(fā)生在交變應(yīng)力幅值高于抗拉強(qiáng)度時(shí)D.應(yīng)力腐蝕斷裂與環(huán)境無(wú)關(guān)答案：A（脆性斷裂斷口呈結(jié)晶狀，韌性斷裂有縮頸，疲勞斷裂需交變應(yīng)力，應(yīng)力腐蝕與介質(zhì)有關(guān)）二、填空題（每空1分，共15分）1.純鐵在912℃以下的晶體結(jié)構(gòu)為_(kāi)_____（填“體心立方”或“面心立方”），稱為α-Fe；在912~1394℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)開(kāi)_____，稱為γ-Fe。答案：體心立方；面心立方2.金屬的塑性變形主要通過(guò)______的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)阻力增大將導(dǎo)致材料______（填“強(qiáng)化”或“軟化”）。答案：位錯(cuò)；強(qiáng)化3.鋼的淬透性主要取決于______，而淬硬性主要取決于______。答案：臨界冷卻速度（或合金元素含量）；含碳量4.陶瓷的組織結(jié)構(gòu)通常由______、______和氣相組成，其中______是決定性能的主要相。答案：晶相；玻璃相；晶相5.高分子的結(jié)構(gòu)分為_(kāi)_____結(jié)構(gòu)（鏈結(jié)構(gòu)）和______結(jié)構(gòu)（聚集態(tài)結(jié)構(gòu)），其中______結(jié)構(gòu)包括晶態(tài)、非晶態(tài)、取向態(tài)等。答案：一級(jí)（或分子）；二級(jí)（或凝聚態(tài)）；二級(jí)6.復(fù)合材料的性能取決于______、______以及二者的界面結(jié)合狀態(tài)，其設(shè)計(jì)遵循“______”原則。答案：增強(qiáng)相；基體相；性能互補(bǔ)三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述固溶強(qiáng)化的機(jī)制及影響因素。答案：固溶強(qiáng)化是通過(guò)溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格形成固溶體，使晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力的強(qiáng)化方式。機(jī)制：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)發(fā)生彈性交互作用（如柯氏氣團(tuán)）、化學(xué)交互作用（如鈴木氣團(tuán)）或靜電交互作用，阻礙位錯(cuò)滑移。影響因素：溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差（尺寸差越大，畸變?cè)酱螅?、溶質(zhì)原子濃度（濃度增加，強(qiáng)化效果先增后減）、溶質(zhì)原子與溶劑的化學(xué)鍵差異（共價(jià)鍵差異大則強(qiáng)化更顯著）。2.比較退火與正火的工藝及目的差異。答案：工藝差異：退火加熱后緩慢冷卻（爐冷），正火加熱后空冷（冷卻速度更快）。目的差異：退火主要用于消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度（完全退火）、改善切削性能（球化退火）或使組織均勻（擴(kuò)散退火）；正火用于提高低碳鋼強(qiáng)度（代替退火）、細(xì)化晶粒（比退火更有效）、消除網(wǎng)狀碳化物（對(duì)過(guò)共析鋼），且生產(chǎn)周期短、成本低。3.為什么陶瓷材料通常表現(xiàn)出高硬度但低塑性？答案：陶瓷的結(jié)合鍵以離子鍵和共價(jià)鍵為主，離子鍵要求電荷平衡（滑移時(shí)易產(chǎn)生電荷斥力），共價(jià)鍵具有方向性和飽和性（位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)），因此位錯(cuò)滑移阻力極大，塑性變形困難，表現(xiàn)為低塑性。同時(shí)，離子鍵和共價(jià)鍵的鍵能高，原子結(jié)合緊密，晶格畸變所需能量大，因此硬度高（如Al2O3硬度達(dá)HV2000以上）。4.說(shuō)明高分子材料的粘彈性及其表現(xiàn)形式。答案：粘彈性是高分子同時(shí)具有粘性（液體特性）和彈性（固體特性）的性質(zhì)。表現(xiàn)形式：①蠕變：恒定應(yīng)力下應(yīng)變隨時(shí)間增加（如塑料長(zhǎng)期受載變形）；②應(yīng)力松弛：恒定應(yīng)變下應(yīng)力隨時(shí)間減?。ㄈ缦鹌そ罟潭ɡL(zhǎng)后張力下降）；③滯后現(xiàn)象：交變應(yīng)力下應(yīng)變滯后于應(yīng)力（如輪胎滾動(dòng)時(shí)生熱）；④內(nèi)耗：上述過(guò)程中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象。5.分析鋁合金時(shí)效強(qiáng)化（沉淀強(qiáng)化）的基本過(guò)程。答案：時(shí)效強(qiáng)化通過(guò)過(guò)飽和固溶體的脫溶沉淀實(shí)現(xiàn)，過(guò)程分為：①形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)（GP區(qū)）：銅原子在鋁基體中有序偏聚，與基體共格，引起晶格畸變；②形成過(guò)渡相（如θ''相）：仍與基體共格，但有序度更高，畸變更大；③形成中間相（如θ'相）：部分共格，畸變更顯著；④形成平衡相（如θ相，Al2Cu）：與基體非共格，界面能低，強(qiáng)化效果下降。其中，過(guò)渡相階段（θ''和θ'）因共格畸變對(duì)位錯(cuò)阻礙最大，強(qiáng)化效果最佳。四、分析題（每題10分，共20分）1.某汽車變速箱齒輪（工作條件：承受循環(huán)接觸應(yīng)力、沖擊載荷，要求表面高硬度、心部良好韌性），請(qǐng)選擇材料并設(shè)計(jì)熱處理工藝，說(shuō)明理由。答案：材料選擇：20CrMnTi（低合金滲碳鋼）。理由：含碳量低（0.17%~0.23%）保證心部韌性；Cr、Mn提高淬透性，Ti阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大（細(xì)化晶粒）。熱處理工藝設(shè)計(jì)：①滲碳：900~950℃氣體滲碳，使表層含碳量增至0.8%~1.0%；②淬火：830~860℃油淬（表層高碳奧氏體→馬氏體，心部低碳奧氏體→低碳馬氏體或托氏體，保持韌性）；③低溫回火：180~200℃回火（消除淬火應(yīng)力，表層獲得回火馬氏體+殘余奧氏體，硬度HRC58~62，心部獲得回火低碳馬氏體+屈氏體，強(qiáng)韌性好）；④噴丸處理（可選）：提高表面壓應(yīng)力，改善疲勞性能。2.某廠生產(chǎn)的黃銅（Cu-Zn合金）零件在潮濕大氣中使用3個(gè)月后出現(xiàn)沿晶斷裂，分析可能的失效原因及預(yù)防措施。答案：失效原因：應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）。黃銅在含氨或潮濕大氣中（含Cl?、O2），若存在殘余應(yīng)力（如冷加工未退火），會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。沿晶斷裂是SCC的典型特征，裂紋沿晶界擴(kuò)展，因晶界是溶質(zhì)原子或雜質(zhì)偏聚區(qū)，易優(yōu)先腐蝕。預(yù)防措施：①降低或消除殘余應(yīng)力：進(jìn)行去應(yīng)力退火（250~300℃保溫）；②調(diào)整合金成分：加入Sn、Al等元素（如HAl77-2鋁黃銅），提高耐蝕性；③表面處理：鍍錫或涂覆防護(hù)層，隔絕腐蝕介質(zhì)；④控制使用環(huán)境：減少氨、Cl?等介質(zhì)接觸，保持干燥。五、論述題（15分）論述“材料成分-結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用”的內(nèi)在聯(lián)系，并以鋼鐵材料為例說(shuō)明。答案：材料的成分（化學(xué)組成）決定其原子或分子的結(jié)合方式（鍵合類型），進(jìn)而影響微觀結(jié)構(gòu)（如晶體結(jié)構(gòu)、相組成、缺陷分布），微觀結(jié)構(gòu)直接決定宏觀性能（力學(xué)、物理、化學(xué)性能），最終性能決定其工程應(yīng)用。以鋼鐵材料為例：①成分：含碳量是鋼的關(guān)鍵成分，如Q235（C≤0.22%）為低碳鋼，T12（C=1.2%）為高碳鋼；合金元素（如Cr、Ni、Mo）改變相變行為和性能。②結(jié)構(gòu)：含碳量影響平衡組織，0.77%為共析鋼（組織為珠光體），<0.77%為亞共析鋼（F+P），>0.77%為過(guò)共析鋼（P+Fe3CⅡ）；熱處理改變亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（如淬火得到馬氏體）。③性能