2025年工程材料試題和答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.下列金屬晶體結(jié)構(gòu)中，屬于面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的是：A.α-Fe（912℃以下）B.γ-Fe（912-1394℃）C.δ-Fe（1394℃以上）D.純鎂（Mg）2.某鋼件經(jīng)850℃奧氏體化后，分別采用水淬和油淬，水淬后硬度更高的主要原因是：A.水的冷卻速度更快，形成更多馬氏體B.油的冷卻速度更慢，形成更多珠光體C.水淬時(shí)奧氏體更穩(wěn)定D.油淬時(shí)碳原子擴(kuò)散更充分3.高分子材料中，通過(guò)加聚反應(yīng)合成的典型材料是：A.尼龍-66（聚酰胺）B.聚乙烯（PE）C.酚醛樹脂（PF）D.環(huán)氧樹脂（EP）4.陶瓷材料的本征脆性主要源于：A.共價(jià)鍵和離子鍵的高方向性與強(qiáng)結(jié)合力B.內(nèi)部存在大量位錯(cuò)C.熱膨脹系數(shù)過(guò)大D.孔隙率過(guò)高5.下列復(fù)合材料中，屬于顆粒增強(qiáng)型的是：A.碳纖維/環(huán)氧樹脂（CFRP）B.碳化硅顆粒/鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）C.玻璃纖維/聚酯（GFRP）D.硼纖維/鈦基復(fù)合材料（Bf/Ti）6.衡量材料抵抗沖擊載荷能力的指標(biāo)是：A.抗拉強(qiáng)度（σb）B.屈服強(qiáng)度（σs）C.沖擊韌性（ak）D.疲勞強(qiáng)度（σ-1）7.鋁合金中添加Mg元素的主要目的是：A.提高耐蝕性B.細(xì)化晶粒C.固溶強(qiáng)化D.降低密度8.玻璃的結(jié)構(gòu)特征是：A.長(zhǎng)程有序、短程無(wú)序B.長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序C.長(zhǎng)程和短程均有序D.長(zhǎng)程和短程均無(wú)序9.塑料按熱行為分類時(shí)，不屬于熱固性塑料的是：A.聚氨酯（PU）B.聚氯乙烯（PVC）C.不飽和聚酯（UP）D.有機(jī)硅樹脂（SI）10.材料在循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生失效的主要形式是：A.韌性斷裂B.脆性斷裂C.疲勞斷裂D.蠕變斷裂二、填空題（每空1分，共20分）1.鐵碳合金中，室溫下的基本相為______和______，其中______是碳在α-Fe中的間隙固溶體。2.鋼的熱處理工藝中，完全退火的加熱溫度通常為Ac3以上______℃，其主要目的是______、消除內(nèi)應(yīng)力和細(xì)化晶粒。3.高分子材料的力學(xué)狀態(tài)隨溫度變化可分為______、高彈態(tài)和粘流態(tài)，其中______是塑料的使用狀態(tài)。4.陶瓷材料的強(qiáng)化方式主要包括______、相變?cè)鲰g和______，其中氧化鋯（ZrO2）陶瓷常用______增韌。5.復(fù)合材料的性能取決于______、增強(qiáng)相的性能及其______，以及二者之間的______結(jié)合強(qiáng)度。6.金屬的塑性變形主要通過(guò)______和孿生兩種方式進(jìn)行，其中______是常溫下最主要的變形機(jī)制。7.鋁合金按加工方式分為______鋁合金和______鋁合金，其中______鋁合金可通過(guò)熱處理強(qiáng)化。8.材料的耐蝕性主要與______、介質(zhì)性質(zhì)和______有關(guān)，不銹鋼的耐蝕性源于表面形成的______氧化膜。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.比較灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵的組織與性能差異，并說(shuō)明球墨鑄鐵在工程中更廣泛應(yīng)用的原因。2.簡(jiǎn)述淬火加回火（調(diào)質(zhì)處理）的工藝過(guò)程及其對(duì)鋼性能的影響。為什么不能直接使用淬火態(tài)鋼？3.解釋“陶瓷材料的強(qiáng)度理論值遠(yuǎn)高于實(shí)際值”的現(xiàn)象，并說(shuō)明提高陶瓷實(shí)際強(qiáng)度的主要措施。4.分析高分子材料老化的主要機(jī)理（至少3種），并列舉2種防止或延緩老化的方法。5.說(shuō)明復(fù)合材料中“界面”的作用，并舉例說(shuō)明界面設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料性能的影響（如碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料）。四、綜合分析題（每題10分，共20分）1.某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞需在高溫（300-500℃）、高壓（5-15MPa）和周期性沖擊載荷下工作，需具備高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)和足夠的高溫強(qiáng)度。現(xiàn)有鋁合金（如Al-Si合金）、鈦合金（如Ti-6Al-4V）和高溫合金（如Inconel718）三種候選材料，試從材料性能、成本和工藝適應(yīng)性角度分析，哪種材料更適合作為活塞材料？并說(shuō)明理由。2.某橋梁用Q345鋼（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）在使用5年后出現(xiàn)裂紋，經(jīng)檢測(cè)裂紋源區(qū)存在Cl-富集，且裂紋呈沿晶擴(kuò)展特征。結(jié)合材料學(xué)知識(shí)，分析該裂紋的可能類型及形成原因，并提出預(yù)防措施。答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.A3.B4.A5.B6.C7.C8.B9.B10.C二、填空題1.鐵素體（F）、滲碳體（Fe3C）、鐵素體2.30-50、降低硬度改善切削性能3.玻璃態(tài)、玻璃態(tài)4.顆粒增強(qiáng)、纖維增韌、相變5.基體性能、分布狀態(tài)、界面6.滑移、滑移7.變形、鑄造、變形8.材料本身性質(zhì)、環(huán)境溫度、致密鈍化三、簡(jiǎn)答題1.組織差異：灰鑄鐵石墨呈片狀，球墨鑄鐵呈球狀，可鍛鑄鐵呈團(tuán)絮狀。性能差異：灰鑄鐵脆性大、強(qiáng)度低；球墨鑄鐵因石墨球化減少應(yīng)力集中，強(qiáng)度、塑性接近鋼；可鍛鑄鐵塑性較好但不可鍛造。球墨鑄鐵應(yīng)用廣的原因：綜合力學(xué)性能優(yōu)異（抗拉強(qiáng)度可達(dá)600MPa以上，延伸率2%-18%）、成本低于鋼、鑄造性能好，可替代部分鑄鋼用于齒輪、曲軸等關(guān)鍵部件。2.工藝過(guò)程：將鋼加熱至Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上30-50℃奧氏體化，快速冷卻（水或油淬）得到馬氏體，再加熱至150-650℃回火。影響：淬火使鋼獲得高硬度（如T10鋼淬火硬度HRC62-65），但脆性大；回火通過(guò)馬氏體分解、碳化物析出，調(diào)整硬度與韌性（如45鋼調(diào)質(zhì)后硬度HRC25-35，綜合性能良好）。不能直接使用淬火態(tài)鋼的原因：內(nèi)應(yīng)力大易變形開裂，脆性高（如T8鋼淬火態(tài)沖擊韌性僅5-10J/cm2），無(wú)法滿足多數(shù)工程對(duì)強(qiáng)韌性的要求。3.現(xiàn)象原因：陶瓷理論強(qiáng)度基于原子鍵合力（約E/10，E為彈性模量），但實(shí)際存在大量微裂紋（如表面加工缺陷、內(nèi)部氣孔），裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中（σmax=2σ√(a/ρ)），導(dǎo)致實(shí)際強(qiáng)度僅為理論值的1/100-1/1000（如Al2O3理論強(qiáng)度約35GPa，實(shí)際僅200-300MPa）。提高措施：減少內(nèi)部缺陷（如熱壓燒結(jié)降低孔隙率）、表面強(qiáng)化（如化學(xué)氣相沉積涂層封閉表面裂紋）、引入增韌機(jī)制（如ZrO2相變?cè)鲰g使斷裂韌性從3MPa·m1/2提升至12MPa·m1/2）。4.老化機(jī)理：①熱氧老化：高分子鏈在熱和氧作用下發(fā)生氧化斷鏈（如聚乙烯在100℃以上氧化速率顯著加快）；②光老化：紫外線引發(fā)分子鏈斷裂（如聚丙烯對(duì)紫外光敏感，戶外使用6個(gè)月拉伸強(qiáng)度下降50%）；③水解老化：極性高分子（如聚酯）在水和酸/堿作用下發(fā)生酯鍵斷裂。防老化方法：添加穩(wěn)定劑（如受阻酚類抗氧劑1010、紫外線吸收劑UV-531）、表面涂層（如丙烯酸樹脂涂覆隔絕氧和光）。5.界面作用：傳遞載荷（基體通過(guò)界面將應(yīng)力傳遞給增強(qiáng)相）、保護(hù)增強(qiáng)相（防止增強(qiáng)相受環(huán)境侵蝕）、協(xié)調(diào)變形（緩解基體與增強(qiáng)相熱膨脹差異引起的內(nèi)應(yīng)力）。以CFRP為例，界面設(shè)計(jì)需控制結(jié)合強(qiáng)度：弱界面（如未處理碳纖維）導(dǎo)致載荷傳遞效率低，復(fù)合材料強(qiáng)度僅為理論值的30%-50%；強(qiáng)界面（如碳纖維表面氧化處理增加羥基，與環(huán)氧樹脂形成共價(jià)鍵）可使界面剪切強(qiáng)度從10MPa提升至50MPa，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度提高至2000MPa以上（未處理時(shí)約1200MPa），但過(guò)強(qiáng)界面會(huì)導(dǎo)致裂紋直接穿過(guò)增強(qiáng)相，降低斷裂韌性。四、綜合分析題1.鋁合金更適合。理由：①性能：Al-Si合金導(dǎo)熱系數(shù)約160-180W/(m·K)（鈦合金約7-25W/(m·K)，高溫合金約15-30W/(m·K)），滿足高導(dǎo)熱需求；線膨脹系數(shù)約22×10??/℃（鈦合金約9×10??/℃，高溫合金約12×10??/℃）雖較高，但通過(guò)添加Si（如Al-12Si合金）可降至18×10??/℃，接近鑄鐵；高溫強(qiáng)度方面，Al-Si合金（如A356-T6）500℃抗拉強(qiáng)度約80-100MPa（鈦合金500℃約500MPa，高溫合金約800MPa），但活塞實(shí)際工作溫度多在300-400℃（此溫度下Al-Si合金強(qiáng)度仍可達(dá)120-150MPa），足夠承受工作壓力。②成本：鋁合金密度約2.7g/cm3（鈦合金4.5g/cm3，高溫合金8.2g/cm3），輕量化優(yōu)勢(shì)顯著（活塞減重可降低發(fā)動(dòng)機(jī)慣性力），且原料成本僅為鈦合金的1/5、高溫合金的1/10。③工藝：鋁合金鑄造性能優(yōu)異（流動(dòng)性好、收縮率?。?，適合批量生產(chǎn)復(fù)雜形狀活塞（如帶內(nèi)冷油道結(jié)構(gòu)），而鈦合金鑄造易吸氣脆化，高溫合金需精密鑄造或鍛造，工藝成本高。2.裂紋類型：應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。形成原因：①材料因素：Q345鋼含Mn（1.4-1.8%）、Si（0.2-0.5%）等元素，雖提高強(qiáng)度但增加了晶界敏感性；②環(huán)境因素：Cl?（如除冰鹽、海洋大氣）破壞表面鈍化膜（Fe3O4），形成點(diǎn)