2025年哈工大期末試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.面心立方（FCC）晶體中，原子密排面的晶面指數(shù)為（）A.(100)B.(110)C.(111)D.(211)2.以下哪種缺陷屬于線缺陷？（）A.肖特基空位B.弗蘭克位錯環(huán)C.刃型位錯D.晶界3.純鋁在室溫下變形后進行退火，若加熱至再結(jié)晶溫度以上但未達到晶粒長大溫度，其主要組織變化為（）A.回復(fù)B.再結(jié)晶C.晶粒粗化D.二次再結(jié)晶4.碳在α-Fe（體心立方）中的擴散機制主要為（）A.空位擴散B.間隙擴散C.交換擴散D.環(huán)移擴散5.馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特征不包括（）A.無擴散性B.切變共格C.體積收縮D.表面浮凸效應(yīng)6.以下哪種強化機制的強化效果與溫度升高無關(guān)？（）A.固溶強化B.沉淀強化C.細晶強化D.加工硬化7.計算體心立方晶體的致密度時，原子半徑r與晶格常數(shù)a的關(guān)系為（）A.r=a/2B.r=√2a/4C.r=√3a/4D.r=√3a/28.某金屬的臨界分切應(yīng)力為τ?，當(dāng)外力與滑移面法線夾角為60°、與滑移方向夾角為30°時，實際分切應(yīng)力為（）A.0.5σB.(√3/2)σC.(√3/4)σD.σ9.二元共晶合金在共晶反應(yīng)時，其自由度為（）A.0B.1C.2D.310.陶瓷材料的主要斷裂方式為（）A.韌性斷裂B.解理斷裂C.微孔聚集型斷裂D.疲勞斷裂二、填空題（每空1分，共20分）1.晶體的基本特性包括長程有序性、（）和（）。2.位錯的基本類型有（）和（），其中（）位錯的柏氏矢量與位錯線垂直。3.擴散第一定律（菲克第一定律）的數(shù)學(xué)表達式為（），其適用條件是（）。4.純金屬凝固時，均勻形核的臨界形核功ΔG與表面能σ的關(guān)系為（），與過冷度ΔT的關(guān)系為（）（填“正相關(guān)”或“負相關(guān)”）。5.鋁合金的時效強化過程通常包括（）、（）、（）和平衡相析出四個階段。6.鋼的淬透性主要取決于（），而淬硬性主要取決于（）。7.復(fù)合材料的界面結(jié)合類型主要有（）、（）和（）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.比較置換型固溶體與間隙型固溶體的異同點（從溶質(zhì)原子尺寸、固溶度影響因素、擴散機制三方面說明）。2.說明加工硬化的定義及其產(chǎn)生原因，并列舉兩種消除加工硬化的方法。3.分析為什么細晶強化既能提高材料的強度，又能改善其塑性。4.簡述珠光體、貝氏體和馬氏體三種組織的形成條件及微觀形貌特征。5.解釋“上坡擴散”現(xiàn)象，并舉例說明其發(fā)生的原因。四、計算題（每題10分，共20分）1.已知銅的熔點為1356K，其熔化熵ΔS≈13J/(mol·K)，液態(tài)銅的表面能σ=1.4J/m2，原子體積v?=1.18×10?2?m3。若液態(tài)銅過冷至1256K（ΔT=100K），計算其均勻形核的臨界晶核半徑r和臨界形核功ΔG。（提示：ΔG=16πσ3v?2/(3(ΔH?)2)，ΔH?=ΔS·T?）2.某低碳鋼在850℃進行滲碳處理，表面碳濃度保持為1.0wt%，原始碳濃度為0.2wt%。已知碳在奧氏體中的擴散系數(shù)D=2.0×10?11m2/s，要求距表面0.5mm處的碳濃度達到0.5wt%，計算所需滲碳時間。（誤差函數(shù)erf(x)值：erf(0.5)=0.5205，erf(0.6)=0.6039，erf(0.7)=0.6778，erf(0.8)=0.7421）五、綜合分析題（20分）某企業(yè)采用304不銹鋼（Fe-18Cr-8Ni）制造高溫壓力容器，使用一段時間后發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)壁出現(xiàn)沿晶裂紋。經(jīng)檢測，裂紋附近存在Cr元素貧化現(xiàn)象，且裂紋內(nèi)有Cl?富集。結(jié)合材料學(xué)相關(guān)理論，分析裂紋產(chǎn)生的可能原因及預(yù)防措施。答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.C6.C7.C8.A9.A10.B二、填空題1.各向異性；固定熔點（或?qū)ΨQ性）2.刃型位錯；螺型位錯；刃型3.J=-D(dC/dx)；穩(wěn)態(tài)擴散4.ΔG=16πσ3v?2/(3(ΔH?)2)；負相關(guān)5.形成GP區(qū)；形成θ''相；形成θ'相6.奧氏體中的合金元素含量；馬氏體中的碳含量7.機械結(jié)合；物理化學(xué)結(jié)合；擴散結(jié)合三、簡答題1.相同點：均為固溶體，溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格中。不同點：①溶質(zhì)原子尺寸：置換型溶質(zhì)原子與溶劑原子尺寸相近（半徑差＜15%），間隙型溶質(zhì)原子尺寸小（如C、N）；②固溶度影響因素：置換型受原子尺寸、電負性、電子濃度等影響，間隙型受溶劑晶格間隙大小限制；③擴散機制：置換型主要通過空位擴散，間隙型通過間隙擴散。2.加工硬化：材料在塑性變形過程中，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：位錯密度增加，位錯間相互交截、纏結(jié)，阻礙位錯運動。消除方法：再結(jié)晶退火（加熱至再結(jié)晶溫度以上）、完全退火（加熱至Ac3以上后緩慢冷卻）。3.細晶強化的本質(zhì)是晶界阻礙位錯運動。晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大（霍爾-佩奇關(guān)系σs=σ0+kd?1/2），故強度提高。同時，細晶粒中變形更均勻，各晶粒協(xié)調(diào)變形能力強，塑性變形不易集中，因此塑性改善。4.珠光體：共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（A→P），形成于A1以下稍高溫度（約727℃附近），層片狀（鐵素體+滲碳體）；貝氏體：中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（230℃~550℃），分為上貝氏體（羽毛狀，鐵素體條間分布滲碳體）和下貝氏體（針狀，鐵素體內(nèi)彌散碳化物）；馬氏體：無擴散切變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（Ms以下），板條狀（低碳）或針片狀（高碳），內(nèi)部有孿晶或位錯亞結(jié)構(gòu)。5.上坡擴散：溶質(zhì)原子從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)遷移的現(xiàn)象（dC/dx＞0時J＞0）。原因包括：應(yīng)力場作用（如冷變形后空位濃度梯度）、電場作用（離子晶體中）、化學(xué)自由能驅(qū)動（如第二相析出時溶質(zhì)向析出相附近聚集）。例：Al-Cu合金時效時，Cu原子向GP區(qū)聚集，形成濃度梯度與擴散方向相反的上坡擴散。四、計算題1.計算步驟：①ΔH?=ΔS·T?=13J/(mol·K)×1356K=17628J/mol；②臨界晶核半徑r=2σv?/ΔH?·T?/ΔT=2×1.4×1.18×10?2?×1356/(17628×100)=（計算得）約1.67×10??m；③ΔG=16πσ3v?2/(3(ΔH?)2)×(T?/ΔT)2=16π×(1.4)3×(1.18×10?2?)2/(3×(17628)2)×(1356/100)2≈（計算得）約1.23×10?1?J。2.滲碳為非穩(wěn)態(tài)擴散，適用菲克第二定律的誤差函數(shù)解：(Cx-C0)/(Cs-C0)=1-erf(x/(2√(Dt)))代入數(shù)據(jù)：(0.5-0.2)/(1.0-0.2)=0.3/0.8=0.375=1-erf(x/(2√(Dt)))故erf(x/(2√(Dt)))=0.625，查表得x/(2√(Dt))≈0.61（插值法）；x=0.5mm=0.5×10?3m，D=2.0×10?11m2/s，解得t=x2/(4D×(0.61)2)=(0.5×10?3)2/(4×2.0×10?11×0.3721)≈（計算得）約2.7×10?s（約7.5小時）。五、綜合分析題原因分析：①晶間腐蝕：304不銹鋼含Cr，正常情況下Cr與O形成Cr?O?鈍化膜。但高溫下，晶界處C與Cr結(jié)合形成Cr??C?析出，導(dǎo)致晶界附近Cr含量低于12%（鈍化所需最低濃度），形成貧Cr區(qū)，耐蝕性下降。②Cl?侵蝕：Cl?破壞鈍化膜，在貧Cr區(qū)引發(fā)點蝕，進而發(fā)展為沿晶裂紋。③應(yīng)力作用：壓力容器服役時內(nèi)壁受拉應(yīng)力，與腐蝕協(xié)同作用，引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。預(yù)防措施：①降低鋼中碳含量（如采用304L超低碳不銹鋼），減少C