(2025年)合金的性質(zhì)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）1.下列關(guān)于合金與純金屬性質(zhì)對比的描述中，錯(cuò)誤的是（）A.多數(shù)合金的熔點(diǎn)低于其組分純金屬B.合金的硬度通常高于組分純金屬C.純金屬的導(dǎo)電性一定優(yōu)于對應(yīng)合金D.某些合金的耐腐蝕性可顯著高于純金屬答案：C（解析：合金中溶質(zhì)原子的引入可能破壞晶格周期性，增加電子散射，降低導(dǎo)電性，但并非所有合金導(dǎo)電性都低于純金屬，如某些特殊成分的銅合金導(dǎo)電性仍接近純銅。）2.黃銅的主要組成元素是（）A.銅與鋅B.銅與錫C.鋁與鎂D.鐵與鉻答案：A（解析：黃銅是銅鋅合金，青銅通常為銅錫合金，鋁合金以鋁為主添加鎂、硅等，不銹鋼含鉻、鎳等。）3.固溶強(qiáng)化的核心機(jī)制是（）A.溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用阻礙位錯(cuò)運(yùn)動B.形成第二相粒子釘扎晶界C.細(xì)化晶粒增加晶界數(shù)量D.改變晶體結(jié)構(gòu)提高滑移難度答案：A（解析：固溶強(qiáng)化主要通過溶質(zhì)原子（間隙或置換型）與位錯(cuò)的彈性交互、電交互等作用，增加位錯(cuò)運(yùn)動阻力；第二相強(qiáng)化對應(yīng)沉淀強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化依賴晶界阻礙位錯(cuò)。）4.下列合金中，屬于形狀記憶合金的是（）A.18-8不銹鋼B.鈦鎳合金（TiNi）C.硬鋁（2024鋁合金）D.高溫合金（Inconel718）答案：B（解析：TiNi合金具有熱彈性馬氏體相變，是典型形狀記憶材料；不銹鋼以耐蝕為主，硬鋁為高強(qiáng)度鋁合金，高溫合金用于高溫環(huán)境。）5.關(guān)于鋁合金的特性，下列描述錯(cuò)誤的是（）A.密度小（約2.7g/cm3），比強(qiáng)度高B.表面易形成致密Al?O?氧化膜，耐蝕性良好C.高溫強(qiáng)度優(yōu)于鈦合金D.可通過時(shí)效處理提高強(qiáng)度答案：C（解析：鈦合金的高溫強(qiáng)度（600℃以上）優(yōu)于鋁合金（通常使用溫度低于200℃），鋁合金在常溫及中溫下比強(qiáng)度更優(yōu)。）6.高熵合金（HEA）的“高熵效應(yīng)”主要指（）A.混合熵高，促進(jìn)形成簡單固溶體B.缺陷熵高，提高材料塑性C.構(gòu)型熵高，抑制第二相析出D.振動熵高，增強(qiáng)熱穩(wěn)定性答案：A（解析：高熵合金通常由5種及以上主元（原子分?jǐn)?shù)5%-35%）組成，混合熵顯著高于傳統(tǒng)合金，促進(jìn)形成面心立方（FCC）、體心立方（BCC）等簡單固溶體，而非復(fù)雜金屬間化合物。）7.下列哪種合金常用于制作汽輪機(jī)葉片？（）A.鎂合金（AZ91）B.鈦合金（TC4）C.高溫合金（GH4169）D.銅鎳合金（蒙乃爾合金）答案：C（解析：汽輪機(jī)葉片需在高溫（600-1000℃）、高壓、高應(yīng)力環(huán)境下長期工作，高溫合金（如鎳基合金GH4169）通過γ'相（Ni?Al）沉淀強(qiáng)化，具備優(yōu)異高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。）8.為提高鋼鐵的耐海水腐蝕性，通常添加的合金元素是（）A.碳（C）B.鉻（Cr）、鉬（Mo）C.錳（Mn）D.釩（V）答案：B（解析：Cr可促進(jìn)表面形成Cr?O?鈍化膜，Mo可增強(qiáng)鈍化膜穩(wěn)定性，共同提高耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力；C增加鋼的強(qiáng)度但降低耐蝕性，Mn主要提高淬透性，V用于細(xì)化晶粒。）9.納米晶合金的強(qiáng)度顯著高于粗晶合金，主要原因是（）A.晶界數(shù)量多，位錯(cuò)運(yùn)動受阻B.晶粒內(nèi)缺陷密度低C.原子間結(jié)合力增強(qiáng)D.表面能降低答案：A（解析：根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，材料強(qiáng)度（σ）與晶粒尺寸（d）的平方根成反比（σ=σ?+kd?1/?），納米晶合金晶粒極細(xì)（<100nm），晶界數(shù)量劇增，位錯(cuò)在晶界處塞積，運(yùn)動阻力顯著增大，從而提高強(qiáng)度。）10.下列關(guān)于合金相圖的描述中，正確的是（）A.共晶點(diǎn)對應(yīng)合金的熔點(diǎn)為組分金屬的最低熔點(diǎn)B.固溶體區(qū)的合金凝固時(shí)存在一定溫度區(qū)間C.包晶反應(yīng)是指液相與一個(gè)固相反應(yīng)提供另一個(gè)固相D.勻晶相圖中，液相線與固相線重合答案：B（解析：固溶體合金凝固時(shí)，液相線與固相線分離，凝固發(fā)生在兩者之間的溫度區(qū)間；共晶點(diǎn)是液相同時(shí)析出兩個(gè)固相的最低溫度，不一定是組分金屬的最低熔點(diǎn)；包晶反應(yīng)為L+α→β；勻晶相圖中液相線與固相線不重合。）二、填空題（每空2分，共20分）1.硬鋁（如2024鋁合金）的主要合金元素是______和______，其強(qiáng)化機(jī)制主要為______。答案：銅（Cu）；鎂（Mg）；時(shí)效強(qiáng)化（或沉淀強(qiáng)化）2.形狀記憶合金的關(guān)鍵相變是______，其恢復(fù)原形狀的條件是______。答案：熱彈性馬氏體相變；加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上3.高溫合金按基體元素可分為______、______和鐵基三類，其中______基高溫合金的高溫性能最優(yōu)。答案：鎳基；鈷基；鎳4.不銹鋼按組織分類可分為奧氏體不銹鋼（如304）、______不銹鋼（如430）和馬氏體不銹鋼（如420），其中______不銹鋼的耐蝕性最佳。答案：鐵素體；奧氏體5.高熵合金的典型特性包括______、______和優(yōu)異的耐蝕性（任填兩點(diǎn)）。答案：高強(qiáng)度；高硬度（或耐高溫軟化、良好耐磨性）三、簡答題（每題8分，共40分）1.為什么多數(shù)合金的熔點(diǎn)低于其組分純金屬？請從微觀結(jié)構(gòu)角度解釋。答案：純金屬凝固時(shí)，原子按規(guī)則晶格排列，形成長程有序結(jié)構(gòu)。合金中存在兩種或多種原子，溶質(zhì)原子的尺寸、電子結(jié)構(gòu)與溶劑原子不同，導(dǎo)致晶格畸變。凝固時(shí)，需要更低的溫度才能使原子克服畸變能，形成有序排列；此外，合金的液相線與固相線之間存在溫度區(qū)間，共晶合金的共晶點(diǎn)為液相完全凝固的最低溫度，通常低于各組分純金屬的熔點(diǎn)。因此，多數(shù)合金的熔點(diǎn)（實(shí)際為凝固開始溫度）低于組分純金屬。2.分析固溶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化的異同點(diǎn)。答案：相同點(diǎn)：均為通過引入外來原子或第二相提高材料強(qiáng)度的機(jī)制；均涉及位錯(cuò)運(yùn)動阻力的增加。不同點(diǎn)：①強(qiáng)化相狀態(tài)：固溶強(qiáng)化中溶質(zhì)原子以原子態(tài)溶解于基體，形成固溶體；沉淀強(qiáng)化中第二相以細(xì)小顆粒（如金屬間化合物）析出。②阻礙位錯(cuò)的方式：固溶強(qiáng)化通過溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性、電交互作用阻礙位錯(cuò)運(yùn)動；沉淀強(qiáng)化通過第二相顆粒對位錯(cuò)的切割（小顆粒）或繞過（大顆粒，Orowan機(jī)制）作用增加阻力。③溫度敏感性：固溶強(qiáng)化的效果隨溫度升高下降較慢；沉淀強(qiáng)化的第二相可能在高溫下粗化（過時(shí)效），導(dǎo)致強(qiáng)度下降。3.對比鋁合金與鈦合金在航空結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用優(yōu)勢與局限性。答案：鋁合金優(yōu)勢：密度?。s2.7g/cm3），比強(qiáng)度高，成本低，易加工，常溫及中溫（<200℃）下綜合性能優(yōu)異，廣泛用于機(jī)身蒙皮、框架等。局限性：高溫強(qiáng)度不足（>200℃軟化明顯），耐蝕性需表面處理（如陽極氧化）。鈦合金優(yōu)勢：密度（約4.5g/cm3）低于鋼，比強(qiáng)度更高，高溫強(qiáng)度好（可在600℃下長期使用），耐蝕性（尤其耐海水、應(yīng)力腐蝕）優(yōu)異，用于發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、起落架等關(guān)鍵部件。局限性：成本高（冶煉、加工難度大），室溫塑性低于鋁合金，摩擦系數(shù)大（需潤滑）。4.簡述形狀記憶合金的“單程記憶效應(yīng)”與“雙程記憶效應(yīng)”的區(qū)別，并舉例說明其應(yīng)用。答案：單程記憶效應(yīng)：合金經(jīng)塑性變形（馬氏體態(tài)）后，加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，恢復(fù)原始形狀；冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，不會自動恢復(fù)變形后的形狀（需外力重新變形）。例如：血管支架（植入時(shí)為馬氏體態(tài)可壓縮，體溫下恢復(fù)擴(kuò)張形狀）。雙程記憶效應(yīng)：合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相（奧氏體）形狀，冷卻時(shí)自動恢復(fù)低溫相（馬氏體）形狀，無需外力。例如：自動控溫百葉窗（溫度變化時(shí)葉片自動開合）。5.說明如何通過合金化提高鋼鐵的耐磨性，并舉例典型耐磨合金。答案：提高耐磨性的合金化方法：①增加碳含量（形成高硬度碳化物，如Fe?C）；②添加強(qiáng)碳化物形成元素（如Cr、Mo、W、V），提供更穩(wěn)定、硬度更高的碳化物（如Cr?C?、VC）；③細(xì)化晶粒（減少磨粒磨損中的應(yīng)力集中）；④形成固溶強(qiáng)化（如Mn、Si固溶提高基體強(qiáng)度）。典型耐磨合金：高錳鋼（ZGMn13，沖擊下表面加工硬化形成高硬度層）、高鉻鑄鐵（含Cr15-30%，形成M?C?型碳化物，用于礦山機(jī)械耐磨件）。四、綜合分析題（每題15分，共30分）1.某新能源汽車廠商計(jì)劃開發(fā)一款輕量化、高耐蝕的電池包殼體，需在鋁合金（A）、鎂合金（B）、鈦合金（C）中選擇材料。已知：電池包需承受50-80℃工作溫度，偶爾接觸電解液（弱酸性）和雨水（弱堿性），減重目標(biāo)為比傳統(tǒng)鋼殼輕40%以上。請結(jié)合三種合金的特性，分析各自適用性并給出推薦方案。答案：（1）鋁合金（A）：密度2.7g/cm3，比鋼（7.8g/cm3）輕約65%，滿足減重要求；表面易形成Al?O?鈍化膜，耐弱酸堿腐蝕（但強(qiáng)酸/強(qiáng)堿中易腐蝕，需表面處理如陽極氧化）；中溫（80℃）強(qiáng)度保持良好（如6061-T6鋁合金室溫抗拉強(qiáng)度約275MPa，80℃下仍保持85%以上）；加工性好（可壓鑄、擠壓），成本較低（約3-5萬元/噸）。（2）鎂合金（B）：密度1.8g/cm3，比鋼輕約77%，減重優(yōu)勢更顯著；但耐蝕性差（標(biāo)準(zhǔn)電極電位-2.37V，易發(fā)生電偶腐蝕），在弱酸堿環(huán)境中易腐蝕，需嚴(yán)格表面處理（如微弧氧化）；高溫強(qiáng)度低（80℃下強(qiáng)度下降明顯，AZ91D室溫抗拉強(qiáng)度約230MPa，80℃下降至180MPa）；加工難度大（易燃，需惰性氣體保護(hù)），成本較高（約4-8萬元/噸）。（3）鈦合金（C）：密度4.5g/cm3，比鋼輕約42%，勉強(qiáng)滿足減重目標(biāo)；耐蝕性優(yōu)異（表面TiO?鈍化膜穩(wěn)定，耐酸堿腐蝕）；高溫強(qiáng)度好（80℃下強(qiáng)度基本不變，TC4室溫抗拉強(qiáng)度約900MPa，80℃下仍保持95%）；但成本極高（約20-50萬元/噸），加工難度大（需特殊設(shè)備），輕量化優(yōu)勢不如鋁、鎂合金。推薦方案：優(yōu)先選擇鋁合金（A）。其減重效果顯著（超過40%），耐蝕性通過表面處理可滿足需求，中溫性能穩(wěn)定，成本和加工性均優(yōu)于鎂、鈦合金。若對耐蝕性要求極高（如電解液泄漏風(fēng)險(xiǎn)大），可選用鈦合金（C），但需權(quán)衡成本；鎂合金（B）因耐蝕性和高溫性能短板，不適用于此場景。2.某研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型鎳基合金（成分：Ni-25Cr-8W-3Al-2Ti-0.1C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），實(shí)驗(yàn)測得其室溫抗拉強(qiáng)度1200MPa，600℃抗拉強(qiáng)度950MPa，1000℃下100小時(shí)蠕變應(yīng)變?yōu)?.3%，在3.5%NaCl溶液中的腐蝕速率為0.02mm/年（純鎳為0.15mm/年）。請結(jié)合合金成分與性能數(shù)據(jù)，分析其可能的應(yīng)用領(lǐng)域，并說明各成分的作用。答案：（1）應(yīng)用領(lǐng)域：該合金為鎳基高溫合金，具備以下特性：①高溫強(qiáng)度高（600℃強(qiáng)度保留率約79%，1000℃抗蠕變性能優(yōu)異）；②耐蝕性好（NaCl溶液中腐蝕速率遠(yuǎn)低于純鎳）；③室溫強(qiáng)度高（1200MPa）?？赡軕?yīng)用于：航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片（需高溫強(qiáng)度、抗蠕變）；化工設(shè)備（如反應(yīng)器、管道，需耐Cl?腐蝕）；能源行業(yè)（如燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，需高溫、耐