2025年材料科學(xué)基礎(chǔ)考研練習(xí)題附答案1.單項選擇題（每題2分，共20分）1.1面心立方（fcc）金屬中，滑移最易發(fā)生的滑移系是A.{110}〈111〉B.{111}〈110〉C.{100}〈110〉D.{112}〈111〉答案：B1.2下列關(guān)于擴(kuò)散系數(shù)的表述正確的是A.與溫度呈線性關(guān)系B.與激活能呈指數(shù)反比關(guān)系C.與晶粒尺寸成正比D.與濃度梯度成正比答案：B1.3在Fe–Fe?C相圖中，共析點成分（wt%C）為A.0.0218B.0.77C.2.11D.4.3答案：B1.4對典型陶瓷材料，其斷裂韌性K_IC遠(yuǎn)低于金屬，主要原因是A.位錯密度低B.共價鍵方向性強(qiáng)C.晶粒尺寸大D.雜質(zhì)含量高答案：B1.5下列強(qiáng)化機(jī)制中，對高溫強(qiáng)度貢獻(xiàn)最顯著的是A.固溶強(qiáng)化B.細(xì)晶強(qiáng)化C.彌散強(qiáng)化D.加工硬化答案：C1.6高分子鏈的柔順性通常用下列哪一參數(shù)表征A.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_gB.熔點T_mC.結(jié)晶度D.數(shù)均分子量答案：A1.7在半導(dǎo)體硅中摻入磷原子后，其導(dǎo)電類型為A.n型B.p型C.本征D.絕緣答案：A1.8下列表征晶體缺陷的符號中，表示空位的是A.V_OB.V_FeC.Fe_iD.O_i答案：B1.9對Al4.5%Cu合金，經(jīng)固溶+時效處理后強(qiáng)度提高，其析出相序列為A.GP區(qū)→θ″→θ′→θB.θ→θ′→θ″→GP區(qū)C.GP區(qū)→θ′→θ″→θD.θ″→GP區(qū)→θ′→θ答案：A1.10下列測試手段中，可直接觀察位錯線形貌的是A.XRDB.SEMC.TEMD.DSC答案：C2.多項選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）2.1下列因素中可提高聚合物結(jié)晶速率的有A.升高溫度至T_m以上B.施加拉伸應(yīng)力C.提高分子量D.加入成核劑E.降低冷卻速率答案：BDE2.2下列屬于金屬玻璃形成能力的經(jīng)驗判據(jù)有A.深共晶原則B.大混合焓負(fù)值C.高熔點差D.多組元E.高過冷液相區(qū)ΔT_x答案：ABDE2.3下列關(guān)于Hall–Petch關(guān)系的描述正確的有A.屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸d的平方根成反比B.適用于超細(xì)晶甚至納米晶C.斜率k_y與材料種類有關(guān)D.在極細(xì)晶范圍內(nèi)可能出現(xiàn)反Hall–Petch現(xiàn)象E.僅對體心立方金屬有效答案：ACD2.4下列屬于形狀記憶合金特征的有A.熱彈性馬氏體相變B.超彈性平臺C.高阻尼容量D.鐵磁性E.可恢復(fù)應(yīng)變>8%答案：ABC2.5下列關(guān)于石墨烯的描述正確的有A.零帶隙半導(dǎo)體B.載流子遷移率高達(dá)2×10?cm2V?1s?1C.強(qiáng)度~130GPaD.熱導(dǎo)率~5000Wm?1K?1E.可透過可見光~97.7%答案：ABCDE3.填空題（每空1分，共20分）3.1體心立方（bcc）鐵的點陣常數(shù)為0.2866nm，其(110)面間距為________nm。答案：0.2023.2擴(kuò)散第一定律表達(dá)式為________，其中負(fù)號表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向________。答案：J=–D?C；相反3.3在離子晶體中，若陽離子半徑0.068nm、陰離子半徑0.140nm，則配位數(shù)為________。答案：63.4共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式為________，其相變自由度為________。答案：γ→α+Fe?C；03.5聚合物熔體流動時，非牛頓指數(shù)n<1稱為________流體。答案：假塑性3.6金屬蠕變第三階段表現(xiàn)為________，其微觀機(jī)制以________為主。答案：應(yīng)變速率急劇上升；頸縮與空洞連接3.7根據(jù)Griffith理論，脆性斷裂應(yīng)力σ_f與裂紋長度c的關(guān)系為σ_f=________。答案：√(2Eγ_s/πc)3.8在SiO?–Al?O?相圖中，莫來石化學(xué)式為________，其熔點為________℃。答案：3Al?O?·2SiO?；18503.9對n型半導(dǎo)體，費米能級E_F位于本征費米能級E_i之________（上/下）方，其濃度表達(dá)式n=________。答案：上；N_cexp[–(E_c–E_F)/kT]3.10在立方晶系中，[123]與[111]兩晶向夾角θ=________°（保留一位小數(shù)）。答案：19.54.簡答題（每題8分，共40分）4.1試述金屬中位錯增殖的F–R源機(jī)制，并畫圖說明臨界剪切應(yīng)力τ_c的推導(dǎo)思路。答案：F–R源由一段兩端釘扎的位錯線組成。在外加切應(yīng)力τ作用下，位錯線彎曲成弧形，曲率半徑R=Gb/2τ。當(dāng)R等于釘扎點距離L的一半時，位錯環(huán)自動擴(kuò)張并繞回釘扎點，形成新位錯環(huán)并恢復(fù)原位錯線，實現(xiàn)增殖。臨界剪切應(yīng)力τ_c=Gb/L，其中G為剪切模量，b為柏氏矢量大小。圖示：兩端釘扎直線→彎曲半圓→閉合環(huán)→新環(huán)脫離→原位錯恢復(fù)。4.2比較金屬、陶瓷、高分子三種材料在室溫下的應(yīng)力–應(yīng)變曲線特征，并解釋其微觀根源。答案：金屬：彈性區(qū)+明顯塑性區(qū)，屈服后加工硬化，源于位錯滑移與增殖。陶瓷：幾乎完全彈性，斷裂應(yīng)變<0.1%，源于離子/共價鍵方向性強(qiáng)、位錯難動。高分子：玻璃態(tài)高彈態(tài)差異大，玻璃態(tài)脆斷，高彈態(tài)大變形，源于鏈段運動與纏結(jié)。曲線示意圖：金屬呈“長平臺”，陶瓷“陡直斷”，橡膠“高延伸”。4.3簡述時效鋁合金中GP區(qū)、θ″、θ′、θ相的晶體結(jié)構(gòu)、與基體取向關(guān)系及對強(qiáng)化的貢獻(xiàn)大小順序。答案：GP區(qū)：富Cu原子層，fcc結(jié)構(gòu)完全共格，盤狀，直徑~10nm，強(qiáng)化貢獻(xiàn)最大。θ″：正方結(jié)構(gòu)，a≈b≈0.404nm，c≈0.768nm，與基體共格，強(qiáng)化貢獻(xiàn)次大。θ′：正方結(jié)構(gòu)，半共格，強(qiáng)化貢獻(xiàn)中等。θ：CuAl?，正方大顆粒，非共格，強(qiáng)化貢獻(xiàn)最小。順序：GP區(qū)>θ″>θ′>θ。4.4解釋為什么納米晶金屬的強(qiáng)度升高但延展性通常下降，并給出兩種改善塑性的策略。答案：納米晶位錯源少，位錯運動距離短，加工硬化能力弱，導(dǎo)致均勻延伸率低。策略：①引入梯度納米結(jié)構(gòu)，表層納米、芯部粗晶，實現(xiàn)協(xié)同變形；②引入彌散納米析出相，既阻礙位錯又提供額外存儲空間，提高加工硬化率。4.5給出聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)與動力學(xué)特征各兩條，并說明DSC測試T_g的實驗要點。答案：熱力學(xué)：①非一級相變，無潛熱；②比熱容階躍ΔC_p出現(xiàn)。動力學(xué)：①冷卻速率快則T_g升高；②松弛時間τ與溫度符合VFT方程。實驗要點：①樣品質(zhì)量5–10mg，鋁坩堝密封；②氮氣氣氛，20mLmin?1；③升溫速率10°Cmin?1，二次升溫消除熱歷史，取拐點為T_g。5.計算與分析題（共55分）5.1擴(kuò)散計算（10分）在950°C對γFe滲碳，表面碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持1.0%，初始0.2%，求4h后距表面0.5mm處的碳含量。已知：D_γ(1223K)=2.0×10?11m2s?1，誤差函數(shù)表：erf(0.55)=0.563，erf(0.60)=0.604。解：半無限體解C(x,t)=C_s–(C_s–C_0)erf(x/2√Dt)x=5×10??m，t=14400s，√Dt=√(2.0×10?11×14400)=5.37×10??mβ=x/2√Dt=0.465→線性插值erf(0.465)=0.484C=1.0–(1.0–0.2)×0.484=0.613wt%答案：0.613wt%5.2相圖分析（12分）根據(jù)Pb–Sn相圖（共晶溫度183°C，共晶成分61.9wt%Sn）：(1)畫出50wt%Sn合金從300°C緩冷至室溫的冷卻曲線，標(biāo)出各相區(qū)；(2)計算室溫下相組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；(3)若該合金經(jīng)快速凝固得到完全層片共晶，求層片間距λ與過冷度ΔT的關(guān)系式，并說明λ減小對強(qiáng)度的影響。答案：(1)曲線：L→L+α→α+β→(α+β)共晶。(2)室溫：α(19wt%Sn)+β(97.8wt%Sn)。杠桿定律：W_α=(97.8–50)/(97.8–19)=0.606；W_β=0.394(3)λ=k/√ΔT，Hall–Petch型：σ_y=σ_0+k′/√λ，λ↓→σ_y↑。5.3位錯彈性（10分）在銅單晶（G=48GPa，b=0.256nm）中，兩個平行刃位錯同號，柏氏矢量相同，相距r=50nm，求它們之間的交互作用力perunitlength。若位錯線可動，說明其運動方向。解：F/L=Gb2/[2π(1–ν)r]取ν=0.34，則F/L=(48×10?)(0.256×10??)2/[2π(1–0.34)(50×10??)]=1.52×10?3Nm?1方向：同號刃位錯，彼此排斥，沿滑移面遠(yuǎn)離。5.4斷裂力學(xué)（10分）一高強(qiáng)度鋼件，K_IC=45MPa√m，工作應(yīng)力σ=900MPa，要求安全系數(shù)n=2.0，求允許的最大中心穿透裂紋長度2a。若改用韌性合金K_IC=90MPa√m，相同安全系數(shù)，求新允許裂紋長度。解：σ_c=K_IC/(Y√a)，Y=1（中心穿透）σ≤σ_c/n→a≤(K_IC/(Yσn))2a?=(45/(1×900×2))2=6.25×10??m→2a?=1.25mma?=(90/1800)2=2.5×10?3m→2a?=5.0mm答案：1.25mm；5.0mm5.5綜合設(shè)計（13分）某航天器熱防護(hù)層需同時承受1600°C高溫及熱循環(huán)沖擊。候選材料：①Ni基單晶高溫合金；②ZrB?SiC超高溫陶瓷；③C/C復(fù)合材料。要求：(1)給出三種材料在1600°C下的主要失效機(jī)制；(2)選擇最適材料并闡述理由；(3)提出一種界面工程方案抑制其失效。答案：(1)①Ni基：γ′粗化、蠕變孔洞、氧化；②ZrB?SiC：SiC氧化成玻璃揮發(fā)，熱震裂紋；③C/C：氧化燒蝕，界面脫粘。(2)選C/C，理由：高溫強(qiáng)度不降、熱導(dǎo)高、熱膨脹低、密度低，可設(shè)計燒蝕帶走熱量。(3)方案：在C/C表面制備HfCSiC多層梯度涂層，1600°C形成HfO?SiO?復(fù)合氧化物，封閉裂紋；界面植入PyC/SiC納米多層，犧牲層緩沖熱應(yīng)力，抑制氧化擴(kuò)散通道。6.論述題（三選一，20分，字?jǐn)?shù)≥300）選做：6.1題目：面向2035年氫能經(jīng)濟(jì)，設(shè)計一種低成本、高儲氫容量、快速吸放氫的金屬氫化物體系，闡述其成分設(shè)計原則、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控策略及循環(huán)穩(wěn)定性評價方法。答案：成分設(shè)計：采用TiVCrFe四元bcc合金，利用高熵效應(yīng)降低氫化物焓變，目標(biāo)ΔH≈–25kJmol?1H?，平衡壓0.1MPa@60°C。通過電子濃度e/a≈5.0調(diào)控平臺壓。微觀結(jié)構(gòu)：①熔體快淬得納米晶bcc，晶粒<50nm，提供大量晶界擴(kuò)散通道；②球磨引入5vol%Nb?O?催化劑，降低解離/重組能壘；③構(gòu)建核