(2025年)工程材料期末考试试题及答案

(2025年)工程材料期末考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下哪种晶体缺陷属于线缺陷？A.空位B.位错C.晶界D.间隙原子答案：B2.纯铁在912℃发生同素异构转变时，晶体结构由体心立方（BCC）转变为面心立方（FCC），此时其密度会：A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：A（FCC原子堆积更紧密）3.下列材料中，属于非晶态材料的是：A.工业纯铝B.普通玻璃C.铸铁D.铜合金答案：B4.为提高45钢表面硬度和耐磨性，最常用的热处理工艺是：A.完全退火B.正火C.表面淬火D.回火答案：C5.高分子材料的“粘流温度”（Tf）是指材料从高弹态向粘流态转变的临界温度，其主要影响因素是：A.分子量B.结晶度C.交联程度D.以上均是答案：D6.陶瓷材料的主要结合键是：A.金属键B.离子键和共价键C.分子间作用力D.氢键答案：B7.铝合金中添加Mg元素的主要目的是：A.提高耐腐蚀性B.细化晶粒C.固溶强化D.降低密度答案：C（Mg在Al中固溶度较高，形成固溶体强化）8.下列哪种强化机制在提高材料强度的同时，会显著降低塑性？A.细晶强化B.固溶强化C.第二相强化（弥散强化）D.加工硬化答案：D（加工硬化使位错密度增加，塑性下降明显）9.铁碳合金中，含碳量为0.77%的钢称为共析钢，其室温平衡组织为：A.铁素体+珠光体B.珠光体C.珠光体+二次渗碳体D.莱氏体答案：B10.以下哪种高分子材料属于热固性塑料？A.聚乙烯（PE）B.环氧树脂（EP）C.聚丙烯（PP）D.聚苯乙烯（PS）答案：B11.复合材料的“界面”是指增强体与基体之间的结合区域，其主要作用不包括：A.传递载荷B.抑制裂纹扩展C.提高材料密度D.协调两相变形答案：C12.钛合金按组织分类，α+β型钛合金的典型特点是：A.强度高、塑性好B.密度低、耐蚀性差C.高温性能优异D.可焊性极佳答案：A13.铸铁中石墨形态为团絮状时，称为：A.灰铸铁B.可锻铸铁C.球墨铸铁D.蠕墨铸铁答案：B14.为改善低碳钢的切削加工性能，通常采用的预处理工艺是：A.完全退火B.球化退火C.正火D.淬火+低温回火答案：C（正火提高硬度，改善切削性）15.下列材料中，适合用于制造高温炉管（工作温度1000℃以上）的是：A.Q235钢B.铝合金C.碳化硅陶瓷D.聚乙烯答案：C（陶瓷耐高温性能优异）二、填空题（每空1分，共20分）1.金属晶体中最常见的两种密排结构是面心立方（FCC）和________（HCP）。答案：密排六方2.材料的强度指标主要包括屈服强度（σs）和________（σb）。答案：抗拉强度3.钢的热处理工艺中，“四把火”指退火、正火、________和回火。答案：淬火4.高分子材料的力学状态随温度变化可分为玻璃态、________和粘流态。答案：高弹态5.陶瓷材料的主要性能特点是高硬度、高熔点、________和脆性大。答案：耐蚀性好（或化学稳定性高）6.铝合金的强化方式主要有固溶强化、________和时效强化。答案：加工硬化（或形变强化）7.铁碳合金相图中，共晶反应的温度是________℃，反应式为L→A+Fe3C。答案：11488.复合材料按增强体类型可分为纤维增强、颗粒增强和________增强复合材料。答案：晶须9.铸铁的石墨化过程分为三个阶段，其中第一阶段是液态到奥氏体析出________的过程。答案：石墨（或G）10.钛合金中，α型钛合金的主要合金元素是________（如Al），β型钛合金的主要合金元素是Mo、V等。答案：α稳定元素11.钢的淬透性主要取决于________，而淬硬性主要取决于含碳量。答案：临界冷却速度（或合金元素种类及含量）12.高分子材料的聚合反应分为加聚反应和________反应两大类。答案：缩聚13.陶瓷的成型工艺包括干压成型、等静压成型、________和注射成型等。答案：注浆成型14.镁合金的主要缺点是________和高温性能差。答案：耐蚀性低（或易氧化）15.铜合金中，黄铜的主要合金元素是________，青铜的主要合金元素是Sn、Al等。答案：Zn（锌）16.材料的断裂方式主要有韧性断裂和________断裂两种。答案：脆性17.钢中常见的有害元素是硫（S）和________（P），前者易导致热脆，后者易导致冷脆。答案：磷18.复合材料的性能特点可概括为“可设计性”、________和多功能性。答案：比强度/比模量高（或综合性能优异）19.高分子材料的老化是指其在________、热、氧等环境因素作用下性能劣化的现象。答案：光（或紫外线）20.铝合金的典型热处理工艺是________处理，通过固溶+时效提高强度。答案：固溶强化三、简答题（每题6分，共30分）1.简述金属材料的加工硬化现象及其产生原因。答案：加工硬化是指金属材料在塑性变形过程中，随着变形量增加，强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。其本质是塑性变形导致位错密度增加，位错之间相互交截、缠结，阻碍位错运动，从而提高材料的变形抗力。2.比较热塑性塑料与热固性塑料的结构差异及性能特点。答案：热塑性塑料的分子链为线性或支化结构，加热时软化熔融，可反复成型；具有较好的塑性和韧性，但耐热性较低。热固性塑料的分子链通过交联形成三维网状结构，加热时不熔融，固化后不可再成型；具有较高的耐热性和刚性，但脆性较大。3.分析铸铁中石墨形态对其性能的影响（以灰铸铁、球墨铸铁为例）。答案：灰铸铁中的石墨呈片状，相当于内部存在大量裂纹，割裂基体，导致其强度、塑性较低，但减震性、耐磨性较好；球墨铸铁中的石墨呈球状，对基体的割裂作用显著减小，基体连续性好，因此强度、塑性接近钢，同时保留了一定的减震性和耐磨性。4.说明钢的淬火+高温回火（调质处理）的目的及组织转变过程。答案：调质处理的目的是获得良好的综合力学性能（高强度与高韧性匹配）。过程为：钢加热至Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，保温后快速冷却（淬火）得到马氏体；随后在500-650℃高温回火，马氏体分解为回火索氏体（铁素体基体+细小粒状渗碳体），该组织具有优异的综合性能。5.简述复合材料的“协同效应”及其在工程中的应用意义。答案：协同效应是指复合材料的性能不等于各组分性能的简单叠加，而是通过组分间的相互作用产生优于单一材料的性能（如比强度、耐疲劳性等）。工程意义：可根据需求设计材料性能（如航空用碳纤维/环氧树脂复合材料兼顾轻量化与高强度），突破单一材料的性能极限，扩展应用场景。四、分析题（每题10分，共20分）1.某汽车变速箱齿轮（工作条件：承受循环载荷、接触应力大、需耐磨损），原用20钢制造，使用中出现齿面磨损严重和疲劳断裂问题。请分析失效原因，并提出材料及工艺改进方案。答案：失效原因：20钢为低碳钢，含碳量低，淬火后表面硬度不足（≤45HRC），导致耐磨性差；心部强度低，难以承受循环载荷，易发生疲劳断裂。改进方案：（1）材料选择：改用20CrMnTi（低碳合金渗碳钢），含Cr、Mn、Ti等合金元素，可提高淬透性、耐磨性及心部强度。（2）工艺改进：采用渗碳+淬火+低温回火工艺。渗碳使表层含碳量提高至0.8-1.0%，淬火后表层获得高硬度马氏体（58-62HRC），提高耐磨性；心部因合金元素作用保持较高强韧性（低碳马氏体或回火索氏体），抵抗疲劳断裂。2.现有三种材料：A（45钢，正火态）、B（ZL101铝合金，铸态）、C（Al2O3陶瓷，烧结态），需选择一种用于制造某化工反应釜的搅拌桨（工作条件：介质为稀硫酸，温度80℃，转速300r/min）。请从耐蚀性、力学性能、加工性能三方面分析，选择最合适的材料并说明理由。答案：选择B（ZL101铝合金）。耐蚀性：45钢（A）在稀硫酸中易发生电化学腐蚀，耐蚀性差；Al2O3陶瓷（C）虽耐酸腐蚀，但脆性大，易受搅拌冲击断裂；ZL101铝合金表面易形成致密Al2O3氧化膜，在稀硫酸中耐蚀性优于钢，且优于陶瓷的韧性。力学性能：搅拌桨需一定强度和韧性。45钢正火态强度高但耐蚀性不足；ZL101铸态强度（σb≈150-200MPa）可满足转速要求，且塑性（δ≈2-5%）优于陶瓷（几乎无塑性）。加工性能：45钢需机加工成型，成本较高；ZL101可铸造成型，工艺简单；Al2O3陶瓷需高温烧结，成型难度大，且脆性大易加工开裂。综上，ZL101铝合金综合性能最适配。五、综合题（10分）某企业拟开发一款轻量化电动汽车电池包外壳，要求材料具备以下性能：密度≤2.8g/cm³，抗拉强度≥300MPa，延伸率≥8%，耐电化学腐蚀（电池电解液为LiPF6溶液），可冲压成型。请结合材料学知识，设计材料选择方案，并说明理由（需涵盖材料类型、成分设计、热处理/成型工艺及性能调控机制）。答案：材料选择方案：选用6061铝合金（Al-Mg-Si系变形铝合金）。（1）材料类型与成分设计：6061属于Al-Mg-Si系，主要合金元素为Mg（0.8-1.2%）、Si（0.4-0.8%），含少量Cu、Cr（提高耐蚀性和淬透性）。密度约2.7g/cm³，满足轻量化要求。（2）热处理工艺：采用T6热处理（固溶处理+人工时效）。固溶处理（500-520℃加热后水淬）使Mg2Si相充分溶解，形成过饱和固溶体；随后人工时效（160-180℃保温6-10h），析出细小弥散的β''相（Mg2Si），通过沉淀强化提高强度（抗拉强度可达310-330MPa）。（3）成型工艺：可通过冷轧制得板材，再冲压成型电池包外壳。6061铝合金塑性良好（退火态延伸率≥16%），冲压成型性优于钢和陶瓷。（4）性能调控机制：-轻量化：Al基体密度低，合金