(2025年)工程材料学学期期末考试试题B及详解答案

(2025年)工程材料学学期期末考试试题B及详解答案工程材料学2025年学期期末考试试题B一、选择题（每题2分，共16分）1.下列晶体结构中，原子配位数为12的是（）A.体心立方（BCC）B.面心立方（FCC）C.密排六方（HCP）D.B和C2.位错运动的主要阻力来源于（）A.原子热振动B.溶质原子偏聚C.晶界阻碍D.位错之间的交互作用3.下列强化机制中，属于形变强化（加工硬化）的是（）A.固溶原子钉扎位错B.第二相粒子阻碍位错滑移C.位错密度增加导致交滑移困难D.细晶强化4.某钢件经850℃加热后油淬，得到的室温组织主要是（）A.珠光体B.贝氏体C.马氏体D.回火索氏体5.铝合金的时效强化效果主要取决于（）A.固溶处理后的冷却速度B.时效温度下析出相的弥散度C.合金中的铝含量D.变形量大小6.陶瓷材料的断裂韧性远低于金属，其根本原因是（）A.共价键/离子键比例高，位错难以运动B.气孔率高C.弹性模量小D.热膨胀系数低7.高分子材料在玻璃态下的力学行为特征是（）A.可逆大变形（高弹性）B.塑性变形为主C.弹性变形为主，变形量小D.粘流变形显著8.铁碳合金中，莱氏体（Ld）在室温下的组成是（）A.奥氏体+渗碳体B.珠光体+渗碳体C.铁素体+渗碳体D.马氏体+残余奥氏体二、填空题（每空1分，共16分）1.珠光体是（）和（）的层片状机械混合物。2.马氏体转变的主要特征是（）和（）（写出两个关键特征）。3.陶瓷材料的主要结合键是（）和（）。4.高分子材料的三种力学状态按温度由低到高依次为（）、（）、（）。5.按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为（）和（）两类。6.铝合金的主要强化方法是（），而铸铁的强化常通过改善（）形态实现。7.复合材料按基体类型可分为（）、（）和陶瓷基复合材料。三、简答题（每题8分，共32分）1.比较固溶体与金属间化合物在结构、结合键及性能上的主要差异。2.分析“淬火+高温回火”工艺得到的回火索氏体的组织特征与性能特点。3.解释铝合金为何通常采用“固溶处理+时效”工艺强化，而非单纯依赖固溶强化。4.陶瓷材料的脆性大，试从化学键、晶体结构及缺陷行为角度分析其原因。四、分析题（每题12分，共24分）1.某汽车变速箱齿轮服役后出现表面剥落（接触疲劳失效）和芯部韧性不足的问题。已知原工艺为：20CrMnTi钢→锻造→正火→渗碳（930℃×6h）→直接淬火（820℃油冷）→低温回火（180℃×2h）。请分析可能的失效原因，并提出工艺改进建议（需结合材料成分、热处理原理说明）。2.某高分子材料在-40℃时表现为硬而脆（敲击易断裂），在25℃时具有一定弹性（可小变形恢复），在120℃时可塑形成型（变形后保持形状）。试从高分子链段运动与力学状态的关系角度，解释其温度-力学行为的变化规律。五、计算题（每题6分，共12分）1.某铁碳合金在室温平衡组织中，珠光体占80%，二次渗碳体（Fe₃CⅡ）占5%，其余为铁素体。试计算该合金的碳含量（已知：珠光体含碳量为0.77%，铁素体含碳量约为0.0218%，Fe₃C含碳量为6.69%）。2.已知Al-4%Cu合金（质量分数）的平衡相图中，α固溶体的最大溶解度为5.65%Cu（500℃），θ相（Al₂Cu）含Cu量为52.5%。若该合金在500℃时处于α+θ两相区，计算此时α相和θ相的质量分数。试题B详解答案一、选择题1.D（面心立方和密排六方的原子配位数均为12，体心立方为8）2.D（位错运动时，位错之间的交截、缠结会产生强烈阻碍，是主要阻力来源）3.C（加工硬化的本质是塑性变形导致位错密度增加，位错间交互作用增强，滑移阻力增大）4.C（850℃加热后油淬，奥氏体快速冷却，发生无扩散切变，形成马氏体）5.B（时效强化的关键是过饱和固溶体分解时析出弥散细小的第二相粒子，阻碍位错运动）6.A（陶瓷以共价键/离子键为主，键能高但方向性强，位错难以启动和运动，无法通过塑性变形消耗能量）7.C（玻璃态下高分子链段被“冻结”，仅能发生链节或侧基的弹性变形，变形量小且可逆）8.B（室温下莱氏体（Ld）由珠光体（P）和渗碳体（Fe₃C）组成，原高温莱氏体中的奥氏体（γ）转变为珠光体）二、填空题1.铁素体（F）；渗碳体（Fe₃C）2.无扩散性；切变共格性（或表面浮凸、转变速度快等）3.离子键；共价键4.玻璃态；高弹态；粘流态5.置换固溶体；间隙固溶体6.时效强化（或沉淀强化）；石墨7.金属基；聚合物基（或高分子基）三、简答题1.差异如下：-结构：固溶体保持溶剂晶格类型，溶质原子随机分布；金属间化合物具有独特晶体结构（如AB型、AB₂型），原子按一定比例规则排列。-结合键：固溶体以金属键为主；金属间化合物可能含金属键+共价键/离子键（如Al₃Ni含部分共价键）。-性能：固溶体塑性较好（因保持金属键特性），强度随溶质增加而提高（固溶强化）；金属间化合物硬度高、脆性大（因键型复杂、位错运动困难），熔点通常高于纯组元。2.回火索氏体的组织特征：马氏体分解后，铁素体发生回复或再结晶（呈多边形），渗碳体聚集长大为细小颗粒状（直径约0.5μm），均匀分布在铁素体基体上。性能特点：综合力学性能优异，既具有较高的强度（颗粒状渗碳体阻碍位错），又具备良好的塑性和韧性（铁素体基体塑性好，颗粒状第二相应力集中小），适用于要求强韧性配合的零件（如连杆、轴类）。3.原因：-单纯固溶强化：铝合金中溶质原子（如Cu、Mg）在室温下溶解度有限，固溶处理后若直接空冷，过饱和固溶体分解缓慢，无法形成足够多的强化相，强化效果弱。-时效强化：固溶处理后快速冷却（淬火）获得过饱和固溶体，随后在室温或加热条件下（时效），溶质原子扩散析出弥散细小的第二相（如Al₂Cu），通过奥罗万机制阻碍位错滑移，显著提高强度。时效可调控析出相的尺寸和分布，强化效果远优于单纯固溶。4.原因：-化学键：以共价键/离子键为主，键能高但方向性强，位错难以滑移（共价键要求原子严格配位，离子键需保持电中性，位错运动需破坏键合，能量高）。-晶体结构：多为复杂晶体结构（如氧化物的NaCl型、硅酸盐的岛状结构），滑移系少（通常<5个），塑性变形能力差。-缺陷行为：陶瓷中存在大量微裂纹、气孔等缺陷，受载时易在缺陷尖端产生应力集中，裂纹快速扩展（无塑性变形钝化裂纹），导致脆性断裂。四、分析题1.失效原因分析：-表面剥落（接触疲劳）：渗碳后直接淬火可能导致表层残余奥氏体量过多（20CrMnTi含Cr、Mn等稳定奥氏体元素，820℃淬火温度可能偏低，未充分溶解碳化物，奥氏体含碳量不足，淬火后残余奥氏体（AR）量高，AR在接触应力下易转变为马氏体，体积膨胀引发微裂纹）。-芯部韧性不足：正火后芯部组织可能为珠光体+铁素体，硬度偏高；渗碳温度（930℃）较高，可能导致芯部晶粒粗大（20CrMnTi为本质细晶粒钢，但高温长时间加热仍可能粗化），冲击韧性下降。改进建议：-调整淬火工艺：渗碳后先空冷（预冷）至840-850℃再淬火，减少表层奥氏体含碳量，降低残余奥氏体量；或采用分级淬火（先油冷至Ms点附近等温），控制马氏体转变速度，减少内应力。-增加一次淬火（双重淬火）：渗碳后空冷，重新加热至820℃（心部Ac3以上，表层Ac1以下）淬火，细化芯部晶粒（心部奥氏体化），表层保留部分未溶碳化物（提高耐磨性），再低温回火。-优化回火温度：适当提高回火温度（如200-220℃），促进残余奥氏体分解为回火马氏体或贝氏体，减少应力集中。2.温度-力学行为分析：--40℃（玻璃态）：温度低于玻璃化转变温度（Tg），高分子链段被“冻结”，仅链节、侧基或小支链可运动。材料表现为硬而脆，弹性模量高（约10⁹-10¹⁰Pa），变形以普弹形变（键长、键角变化）为主，变形量小（<5%），外力去除后立即恢复，超过强度极限则断裂。-25℃（高弹态）：温度介于Tg和粘流温度（Tf）之间，链段可运动（如几个链节的协同运动），但整个分子链无法移动。材料表现出高弹性，弹性模量降低（约10⁶-10⁸Pa），受外力时链段通过构象改变产生大变形（可逆，变形量可达100%-1000%），外力去除后通过链段热运动恢复原状。-120℃（粘流态）：温度高于Tf，整个分子链可相对滑动（分子间作用力被克服）。材料表现为粘流性，弹性模量极低（约10³-10⁵Pa），变形以塑性变形（不可逆）为主，外力作用下可塑形成型，冷却后保持形状（分子链冻结在新位置）。五、计算题1.设合金碳含量为x（质量分数）。室温平衡组织中，铁素体（F）含量为1-80%-5%=15%。根据杠杆定律，珠光体中的碳来自铁素体和渗碳体的混合，而二次渗碳体（Fe₃CⅡ）由奥氏体（γ）中析出。整体碳含量平衡：x=F%×C_F+P%×C_P+Fe₃CⅡ%×C_Fe₃C代入数据：x=15%×0.0218%+80%×0.77%+5%×6.69%计算得：x≈0.00327%+0.616%+0.3345%≈0.9537%因此，该合金碳含量约为0.95%（保留两位小数）。2.设α相质量分数为Wα，θ相为Wθ（Wα+Wθ=1）。根据杠杆定律：Wα=(Cθ-C合金)/(Cθ-Cα)其中，Cθ=52.5%Cu，C合金=4%Cu，Cα=5.65%Cu（500℃时α的最大溶解度）。代入得：Wα=(52.5-4)/(52.5-5.65)=48.5/46.85≈1.035（不合理，说明假设错误）。正确分析：α相的实际溶解度在500℃时为5.65%Cu，而合金含Cu4%