2025年哈工大期末试题及答案

2025年哈工大期末试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.面心立方（FCC）晶体中，原子密排面的晶面指数为（）A.(100)B.(110)C.(111)D.(211)2.以下哪种缺陷属于线缺陷？（）A.肖特基空位B.弗兰克位错环C.刃型位错D.晶界3.纯铝在室温下变形后进行退火，若加热至再结晶温度以上但未达到晶粒长大温度，其主要组织变化为（）A.回复B.再结晶C.晶粒粗化D.二次再结晶4.碳在α-Fe（体心立方）中的扩散机制主要为（）A.空位扩散B.间隙扩散C.交换扩散D.环移扩散5.马氏体转变的主要特征不包括（）A.无扩散性B.切变共格C.体积收缩D.表面浮凸效应6.以下哪种强化机制的强化效果与温度升高无关？（）A.固溶强化B.沉淀强化C.细晶强化D.加工硬化7.计算体心立方晶体的致密度时，原子半径r与晶格常数a的关系为（）A.r=a/2B.r=√2a/4C.r=√3a/4D.r=√3a/28.某金属的临界分切应力为τ₀，当外力与滑移面法线夹角为60°、与滑移方向夹角为30°时，实际分切应力为（）A.0.5σB.(√3/2)σC.(√3/4)σD.σ9.二元共晶合金在共晶反应时，其自由度为（）A.0B.1C.2D.310.陶瓷材料的主要断裂方式为（）A.韧性断裂B.解理断裂C.微孔聚集型断裂D.疲劳断裂二、填空题（每空1分，共20分）1.晶体的基本特性包括长程有序性、（）和（）。2.位错的基本类型有（）和（），其中（）位错的柏氏矢量与位错线垂直。3.扩散第一定律（菲克第一定律）的数学表达式为（），其适用条件是（）。4.纯金属凝固时，均匀形核的临界形核功ΔG与表面能σ的关系为（），与过冷度ΔT的关系为（）（填“正相关”或“负相关”）。5.铝合金的时效强化过程通常包括（）、（）、（）和平衡相析出四个阶段。6.钢的淬透性主要取决于（），而淬硬性主要取决于（）。7.复合材料的界面结合类型主要有（）、（）和（）。三、简答题（每题6分，共30分）1.比较置换型固溶体与间隙型固溶体的异同点（从溶质原子尺寸、固溶度影响因素、扩散机制三方面说明）。2.说明加工硬化的定义及其产生原因，并列举两种消除加工硬化的方法。3.分析为什么细晶强化既能提高材料的强度，又能改善其塑性。4.简述珠光体、贝氏体和马氏体三种组织的形成条件及微观形貌特征。5.解释“上坡扩散”现象，并举例说明其发生的原因。四、计算题（每题10分，共20分）1.已知铜的熔点为1356K，其熔化熵ΔS≈13J/(mol·K)，液态铜的表面能σ=1.4J/m²，原子体积vₐ=1.18×10⁻²⁹m³。若液态铜过冷至1256K（ΔT=100K），计算其均匀形核的临界晶核半径r和临界形核功ΔG。（提示：ΔG=16πσ³vₐ²/(3(ΔHₘ)²)，ΔHₘ=ΔS·Tₘ）2.某低碳钢在850℃进行渗碳处理，表面碳浓度保持为1.0wt%，原始碳浓度为0.2wt%。已知碳在奥氏体中的扩散系数D=2.0×10⁻¹¹m²/s，要求距表面0.5mm处的碳浓度达到0.5wt%，计算所需渗碳时间。（误差函数erf(x)值：erf(0.5)=0.5205，erf(0.6)=0.6039，erf(0.7)=0.6778，erf(0.8)=0.7421）五、综合分析题（20分）某企业采用304不锈钢（Fe-18Cr-8Ni）制造高温压力容器，使用一段时间后发现容器内壁出现沿晶裂纹。经检测，裂纹附近存在Cr元素贫化现象，且裂纹内有Cl⁻富集。结合材料学相关理论，分析裂纹产生的可能原因及预防措施。答案一、选择题1.C2.C3.B4.B5.C6.C7.C8.A9.A10.B二、填空题1.各向异性；固定熔点（或对称性）2.刃型位错；螺型位错；刃型3.J=-D(dC/dx)；稳态扩散4.ΔG=16πσ³vₐ²/(3(ΔHₘ)²)；负相关5.形成GP区；形成θ''相；形成θ'相6.奥氏体中的合金元素含量；马氏体中的碳含量7.机械结合；物理化学结合；扩散结合三、简答题1.相同点：均为固溶体，溶质原子分布于溶剂晶格中。不同点：①溶质原子尺寸：置换型溶质原子与溶剂原子尺寸相近（半径差＜15%），间隙型溶质原子尺寸小（如C、N）；②固溶度影响因素：置换型受原子尺寸、电负性、电子浓度等影响，间隙型受溶剂晶格间隙大小限制；③扩散机制：置换型主要通过空位扩散，间隙型通过间隙扩散。2.加工硬化：材料在塑性变形过程中，随着变形量增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象。原因：位错密度增加，位错间相互交截、缠结，阻碍位错运动。消除方法：再结晶退火（加热至再结晶温度以上）、完全退火（加热至Ac3以上后缓慢冷却）。3.细晶强化的本质是晶界阻碍位错运动。晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大（霍尔-佩奇关系σs=σ0+kd⁻¹/2），故强度提高。同时，细晶粒中变形更均匀，各晶粒协调变形能力强，塑性变形不易集中，因此塑性改善。4.珠光体：共析转变产物（A→P），形成于A1以下稍高温度（约727℃附近），层片状（铁素体+渗碳体）；贝氏体：中温转变产物（230℃~550℃），分为上贝氏体（羽毛状，铁素体条间分布渗碳体）和下贝氏体（针状，铁素体内弥散碳化物）；马氏体：无扩散切变转变产物（Ms以下），板条状（低碳）或针片状（高碳），内部有孪晶或位错亚结构。5.上坡扩散：溶质原子从低浓度区向高浓度区迁移的现象（dC/dx＞0时J＞0）。原因包括：应力场作用（如冷变形后空位浓度梯度）、电场作用（离子晶体中）、化学自由能驱动（如第二相析出时溶质向析出相附近聚集）。例：Al-Cu合金时效时，Cu原子向GP区聚集，形成浓度梯度与扩散方向相反的上坡扩散。四、计算题1.计算步骤：①ΔHₘ=ΔS·Tₘ=13J/(mol·K)×1356K=17628J/mol；②临界晶核半径r=2σvₐ/ΔHₘ·Tₘ/ΔT=2×1.4×1.18×10⁻²⁹×1356/(17628×100)=（计算得）约1.67×10⁻⁹m；③ΔG=16πσ³vₐ²/(3(ΔHₘ)²)×(Tₘ/ΔT)²=16π×(1.4)³×(1.18×10⁻²⁹)²/(3×(17628)²)×(1356/100)²≈（计算得）约1.23×10⁻¹⁸J。2.渗碳为非稳态扩散，适用菲克第二定律的误差函数解：(Cx-C0)/(Cs-C0)=1-erf(x/(2√(Dt)))代入数据：(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)≈（计算得）约2.7×10⁴s（约7.5小时）。五、综合分析题原因分析：①晶间腐蚀：304不锈钢含Cr，正常情况下Cr与O形成Cr₂O₃钝化膜。但高温下，晶界处C与Cr结合形成Cr₂₃C₆析出，导致晶界附近Cr含量低于12%（钝化所需最低浓度），形成贫Cr区，耐蚀性下降。②Cl⁻侵蚀：Cl⁻破坏钝化膜，在贫Cr区引发点蚀，进而发展为沿晶裂纹。③应力作用：压力容器服役时内壁受拉应力，与腐蚀协同作用，引发应力腐蚀开裂（SCC）。预防措施：①降低钢中碳含量（如采用304L超低碳不锈钢），减少C