(2025年)工程材料学期末考试复习题及参考答案

(2025年)工程材料学期末考试复习题及参考答案一、选择题（每题2分，共30分）1.下列材料中，主要通过金属键结合的是（）。A.金刚石（C）B.氯化钠（NaCl）C.纯铝（Al）D.二氧化硅（SiO₂）2.面心立方（FCC）结构金属的典型代表是（）。A.α-Fe（912℃以下）B.γ-Fe（912-1394℃）C.镁（Mg）D.铬（Cr）3.位错运动的主要阻力来源于（）。A.晶格振动B.溶质原子的弹性应力场C.晶界D.空位4.下列热处理工艺中，以获得马氏体为主要目的的是（）。A.完全退火B.正火C.淬火D.球化退火5.铁碳合金中，室温下含碳量为0.77%的组织是（）。A.铁素体（F）+珠光体（P）B.珠光体（P）C.莱氏体（Ld）D.奥氏体（A）+渗碳体（Fe₃C）6.铝合金中，通过固溶时效强化的典型合金是（）。A.工业纯铝B.防锈铝（5A02）C.硬铝（2A12）D.铸铝（ZL102）7.下列陶瓷材料中，属于结构陶瓷的是（）。A.压电陶瓷（PZT）B.氧化铝陶瓷（Al₂O₃）C.超导陶瓷（YBaCuO）D.生物陶瓷（羟基磷灰石）8.高分子材料的玻璃化转变温度（Tg）是指（）。A.从高弹态向粘流态转变的温度B.从玻璃态向高弹态转变的温度C.材料开始分解的温度D.结晶态完全熔化的温度9.下列失效形式中，属于疲劳断裂特征的是（）。A.断口呈纤维状，无明显裂纹扩展区B.断口有贝纹线或疲劳条带C.断口呈冰糖状，沿晶界断裂D.断口因氧化呈现蓝黑色10.复合材料中，增强相的主要作用是（）。A.传递载荷B.提高耐腐蚀性C.降低密度D.改善加工性能11.下列钢铁材料中，属于工具钢的是（）。A.Q235B.45钢C.T10AD.20CrMnTi12.为提高灰铸铁的强度，最有效的措施是（）。A.增加碳含量B.细化石墨片C.减少硅含量D.降低冷却速度13.下列热处理工艺中，用于消除铸件内应力的是（）。A.完全退火B.去应力退火C.球化退火D.再结晶退火14.钛合金中，α+β型钛合金的典型特点是（）。A.塑性好，可压力加工B.高温强度高，用于发动机叶片C.综合力学性能优异，可热处理强化D.密度小，耐蚀性优于不锈钢15.下列关于高分子材料老化的描述，错误的是（）。A.老化是分子链断裂或交联的结果B.紫外线照射会加速老化C.加入抗氧剂可延缓老化D.老化仅表现为材料变软二、填空题（每空1分，共20分）1.材料的结合键主要包括离子键、共价键、金属键和__________。2.晶体缺陷按几何形态分为点缺陷、线缺陷和__________，其中线缺陷的典型代表是__________。3.铁碳合金的基本相有铁素体（F）、奥氏体（A）和__________，其中__________的硬度最高（约800HBW）。4.钢的热处理工艺由加热、__________和冷却三个阶段组成，其中__________是获得马氏体的关键步骤。5.常用的表面热处理工艺包括表面淬火和__________，后者通过改变表层__________来提高性能。6.铝合金按加工方式分为变形铝合金和__________，其中__________（填类型）可通过时效强化提高强度。7.陶瓷材料的性能特点是高硬度、高熔点，但__________和__________较差。8.高分子材料的力学状态随温度变化分为玻璃态、__________和粘流态，其中__________是塑料的使用状态。9.复合材料按增强相形态分为颗粒增强、__________和__________复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料属于__________。10.金属的塑性变形方式主要是__________和孪生，其中__________是金属塑性变形的主要方式。三、简答题（每题6分，共30分）1.比较面心立方（FCC）与体心立方（BCC）金属的塑性差异，并解释原因。2.简述固溶强化的机制，并举例说明其在工程材料中的应用。3.分析“淬火+回火”工艺的目的：为何不直接使用淬火态材料？4.说明灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁的石墨形态差异，并比较其力学性能（强度、韧性）。5.简述高分子材料“老化”的本质及防止措施。四、分析题（每题10分，共20分）1.某汽车变速箱齿轮需满足以下要求：表面高硬度（58-62HRC）、心部良好韧性（冲击吸收功≥40J）、整体强度高（抗拉强度≥1000MPa）。请选择合适的材料（钢种），设计热处理工艺，并说明各步骤的作用。2.某桥梁用Q345钢（低合金高强度结构钢）在使用5年后出现裂纹，断口分析显示为沿晶脆性断裂，且裂纹附近有腐蚀产物。试分析可能的失效原因，并提出改进措施。参考答案一、选择题1.C2.B3.B4.C5.B6.C7.B8.B9.B10.A11.C12.B13.B14.C15.D二、填空题1.分子键（或范德华力）2.面缺陷；位错3.渗碳体（Fe₃C）；渗碳体4.保温；快速冷却（或淬火）5.化学热处理；化学成分（或碳、氮含量）6.铸造铝合金；变形铝合金（或硬铝、超硬铝）7.塑性；韧性（或抗冲击性）8.高弹态；玻璃态9.纤维增强；晶须增强；纤维增强10.滑移；滑移三、简答题1.塑性差异及原因：FCC金属的塑性优于BCC金属。FCC结构的滑移系（面心立方有12个滑移系）多于BCC（体心立方通常有12个但滑移面密排程度低），且滑移面原子密排度高，位错运动阻力小；BCC金属的滑移需克服更大的晶格摩擦力（派-纳力），且低温下易出现脆性，因此塑性较差（如α-Fe在低温下的冷脆现象）。2.固溶强化机制及应用：溶质原子溶入溶剂晶格形成固溶体时，会引起晶格畸变（如间隙原子使晶格膨胀，置换原子使晶格收缩），畸变区的应力场与位错的应力场相互作用，阻碍位错运动，从而提高材料强度。例如，钢中的碳作为间隙原子溶入铁素体，形成间隙固溶体（如Q235钢中的铁素体+珠光体组织），显著提高强度；铝合金中的铜（如2A12硬铝）作为置换原子溶入铝基体，形成固溶体并通过时效析出强化相，进一步提高强度。3.“淬火+回火”工艺目的：淬火的目的是获得高硬度的马氏体组织（如钢淬火后硬度可达60HRC以上），但马氏体组织内应力大、脆性高（尤其是高碳马氏体），直接使用易发生脆性断裂。回火通过加热淬火态材料（150-650℃），使马氏体分解（形成回火马氏体、回火托氏体或回火索氏体），减少内应力，同时调整硬度和韧性（如低温回火保持高硬度用于刀具；中温回火获得高弹性用于弹簧；高温回火获得强韧性匹配用于轴类零件）。因此，“淬火+回火”是通过牺牲部分硬度来提高韧性，实现材料综合性能优化。4.石墨形态与力学性能比较：-灰铸铁：石墨呈片状（粗大或细小），片状石墨相当于内部裂纹，割裂基体，因此强度低（抗拉强度约150-300MPa）、韧性差（冲击吸收功接近0J）；-可锻铸铁：石墨呈团絮状（经白口铸铁退火获得），对基体的割裂作用减弱，强度（约300-400MPa）和韧性（冲击吸收功约3-10J）优于灰铸铁；-球墨铸铁：石墨呈球状（通过球化处理获得），对基体的割裂作用最小，基体连续性好，强度（约400-800MPa）接近钢，韧性（冲击吸收功约15-30J）显著提高（部分高韧性球铁可达50J以上）。5.高分子老化本质及防止措施：老化的本质是高分子链在外界环境（如热、光、氧、化学介质）作用下发生分子链断裂（降解）或交联，导致材料性能（力学性能、外观）劣化（如变脆、变色、龟裂）。防止措施包括：①添加稳定剂（如抗氧剂、光稳定剂）抑制降解反应；②表面涂层（如涂漆）隔绝氧气和紫外线；③控制加工条件（如降低成型温度，减少热降解）；④选择耐老化的高分子材料（如聚四氟乙烯、交联聚乙烯）。四、分析题1.材料选择与热处理工艺设计：-材料选择：20CrMnTi（低合金渗碳钢）。该钢含碳量低（0.17-0.23%），心部韧性好；含Cr、Mn、Ti（Cr提高淬透性，Mn强化基体，Ti阻止奥氏体晶粒长大），适合表面渗碳后淬火+低温回火。-热处理工艺：①渗碳：900-950℃气体渗碳，使表层碳含量增至0.8-1.0%（形成高碳奥氏体），心部保持低碳（0.2%左右）；②淬火：830-850℃油淬，表层高碳奥氏体转变为高硬度马氏体（58-62HRC），心部低碳奥氏体转变为低碳马氏体或托氏体（保持韧性）；③低温回火：150-200℃回火1-2h，消除淬火内应力，稳定组织（表层为回火马氏体，心部为回火托氏体或索氏体），确保表面高硬度、心部良好韧性（冲击吸收功≥40J），整体强度满足要求（抗拉强度≥1000MPa）。2.失效原因分析与改进措施：-可能失效原因：①应力腐蚀开裂（SCC）：桥梁钢长期受拉应力（如车辆载荷），同时裂纹附近有腐蚀产物（如Cl⁻、O₂等介质），拉应力与腐蚀介质协同作用导致沿晶脆性断裂；②材料本身缺陷：如轧制或焊接过程中形成的沿晶夹杂物（如硫化物），降低晶界结合力；③环境因素：桥梁处于潮湿或盐雾环境（如沿海地