材料专业期末考试试题及答案

材料专业期末考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在面心立方（FCC）晶体中，滑移最易发生的滑移系是（）A.{110}<111>B.{111}<110>C.{100}<110>D.{112}<111>答案：B2.下列关于位错运动所需临界分切应力τ_c的描述，正确的是（）A.与位错密度ρ成正比B.与伯格斯矢量b成反比C.与剪切模量G成正比D.与泊松比ν无关答案：C3.对共析钢进行完全退火后，室温平衡组织为（）A.铁素体+珠光体B.珠光体+二次渗碳体C.100%珠光体D.贝氏体+马氏体答案：C4.下列哪种强化机制对高温蠕变性能贡献最显著（）A.细晶强化B.固溶强化C.弥散强化D.加工硬化答案：C5.若某聚合物在T_g以下受载，其形变主要来源于（）A.分子链段滑移B.链段取向C.键长键角变化D.自由体积扩散答案：C6.在Al4.5%Cu合金时效硬化曲线中，硬度峰值对应的显微组织为（）A.GPⅠ区B.GPⅡ区（θ″）C.过渡θ′D.平衡θ答案：B7.下列哪种表征手段可直接获得材料局域弹性模量分布（）A.EBSDB.NanoindentationC.XRDRietveld精修D.DSC答案：B8.对于理想脆性材料，断裂韧性K_IC与临界裂纹长度a_c的关系满足（）A.K_IC∝√a_cB.K_IC∝a_cC.K_IC∝1/√a_cD.与a_c无关答案：A9.在FeC相图中，碳在γFe中的最大溶解度（wt%）为（）A.0.0218B.0.77C.2.11D.4.3答案：C10.下列关于陶瓷材料热震抗力R的参数组合，正确的是（）A.R=σ_fk/(Eα)B.R=σ_fE/(kα)C.R=σ_fα/(Ek)D.R=Eα/σ_f答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选少选均不得分）11.下列因素中，可同时提高金属材料屈服强度与延伸率的是（）A.减小晶粒尺寸B.引入纳米孪晶C.提高应变速率D.形成TRIP效应答案：B、D12.下列关于高分子球晶结构的描述，正确的是（）A.由径向片晶组成B.呈现Maltese黑十字消光C.熔融时无体积变化D.晶片厚度与T_c相关答案：A、B、D13.下列属于金属玻璃形成能力判据的是（）A.ΔT_x=T_x−T_gB.γ=T_x/(T_g+T_l)C.β=(T_l−T_x)/T_lD.K_gl=(T_l−T_g)/T_l答案：A、B、D14.下列关于半导体掺杂的描述，正确的是（）A.n型掺杂提高费米能级B.重掺杂导致带隙变窄C.受主电离能产生施主能级D.杂质浓度梯度可形成内建电场答案：A、B、D15.下列关于形状记忆合金（SMA）的表述，正确的是（）A.热弹性马氏体相变可逆B.应力诱发马氏体呈超弹性C.回复应力随Af温度升高而增大D.母相为B2有序结构答案：A、B、D三、填空题（每空2分，共20分）16.体心立方（BCC）铁的单位晶胞含______个原子，其最密排方向为______。答案：2；<111>17.根据HallPetch公式，屈服强度σ_y与晶粒尺寸d的关系为σ_y=σ_0+kd^(−1/2)，其中k反映______。答案：晶界对位错运动的阻碍效率18.在聚合物蠕变三阶段中，第二阶段称为______蠕变，其应变速率近似恒定。答案：稳态（或二次）19.氧化铝陶瓷的离子键比例约为______%，故其常温塑性几乎为零。答案：63（±2）20.根据Fick第二定律，一维非稳态扩散方程为______。答案：∂C/∂t=D∂²C/∂x²21.对于理想橡胶，弹性应力主要由______熵变引起，模量随温度升高而______。答案：构象；增大22.在FeC马氏体中，碳原子优先占据八面体间隙位置为______（填“长轴”或“短轴”）。答案：长轴23.当裂纹尖端塑性区尺寸r_y与板厚B满足______条件时，可视为平面应变状态。答案：r_y≤B/2524.半导体中少数载流子寿命τ与复合中心浓度N_t的关系为τ∝______。答案：1/N_t25.根据Griffith脆断理论，断裂应力σ_f与表面能γ_s的关系为σ_f=______。答案：√(2Eγ_s/πa)四、简答题（每题8分，共24分）26.试述金属多晶体在拉伸过程中出现“屈服平台”的微观机制，并说明低碳钢中吕德斯带形成的条件。答案：(1)屈服平台源于Cottrell气团对位错的钉扎—脱钉过程。低碳钢中，间隙碳原子在刃位错周围形成气团，提高位错启动应力；当外加应力达到上屈服点时，位错突然脱钉并大量增殖，应力突降至下屈服点，形成平台。(2)吕德斯带形成需满足：①室温变形；②应变时效强烈（碳原子扩散快）；③试样表面存在应力集中；④应变速率较低，允许碳原子扩散重新钉扎位错，导致变形局部化并传播。27.比较陶瓷材料与金属材料的疲劳裂纹扩展行为，指出陶瓷疲劳阈值ΔK_th显著低于金属的两大原因。答案：(1)陶瓷疲劳裂纹扩展速率da/dNΔK曲线更陡，近阈值区ΔK_th低1个数量级；(2)原因一：陶瓷原子键以离子/共价键为主，位错滑移系少，裂纹尖端缺乏塑性钝化，屏蔽效应弱；(3)原因二：陶瓷内部残余拉应力高，裂纹尖端易形成微裂纹区，有效驱动力增大，导致阈值降低。28.简述聚合物“银纹”结构与“裂纹”的本质区别，并说明银纹对材料韧性的双重作用。答案：(1)银纹由高度取向的纤维束和50%左右的孔洞组成，仍承载应力；裂纹为完全分离，零承载。(2)银纹可消耗大量塑性功，提高韧性；但银纹过度发展导致孔洞合并，最终转变为裂纹，引发脆断。五、计算与分析题（共41分）29.（10分）一块含0.45wt%C的碳钢自900°C单相奥氏体区缓慢冷却，试计算室温平衡组织中珠光体与先共析铁素体的质量分数，并画出冷却曲线示意。已知：共析点0.77wt%C；铁素体最大溶解度0.0218wt%C。答案：(1)应用杠杆定律：W_p=(C_0−C_α)/(C_p−C_α)=(0.45−0.0218)/(0.77−0.0218)=0.572W_α=1−W_p=0.428(2)室温组织：57.2%珠光体，42.8%先共析铁素体。(3)冷却曲线：900°C→A→A+F→727°C→P+F→室温。30.（10分）某铝合金在150°C进行时效处理，测得硬度HV随时间t（h）变化满足HV=65+14[1−exp(−0.025t)]。(1)求达到峰值硬度90%所需时间；(2)若时效温度升高至180°C，速率常数k变为0.065h⁻¹，求同一硬度所需时间，并计算激活能Q。答案：(1)0.9=1−exp(−0.025t)⇒t=−ln(0.1)/0.025=92.1h(2)同理t′=−ln(0.1)/0.065=35.4h由Arrhenius方程k=Aexp(−Q/RT)，取T₁=423K，T₂=453K，ln(k₂/k₁)=−Q/R(1/T₂−1/T₁)⇒Q=78.4kJ/mol31.（10分）某陶瓷平板厚5mm，初始裂纹长2a=0.4mm，受远场拉应力σ=180MPa。已知断裂韧性K_IC=4MPa·m½，几何因子Y=1.12。试判断构件是否断裂；若未断，求安全裕度K_IC/K_I。答案：K_I=Yσ√(πa)=1.12×180×√(π×0.0002)=1.12×180×0.02507=5.06MPa·m½K_I>K_IC⇒发生脆断。安全裕度<1，设计不安全。32.（11分）对聚碳酸酯（PC）进行动态力学分析（DMA），测得储能模量E′与损耗因子tanδ随温度变化曲线。已知玻璃化转变区tanδ峰位于150°C，峰高0.85，E′从25°C的2.3GPa降至180°C的6MPa。(1)计算T_g附近损耗模量E″峰值；(2)若采用WLF方程描述移位因子loga_T，取C₁=17.4，C₂=51.6，求160°C下相对于T_g的松弛时间缩短倍数；(3)分析该材料在160°C长期承载10MPa的蠕变风险。答案：(1)E″_max=E′tanδ≈(2.3