2025年工程材料(山东理工大学)网课章节测试答案

2025年工程材料(山东理工大学)网课章节测试答案一、材料的结构与性能基础1.选择题：以下哪种结构属于晶体的基本特征？A.长程无序、短程有序B.长程有序、短程有序C.长程有序、短程无序D.长程无序、短程无序答案：B解析：晶体的本质特征是原子（或分子）在三维空间呈周期性规则排列，表现为长程有序和短程有序；非晶体仅短程有序，长程无序。2.判断题：位错是晶体中常见的线缺陷，刃型位错的位错线与柏氏矢量垂直，螺型位错的位错线与柏氏矢量平行。答案：正确解析：刃型位错的位错线与柏氏矢量垂直，额外半原子面的存在导致局部晶格畸变；螺型位错的位错线与柏氏矢量平行，晶格畸变呈螺旋状分布。3.简答题：说明晶界对材料性能的影响。答案：晶界是相邻晶粒的界面，由于原子排列不规则，存在晶格畸变和较高的能量。晶界对材料性能的影响主要体现在：①阻碍位错运动，提高材料强度（细晶强化的核心原理）；②晶界处原子扩散速率高于晶内，促进固态相变和扩散型反应；③晶界能量较高，易成为腐蚀、氧化或裂纹扩展的起始位置；④高温下晶界强度降低，可能导致材料沿晶断裂。二、金属材料的结构与相变1.选择题：铁碳合金中，共析反应的产物是？A.莱氏体（Ld）B.珠光体（P）C.铁素体（F）D.奥氏体（A）答案：B解析：共析反应发生在727℃，反应式为A（wC=0.77%）→F（wC=0.0218%）+Fe₃C（wC=6.69%），产物为珠光体（铁素体与渗碳体的层片状机械混合物）。2.计算题：分析wC=0.45%的亚共析钢在室温下的平衡组织，并计算各组织组成物的相对含量（已知铁素体wC=0.0218%，渗碳体wC=6.69%，共析点wC=0.77%）。答案：室温下亚共析钢的平衡组织为铁素体（F）+珠光体（P）。根据杠杆定律，珠光体含量=（0.45%-0.0218%）/（0.77%-0.0218%）×100%≈57.2%；铁素体含量=100%-57.2%≈42.8%。3.简答题：比较退火与正火的工艺差异及应用场景。答案：退火是将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温后缓慢冷却（随炉冷或埋砂冷）；正火则是加热到Ac3或Accm以上，保温后在空气中冷却。工艺差异主要体现在冷却速度（正火更快）和组织状态（退火得到平衡或接近平衡组织，正火得到更细的珠光体）。应用上，退火用于消除内应力、改善切削性能或为后续热处理准备；正火用于提高低碳钢强度、细化晶粒，或替代部分退火工艺以降低成本。三、高分子材料的结构与性能1.选择题：以下哪种高分子结构会导致材料刚性显著提高？A.线性无规共聚B.支化结构C.交联结构D.线性均聚答案：C解析：交联结构通过化学键将高分子链连接成三维网状，限制链段运动，显著提高材料的刚性、耐热性和尺寸稳定性（如硫化橡胶）。2.判断题：高分子的结晶度越高，材料的强度和脆性越大，而韧性和透明性越低。答案：正确解析：结晶区分子链排列紧密，分子间作用力强，故强度高；但结晶区缺乏链段运动能力，导致脆性增加；非晶区链段可运动，赋予韧性。结晶度高时，光线在晶区与非晶区界面发生散射，透明性下降（如聚乙烯结晶度高时呈乳白色，非晶态聚丙烯透明）。3.简答题：解释高分子材料的“粘弹性”及其在工程中的应用。答案：粘弹性是高分子材料同时表现出弹性（储能）和粘性（耗能）的特性，其力学行为与时间、温度相关。典型表现为蠕变（恒定应力下应变随时间增加）、应力松弛（恒定应变下应力随时间降低）和滞后现象（循环载荷下应力-应变曲线不重合）。工程中，利用粘弹性可设计减震材料（如汽车减震垫通过滞后损耗吸收振动能量）、密封材料（蠕变特性使其贴合界面），或通过控制温度和加载速率优化加工工艺（如注塑成型时调整冷却速度避免内应力）。四、陶瓷材料的制备与性能1.选择题：以下哪种工艺是传统陶瓷制备的关键步骤？A.溶胶-凝胶法B.粉末冶金（成型+烧结）C.气相沉积D.熔体拉晶答案：B解析：传统陶瓷（如日用瓷、建筑陶瓷）通常以天然矿物（如黏土、石英、长石）为原料，经粉碎、成型（如模压、注浆）、干燥后高温烧结（通过颗粒间扩散实现致密化）。2.判断题：陶瓷材料的强度主要受限于内部气孔和微裂纹，提高致密度可显著提升强度。答案：正确解析：陶瓷的理论强度极高（约E/10，E为弹性模量），但实际强度仅为理论值的1/100~1/1000，主要因制备过程中形成的气孔（降低承载面积）、微裂纹（应力集中引发断裂）。通过优化烧结工艺（如热压烧结、气压烧结）减少气孔，或引入增韧相（如ZrO₂相变增韧）可提高强度和韧性。3.简答题：比较氧化物陶瓷（如Al₂O₃）与非氧化物陶瓷（如SiC）的性能差异及应用领域。答案：氧化物陶瓷（如Al₂O₃）以离子键为主，具有高熔点（2050℃）、良好的化学稳定性（耐酸碱）和电绝缘性，但脆性大、高温强度下降（1000℃以上）。主要用于高温炉衬、电绝缘体、刀具（添加ZrO₂增韧后）。非氧化物陶瓷（如SiC）以共价键为主，熔点高（2700℃）、高温强度保持性好（1400℃仍有较高强度）、热导率高，但抗氧化性较差（高温下易氧化提供SiO₂膜）。主要用于高温结构件（如火箭喷嘴）、热交换器、耐磨部件（如密封环）。五、复合材料的设计与应用1.选择题：碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）中，纤维的主要作用是？A.传递载荷B.提供韧性C.承受主要应力D.提高耐腐蚀性答案：C解析：复合材料中，增强相（碳纤维）强度和模量远高于基体（环氧树脂），主要承受外部载荷；基体的作用是传递载荷、保护纤维并抑制裂纹扩展。2.判断题：复合材料的界面结合强度越高越好，理想状态是界面完全刚性结合。答案：错误解析：界面结合需适度：结合过弱时，纤维与基体易脱粘，无法有效传递载荷；结合过强时，裂纹易直接穿过纤维，失去纤维桥接增韧的作用。理想界面应允许一定的滑动（如碳纤维表面弱涂层），使裂纹扩展时消耗更多能量，提高断裂韧性。3.简答题：简述颗粒增强复合材料的强化机制。答案：颗粒增强复合材料的强化主要通过以下机制：①载荷传递：刚性颗粒（如SiC颗粒）承担部分载荷，减少基体承受的应力；②位错阻碍：颗粒周围的晶格畸变区阻碍位错运动（类似第二相强化）；③细晶强化：颗粒抑制基体晶粒长大，细化晶粒；④热膨胀失配：颗粒与基体热膨胀系数不同，冷却时在颗粒周围产生残余应力场，阻碍位错运动（如Al基复合材料中SiC颗粒引发的位错增殖）。六、材料的强化与改性1.选择题：以下哪种强化方法属于“形变强化”？A.固溶处理+时效B.冷拉钢丝C.渗碳淬火D.细化晶粒答案：B解析：形变强化（加工硬化）是通过塑性变形使位错密度增加、位错缠结，阻碍后续变形。冷拉钢丝通过拉拔变形实现强化；固溶时效属于沉淀强化，渗碳淬火属于表面强化，细化晶粒属于细晶强化。2.判断题：铝合金的“自然时效”比“人工时效”得到的强度更高，但所需时间更长。答案：错误解析：自然时效（室温下放置）时，析出相（如Al-Cu合金中的θ相）形核慢、尺寸小，强化效果较弱；人工时效（加热至100~200℃）加速原子扩散，析出相尺寸更均匀，可获得更高强度（如T6态铝合金）。3.简答题：对比分析马氏体强化与沉淀强化的异同。答案：相同点：均通过阻碍位错运动提高材料强度。不同点：①机制：马氏体强化主要因马氏体晶格畸变（体心正方结构）和过饱和碳原子的钉扎作用；沉淀强化因第二相颗粒（如析出相）阻碍位错滑移（切割或绕过颗粒）。②工艺：马氏体强化需快速冷却（淬火）形成马氏体，再经回火调整性能；沉淀强化需固溶处理（形成过饱和固溶体）+时效（析出第二相）。③性能影响：马氏体强化显著提高强度但降低韧性（需回火改善）；沉淀强化在提高强度的同时可保持较好韧性（析出相尺寸适当时）。七、材料的选择与应用1.选择题：设计汽车发动机活塞时，优先考虑的材料性能是？A.高导电性B.低密度+高耐热性C.高耐腐蚀性D.高耐磨性答案：B解析：活塞需在高温（300~500℃）、高压环境下工作，同时需减轻往复运动的惯性力，因此要求材料密度低（如铝合金）、耐热性好（高温强度高）。2.判断题：选择齿轮材料时，应优先保证心部有高硬度以抵抗磨损，表面有高韧性以承受冲击。答案：错误解析：齿轮工作时，齿面承受接触应力（易磨损、点蚀），齿根承受弯曲应力（易疲劳断裂）。因此，理想性能为表面高硬度（耐磨、抗点蚀）、心部高韧性（抗断裂），通常通过表面淬火（如渗碳淬火）实现。3.简答题：从材料性能角度，说明为什么航空发动机涡轮叶片多采用镍基高温合金而