2025年材料化学金属考试题及答案

2025年材料化学金属考试题及答案1.（单选）金属的费米能级随温度升高而A.升高 B.降低 C.不变 D.先升后降答案：B。温度升高电子占据态展宽，费米–狄拉克分布对称点略下移。2.（单选）下列金属中，室温下具有最低电子平均自由程的是A.Ag B.Cu C.Al D.Fe答案：D。Fe的3d电子带来高散射截面，平均自由程最短。3.（单选）bcc铁的单位晶胞中原子数为A.1 B.2 C.4 D.6答案：B。体心立方，8×1/8+1=2。4.（单选）根据HumeRothery规则，溶质与溶剂原子半径差超过多少时固溶度急剧下降A.5% B.10% C.15% D.20%答案：C。5.（单选）下列强化机制对高温蠕变贡献最小的是A.固溶强化 B.细晶强化 C.弥散强化 D.加工硬化答案：D。高温回复使位错密度迅速降低。6.（单选）金属玻璃形成能力常采用哪个参数表征A.γ=Tx/(Tg+Tl) B.ΔTx=Tx–Tg C.K=ΔHf/Tm D.β=Tg/Tm答案：A。γ越大，形成能力越好。7.（单选）在298K下，铝的摩尔热容最接近A.3R B.3.5R C.4R D.4.5R答案：B。电子与晶格共同贡献。8.（单选）下列腐蚀类型中，属于局部腐蚀且呈丝状扩展的是A.点蚀 B.缝隙腐蚀 C.丝状腐蚀 D.晶间腐蚀答案：C。9.（单选）采用Hall–Petch关系σ=σ0+kd–1/2，若晶粒尺寸d从16µm细化到1µm，屈服强度提高比例约为A.2倍 B.3倍 C.4倍 D.5倍答案：C。强度与d–1/2成正比，(16/1)1/2=4。10.（单选）在Fe–C相图中，共析点含碳量为A.0.0218wt% B.0.77wt% C.2.11wt% D.4.3wt%答案：B。11.（单选）下列金属中，具有最高超导转变温度的是A.Nb B.Pb C.V D.Ta答案：A。Nb为9.2K。12.（单选）金属中扩散激活能Q与熔点Tm的经验关系为A.Q≈8RTm B.Q≈15RTm C.Q≈20RTm D.Q≈25RTm答案：B。13.（单选）在0K时，金属电子比热与温度关系为A.Ce∝T B.Ce∝T2 C.Ce∝T3 D.Ce∝exp(–Δ/T)答案：A。Ce=γT。14.（单选）下列合金系中，能形成连续固溶体的是A.Cu–Ni B.Cu–Zn C.Al–Cu D.Fe–C答案：A。原子半径、晶体结构、电负性均匹配。15.（单选）金属的弹性模量E本质反映A.原子间势能曲率 B.位错密度 C.电子浓度 D.晶粒尺寸答案：A。16.（单选）下列表征手段中，可直接测定位错伯格斯矢量的是A.SEM B.TEM衍射衬度 C.XRD线形分析 D.EBSD答案：B。gb=0不可见判据。17.（单选）在727°C保温，共析钢平衡组织为A.铁素体+珠光体 B.珠光体 C.奥氏体 D.贝氏体答案：B。18.（单选）金属中氢致开裂属于A.韧性断裂 B.解理断裂 C.沿晶断裂 D.环境致脆断裂答案：D。19.（单选）下列金属中，室温下具有最低层错能的是A.Al B.Cu C.Ag D.Ni答案：C。Ag层错能约16mJm–2。20.（单选）在金属粉末烧结初期，主导致密化机制为A.体积扩散 B.晶界扩散 C.表面扩散 D.蒸发–凝聚答案：C。表面扩散降低孔隙曲率。21.（多选）下列因素可提高金属玻璃热稳定性A.增加组元数 B.增大原子尺寸差 C.提高冷却速率 D.加入低熔点元素答案：A、B、D。多组元与尺寸差提高密堆度，低熔点元素降低液相线。22.（多选）属于金属间化合物典型晶体结构的有A.L12 B.B2 C.DO3 D.HCP答案：A、B、C。HCP为纯金属结构。23.（多选）下列工艺可制备纳米晶金属A.等通道转角挤压 B.高压扭转 C.磁控溅射 D.电弧熔炼答案：A、B、C。剧烈塑性变形或沉积可细化晶粒。24.（多选）导致金属疲劳裂纹萌生的微观特征包括A.驻留滑移带 B.晶界台阶 C.夹杂物界面 D.表面氧化皮答案：A、B、C。氧化皮为外因，非微观萌生区。25.（多选）下列金属中，具有同素异构转变的有A.Fe B.Ti C.Zr D.Mg答案：A、B、C。Mg无。26.（填空）面心立方金属滑移系为{111}<110>，其独立滑移系数为______。答案：12。27.（填空）根据自由电子模型，铝的费米波矢kF为______nm–1。（已知晶格常数a=0.405nm）答案：1.75。kF=(3π2n)1/3，n=3×4/a3。28.（填空）在900°C对碳钢渗碳，表面碳质量分数达到1.2%所需时间t与扩散系数D关系满足______定律。答案：Fick第二。29.（填空）金属橡胶弹性行为的本质为______变形可逆。答案：位错弓弯或孪晶界面可逆移动。30.（填空）采用谢乐公式计算晶粒尺寸，若XRD峰宽β=0.5°（2θ），波长λ=0.154nm，形状因子K=0.9，则晶粒尺寸为______nm。答案：16.8。D=Kλ/(βcosθ)，θ≈25°。31.（填空）金属中氢扩散系数远高于碳，其主要原因是______。答案：氢原子半径小，以间隙机制扩散，激活能低。32.（填空）在Fe–C马氏体中，碳原子优先占据八面体间隙位置为______轴。答案：c。33.（填空）金属的Debye温度越高，其室温比热越______接近经典值。答案：不。Debye温度高，量子效应显著，偏离3R。34.（填空）铜的层错能约为______mJm–2。答案：45。35.（填空）在金属再结晶过程中，新的无畸变晶粒通过______形核长大。答案：高位错密度区（如剪切带、晶界）。36.（填空）金属玻璃发生剪切带软化，其原因是______。答案：自由体积局部增加，黏度下降。37.（填空）铝合金时效硬化时，析出相与基体共格应变场阻碍位错运动，该强化机制称为______。答案：共格应变强化。38.（填空）金属蠕变第三阶段表现为______上升。答案：应变速率。39.（填空）在金属电化学腐蚀中，若阳极极化曲线出现钝化区，其原因是______膜形成。答案：致密氧化。40.（填空）根据Miedema模型，合金形成焓符号为负，表明合金化______热释放。答案：放热。41.（简答，封闭型）说明金属导电率与热导率之间Wiedemann–Franz关系的物理前提，并写出表达式。答案：前提：自由电子模型，电子同时携带电荷与能量，散射机制相同；κ/σ=LT，L=π2kB2/(3e2)=2.44×10–8WΩK–2。42.（简答，封闭型）给出Hall–Petch关系式，并解释晶粒细化在提高强度的同时为何仍保持良好塑性。答案：σ=σ0+kd–1/2；细晶使位错塞积群长度减小，应力集中降低，激活更多滑移系，推迟颈缩，塑性不降低甚至提高。43.（简答，开放型）论述高熵合金“四大效应”及其对力学性能的影响，不少于150字。答案：高熵合金由五种以上主元构成，呈现高熵、晶格畸变、迟滞扩散、鸡尾酒四大效应。高熵效应降低形成金属间化合物倾向，促进简单固溶体结构，提高组织稳定性；晶格畸变效应造成强烈固溶强化，位错滑移阻力增大，屈服强度显著提升；迟滞扩散效应使扩散系数比传统合金低1–2个数量级，抑制高温回复与再结晶，提高蠕变与抗氧化性能；鸡尾酒效应允许多元协同优化，获得超高断裂韧性、低温韧性与抗辐照肿胀能力。综合结果使高熵合金在–196°C至1000°C范围保持高强度高塑性，成为航空发动机、核包壳等极端环境候选材料。44.（简答，封闭型）写出Fick第二定律在恒定表面浓度、半无限大固体条件下的误差函数解，并给出渗层深度定义。答案：C(x,t)=Cs–(Cs–C0)erf(x/2√Dt)；渗层深度δ取C=C0+0.8(Cs–C0)时，δ=2√Dt·erf–1(0.8)≈1.68√Dt。45.（简答，开放型）对比分析铝合金2×××（Al–Cu）与7×××（Al–Zn–Mg–Cu）在时效序列、强化相、耐蚀性及航空航天应用差异，不少于120字。答案：2×××时效序列：SSS→GP(1)→θ″→θ′→θ(Al2Cu)，强化相θ′与基体半共格，强化效果中等，密度低，焊接性好，但Cu含量高能引发晶间腐蚀，需包铝；7×××序列：SSS→GP→η′→η(MgZn2)，η′细小共格，强化峰值高，密度更低，比强度居铝合金之首，但Zn、Mg含量高，耐应力腐蚀敏感，需过时效或双级时效牺牲部分强度换取耐蚀。应用：2×××用于机身蒙皮、铆接结构；7×××用于机翼上下壁板、隔框等主承力件，实现减重20%。46.（计算）一块纯铁薄板在1000K进行稳态扩散，表面碳浓度保持1.0wt%，另一侧为0.2wt%，板厚2mm，扩散系数D=2×10–11m2s–1。求：(1)扩散通量J（kgm–2s–1）；(2)若碳浓度梯度线性，求30min后通过1m2面积的总质量。答案：(1)浓度梯度dc/dx=(1–0.2)%/0.002m=4000wt%m–1，换算质量浓度ρC≈7.8gcm–3×4000×10–2=3120kgm–4，J=–Ddc/dx=2×10–11×3120=6.24×10–8kgm–2s–1。(2)t=1800s，m=JAt=6.24×10–8×1×1800=1.12×10–4kg=0.112g。47.（计算）已知铜的实验数据：屈服强度σy=120MPa，晶粒直径d=25µm；当d细化至0.25µm时σy=360MPa。求Hall–Petch常数k与σ0，并预测d=50nm时的σy。答案：联立120=σ0+k(25×10–6)–1/2，360=σ0+k(0.25×10–6)–1/2，解得k=0.22MPam1/2，σ0=76MPa；d=50nm时σy=76+0.22(50×10–9)–1/2=76+985=1061MPa。48.（计算）一块6061T6铝合金试样（E=69GPa，ν=0.33）承受单轴拉伸，加载方向[100]，求室温下理论弹性极限对应的应变ε与应力σ，假设原子间断裂应变10%。答案：弹性极限应变ε=10%为假设断裂值，则σ=Eε=69×0.1=6.9GPa，远高于实际屈服强度275MPa，说明真实材料因缺陷提前屈服。49.（计算）采用布拉格定律测定奥氏体不锈钢(111)峰，2θ=43.5°，CuKα辐射λ=0.154nm，求晶面间距d与晶格常数a。答案：nλ=2dsinθ，d=0.154/(2sin21.75°)=0.2087nm；a=d√(h2+k2+l2)=0.2087×√3=0.361nm。50.（综合）某新型γ′强化Co–Ni基高温合金设计目标：1000°C、150MPa下稳态蠕变速率≤1×10–8s–1。实验测得应力指数n=4.5，激活能Q=480kJmol–1，常数A=5×1012(MPa–ns–1)。试判断该合金是否满足要求，并讨论通过哪些微观组织调控可进一步降低蠕变速率，不少于200字。答案：将数据代入ε̇=Aσnexp(–Q/RT)，T=1273K，R=8.314Jmol–1K–1，ε̇=5×1012×1504.5exp(–480000/8.314/1273)=5×1012×1504.5×e–45.3