工程材料学学期期末考试试题(A)及详解答案解析

工程材料学学期期末考试试题(A)及详解答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分）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：B解析：FCC金属的密排面为{111}，密排方向为<110>，因此滑移系为{111}<110>。2.下列哪种强化机制对高温长期服役的镍基高温合金贡献最大A.细晶强化 B.固溶强化 C.弥散强化 D.加工硬化答案：C解析：弥散强化（γ′相Ni₃Al）在高温下仍保持高稳定性，阻碍位错攀移，是镍基合金900°C以上强度的主要来源。3.某钢材经淬火后200°C回火2h，其冲击韧性较500°C回火态A.更高 B.更低 C.相等 D.无法判断答案：B解析：低温回火得到回火马氏体，硬度高但韧性差；500°C回火出现回火托氏体，碳化物球化，韧性显著改善。4.对于线性聚合物，其玻璃化转变温度Tg与熔点Tm的经验关系大致为A.Tg≈0.5Tm B.Tg≈0.8Tm C.Tg≈1.2Tm D.Tg≈2Tm答案：A解析：对称链聚合物经验式Tg/Tm≈0.5（温度均用绝对温标）。5.在Al-4.5%Cu合金时效硬化曲线中，硬度峰值对应的微观组织为A.GPⅠ区 B.GPⅡ区 C.θ′相 D.θ相答案：C解析：θ′半共格弥散，应变场最大，阻碍位切过，硬度峰值；θ相粗大，过时效硬度下降。6.下列哪种缺陷对陶瓷室温强度影响最致命A.位错 B.空位 C.微裂纹 D.置换原子答案：C解析：陶瓷本征脆性，微裂纹尖端应力集中无法通过塑性变形松弛，导致低应力脆断。7.根据Hall-Petch公式，晶粒尺寸d减小1/4，则屈服强度提高约A.25% B.41% C.50% D.100%答案：B解析：σy=σ₀+kd^{−1/2}，d→d/4，则Δσ=k[(d/4)^{−1/2}−d^{−1/2}]=k(2−1)d^{−1/2}=kd^{−1/2}，相对提升kd^{−1/2}/(σ₀+kd^{−1/2})，若σ₀≈0，则提升100%，但一般σ₀占30%，故约41%。8.下列哪种测试方法可直接测定金属的断裂韧性K_ICA.夏比冲击 B.维氏硬度 C.紧凑拉伸(CT) D.弯曲疲劳答案：C解析：ASTME399规定用CT或三点弯曲试样，预制疲劳裂纹，测P-Q曲线得K_IC。9.若某复合材料纤维方向弹性模量E∥=180GPa，垂直方向E⊥=20GPa，则其层合板0/90交替铺层，体积分数50%时，宏观模量E_x约为A.100GPa B.90GPa C.50GPa D.30GPa答案：A解析：混合律1/E_x=0.5/180+0.5/20⇒E_x≈36GPa，但0/90交替，x向0°层承载50%，90°层承载50%，串联模型低估；采用修正公式E_x≈(E∥+E⊥)/2=100GPa，误差5%。10.在Fe-C相图中，共析点成分（wt%C）为A.0.0218 B.0.77 C.2.11 D.4.3答案：B解析：727°C共析反应γ→α+Fe₃C，C含量0.77%。二、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）11.位错密度越高，金属导电率越高。 ×解析：位错散射电子，电阻率增大，导电率下降。12.陶瓷的热膨胀系数通常低于金属。 √解析：陶瓷以共价/离子键为主，原子间距小，α低。13.聚合物结晶度越高，其透明性越好。 ×解析：晶区与非晶区折射率差异导致光散射，结晶度高则浑浊。14.贝氏体转变属于扩散型相变。 ×解析：贝氏体为半扩散，只有碳扩散，铁原子切变。15.在相同应力幅下，提高频率总会延长金属疲劳寿命。 ×解析：高频可引发升温，造成聚合物或焊点寿命反而下降。16.金属再结晶温度与熔点成正比，经验式T_r≈0.4T_m。 √解析：绝对温标0.3–0.5T_m区间。17.纳米晶材料的扩散蠕变速率低于粗晶材料。 ×解析：晶界体积分数高，扩散路径短，速率反而高。18.对于脆性材料，Weibull模数m越大，强度分散性越小。 √解析：m大，分布窄，可靠性高。19.添加玻璃纤维可提高环氧树脂的阻燃性。 √解析：无机纤维减少有机组分，降低热释放速率。20.在相同成分下，马氏体比奥氏体具有更高的比容。 √解析：BCC马氏体密度低于FCC奥氏体，比容大。三、填空题（每空2分，共20分）21.体心立方（BCC）铁室温下的最密排方向为<111>，滑移系为{110}<111>，其Peierls-Nabarro应力较FCC高，因此室温塑性较低。22.根据Griffith脆断理论，断裂应力σ_f=√(2Eγ_s/πa)，其中γ_s为表面能，a为裂纹半长。23.某铝合金疲劳裂纹扩展速率da/dN=C(ΔK)^m，当ΔK降到ΔK_th时，da/dN约为10^{−7}mm/cycle。24.聚合物黏弹性可用Maxwell模型描述，其应力松弛模量E(t)=E_0e^{−t/τ}，其中τ=η/E_0。25.镍基单晶高温合金沿[001]方向持久寿命高于[111]，原因是γ/γ′错配度在[001]方向最小，界面位错网稳定。26.在钢中加入0.1%V可形成VC析出相，其晶体结构为NaCl型，与基体保持共格/半共格关系，产生析出强化。27.陶瓷韧性常用增韧机制包括相变增韧（ZrO₂）、微裂纹增韧、纤维/晶须增韧。28.金属玻璃（非晶合金）的断裂特征为脉纹状花样，断口呈脉络结构，无明显塑性区。29.对于层合板，耦合刚度矩阵B不为零时，拉伸与弯曲发生耦合，导致翘曲。30.根据Fick第二定律，碳在γ-Fe中扩散500°C时的扩散系数约为3×10^{−12}m²/s，若渗碳4h，渗层深度近似√(Dt)≈0.21mm。四、简答题（每题8分，共24分）31.试述铝合金时效硬化四个阶段及其强化机制，并指出硬度峰值对应的微观特征。答案：(1)GPⅠ区：室温–100°C，Cu原子偏聚盘，厚度2–3原子层，直径5nm，共格，弱强化。(2)GPⅡ区（θ″）：100–150°C，有序tetragonal，厚度10nm，直径30nm，共格，应变场增大，强化显著。(3)θ′相：200°C，半共格片，厚度50nm，与基体存在5%错配，应变场最大，切过/绕过混合，硬度峰值。(4)θ相（CuAl₂）：250°C以上，非共格平衡相，粗大200nm，过时效，硬度下降。峰值硬度对应θ′相高密度弥散，位错以切过机制为主，有序强化、共格应变强化、模量差异强化叠加。32.比较金属、陶瓷、聚合物三者蠕变机制差异，并给出各自稳态蠕变速率ε̇与应力σ的指数关系。答案：金属：位错攀移控制，ε̇∝σ^n，n=3–5，激活能接近自扩散。陶瓷：晶界扩散（Coble）或晶格扩散（Nabarro-Herring），ε̇∝σ/d^3或σ/d^2，n≈1，激活能高。聚合物：链段运动及缠结滑移，ε̇∝σ^n，n=1–3，温度高于Tg时呈橡胶态，黏弹性显著，可用Eyring模型ε̇=ε̇₀sinh(σV/RT)exp(−Q/RT)。33.某大型锻件经淬火后出现横向裂纹，试从热应力、组织应力、材料性能三方面分析原因，并提出两条预防措施。答案：热应力：表面冷却快，受拉，心部慢，受压，截面温差ΔT大时，表面拉应力>断裂强度。组织应力：奥氏体→马氏体比容增大4%，表面先转变，受压，心部后转变，受拉，最终表面残余压、心部拉，但淬透性不足时，表面出现拉应力。材料性能：高碳马氏体脆性大，K_IC低，微裂纹易扩展。措施：①采用分级淬火（马氏体等温），减小温差；②选用低碳合金钢，降低Ms，减少组织应力；③预冷–淬–回火工艺，控制转变顺序；④锻后细化晶粒，提高韧性。五、计算题（共26分）34.（10分）某低合金钢屈服强度400MPa，K_IC=60MPa√m，承受250MPa拉应力，表面存在半椭圆裂纹，深a=2mm，长2c=8mm，几何因子Y=1.05/√(1+1.464(a/c)^{1.65})，试判断其是否断裂；若未断，求安全系数。解：a/c=0.5，Y=1.05/√(1+1.464×0.5^{1.65})=0.81K_I=Yσ√(πa)=0.81×250×√(π×0.002)=0.81×250×0.079≈16.0MPa√mK_I<K_IC，未断裂。安全系数n=K_IC/K_I=60/16.0=3.75。35.（8分）某聚合物在25°C进行应力松弛实验，初始应力σ₀=10MPa，10³s后降至5MPa，假设单Maxwell模型，求松弛时间τ；若温度升至35°C，τ变为0.8τ，预测10³s后应力。解：σ(t)=σ₀e^{−t/τ}⇒5=10e^{−1000/τ}⇒τ=1000/ln2=1443s35°C时τ′=0.8×1443=1154sσ′=10e^{−1000/1154}=10×0.42=4.2MPa。36.（8分）某单向SiC/Al复合材料，V_f=45%，E_f=450GPa，E_m=70GPa，纤维断裂强度σ_{f,u}=2500MPa，基体屈服强度σ_{m,y}=300MPa，界面结合良好，试按混合律估算纵向抗拉强度σ_{cu}；若实测σ_{cu}=1200MPa，求纤维实际发挥强度与理论值之比。解：σ_{cu}=V_fσ_{f,u}+(1−V_f)σ_{m,y}=0.45×2500+0.55×300=1125+165=1290MPa实测1200MPa，纤维实际应力σ_{f,act}=(1200−0.55×300)/0.45=(1200−165)/0.45=2300MPa比值=2300/2500=0.92，即纤维强度利用率92%，因少量纤维提前断裂或界面滑移。六、综合分析题（20分）37.某航空涡轮盘用粉末镍基高温合金，工作温度700°C，离心应力400MPa，设计要求寿命3000h，蠕变应变≤0.2%。实验室800°C/400MPa下100h稳态蠕变速率ε̇=2×10^{−8}s^{−1}，应力指数n=5，激活能Q=480kJ/mol，试判断700°C下是否满足要求；若不足，提出两条材料改进方案并说明理由。解：利用Norton方程ε̇=Aσ^nexp(−Q/RT)取800°C(1073K)为参考：2×10^{−8}=A(400)^5exp(−480000/(8.314×1073))⇒A=2×10^{−8}/(400^5×exp(−53.9))=1.1×10^{−28}(单位：MPa^{−5}s^{−1})700°C(973K)下：ε̇_{700}=1.1×10^{−28}×400^5×exp(−480000/(8.314×973))=1.1×10^{−28}×1.0×10^{13}×exp(−59.4)=1.1×10^{