工程材料期末试卷及答案

工程材料期末试卷及答案一、选择题1.下列材料中，属于复合材料的是（）A.玻璃钢B.不锈钢C.硬质合金D.工程塑料2.金属材料在拉伸试验中，其应力-应变曲线上的弹性极限是指（）A.材料开始发生塑性变形的应力B.材料发生断裂时的应力C.材料产生0.2%残余应变时所对应的应力D.材料卸载后，弹性变形完全消失的极限应力3.铁碳合金相图中，共析转变的产物是（）A.奥氏体B.铁素体+渗碳体C.珠光体D.莱氏体4.钢的淬火处理主要目的是获得（）A.回火马氏体组织，提高韧性B.索氏体组织，提高综合力学性能C.马氏体或贝氏体组织，提高硬度和强度D.珠光体组织，改善切削加工性5.下列强化机制中，既能显著提高强度，又不会明显降低塑性和韧性的是（）A.细晶强化B.固溶强化C.第二相强化（弥散强化）D.加工硬化6.铝合金时效强化的本质是（）A.形成细小的第二相颗粒，阻碍位错运动B.通过冷变形增加位错密度C.形成过饱和固溶体D.通过合金化改变晶体结构7.灰铸铁中的石墨主要以（）形态存在。A.球状B.团絮状C.片状D.蠕虫状8.高分子材料发生玻璃化转变时，其物理性质发生显著变化，但（）不变。A.比热容B.热膨胀系数C.弹性模量D.链段运动能力9.陶瓷材料的主要结合键是（）A.金属键B.共价键和离子键C.分子键D.氢键10.设计形状复杂、承受冲击载荷的箱体类零件，宜选用（）A.球墨铸铁B.灰铸铁C.白口铸铁D.可锻铸铁11.下列材料中，热导率最高的是（）A.氧化铝陶瓷B.聚乙烯C.纯铜D.石英玻璃12.材料抵抗局部塑性变形（压痕或划痕）的能力称为（）A.强度B.硬度C.塑性D.韧性13.高速钢（如W18Cr4V）之所以能在较高温度下保持高硬度，主要是因为含有大量（）A.形成碳化物的合金元素（如W,Mo,V,Cr）B.提高淬透性的元素（如Mn）C.固溶强化元素（如Si）D.促进石墨化元素（如Si）14.在铁碳合金中，随着含碳量的增加，其（）A.强度和硬度持续增加B.塑性和韧性持续增加C.硬度增加，塑性下降D.铸造性能变差15.高分子材料的蠕变是指（）A.在恒定应力下，应变随时间延长而增加的现象B.在恒定应变下，应力随时间延长而衰减的现象C.应变落后于应力变化的现象D.材料在交变应力作用下的破坏现象二、填空题1.工程材料按化学组成和结合键特点，通常分为金属材料、__________、__________和复合材料四大类。2.金属的结晶过程包括__________和__________两个基本过程。3.铁素体的晶体结构是__________，渗碳体的化学式是__________。4.钢的普通热处理工艺主要包括退火、__________、__________和回火。5.根据共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线），在550℃左右等温转变会得到__________组织，其性能特点是强度、硬度较高，并具有一定的韧性。6.40Cr钢中，数字“40”表示平均含碳量为__________%，元素符号“Cr”表示该钢中含有__________元素。7.铝合金根据工艺特点可分为__________铝合金和__________铝合金两大类。8.高分子链的几何形态主要有线型、__________和__________三种。9.陶瓷材料典型的制备工艺过程包括：原料制备、__________、__________和烧结。10.材料的疲劳强度是指材料在__________应力作用下，承受无限次循环而不发生断裂的最大应力。三、判断题（正确的打“√”，错误的打“×”）1.（）所有金属材料都具有确定的熔点。2.（）珠光体是由铁素体和奥氏体组成的机械混合物。3.（）钢的淬透性主要取决于其临界冷却速度，与工件尺寸和冷却介质无关。4.（）可锻铸铁是可以进行锻造的铸铁。5.（）黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。6.（）高分子材料的相对分子质量是一个确定值。7.（）陶瓷材料的抗压强度远高于其抗拉强度。8.（）材料的弹性模量E是一个对组织不敏感的力学性能指标，主要取决于原子间的结合力。9.（）轴承合金要求具有高的硬度和耐磨性，因此常用高碳钢制造。10.（）复合材料可以具有各组成相所不具备的综合优异性能。四、名词解释1.同素异构转变2.淬透性3.调质处理4.形状记忆效应5.复合材料五、简答题1.简述固溶强化与弥散强化的主要区别。2.什么是回火？简述淬火钢在回火过程中，随着回火温度升高，其组织和性能的变化趋势。3.简述铸铁与钢在成分、组织和性能上的主要区别。4.列举三种常见工程塑料（写出名称），并简述其主要特性和一种典型应用。5.陶瓷材料的主要优缺点是什么？六、综合分析与计算题1.现有两种铁碳合金，在显微镜下观察其平衡组织。合金A的组织为珠光体+二次渗碳体（呈网状）；合金B的组织为珠光体+铁素体（呈块状）。(1)根据铁碳相图，判断合金A和合金B的大致含碳量范围。(2)比较两种合金的硬度、强度和塑性。(3)若要改善合金A的网状渗碳体组织以提高韧性，可采用何种热处理工艺？简述其原理。2.有一根用45钢（含碳量约0.45%）制造的轴，要求整体有良好的综合力学性能（即较高的强度、塑性和韧性配合），轴颈处要求高硬度（HRC50-55）以耐磨。请设计一个合理的热处理工艺路线（包括各热处理工序的名称、目的和大致工艺参数），并说明最终轴的整体和轴颈处分别获得何种组织。3.某材料的屈服强度=350MPa，断裂韧性(1)计算该裂纹发生脆性断裂的临界应力。(2)若工作应力σ=200M答案与解析一、选择题1.A(玻璃钢是玻璃纤维增强树脂基复合材料。硬质合金是金属陶瓷，属于陶瓷材料。)2.D(弹性极限是材料卸载后，弹性变形完全恢复的应力上限。A是屈服强度，B是抗拉强度，C是条件屈服强度Rp0.2。)3.C(共析转变：A(0.77%C)→P(F+Fe₃C)，产物是珠光体。)4.C(淬火的核心目的是获得马氏体或下贝氏体，以提高硬度和强度。A是回火的目的，B是等温淬火或调质的目的，D是退火的目的之一。)5.A(细晶强化通过增加晶界阻碍位错运动，同时晶粒细小使变形更均匀，故在提高强度的同时，塑性和韧性也得到改善。)6.A(时效强化过程：固溶处理→过饱和固溶体→时效析出细小弥散的第二相颗粒→阻碍位错运动。C是时效前状态，B是加工硬化。)7.C(灰铸铁因其断口呈暗灰色而得名，石墨呈片状。A是球墨铸铁，B是可锻铸铁，D是蠕墨铸铁。)8.D(玻璃化转变温度Tg是链段开始运动的温度，低于Tg时链段运动被冻结，高于Tg时链段运动被激发。其他物理性质在Tg处发生突变。)9.B(陶瓷材料以离子键（如MgO）和共价键（如SiC）为主，决定了其高硬度、高脆性、高熔点的特性。)10.A(球墨铸铁通过球化处理获得球状石墨，对基体的割裂作用最小，因而强度、塑性和韧性最高，可替代部分铸钢。)11.C(金属材料依靠自由电子导热，热导率通常远高于非金属材料。纯铜是优良的导热导体。)12.B(硬度是材料表面抵抗局部塑性变形的能力，常用压入法测量。)13.A(W、Mo、V等强碳化物形成元素能形成高温下稳定的特殊碳化物，产生二次硬化效应，使钢具有红硬性。)14.C(随着含碳量增加，硬而脆的渗碳体相增多，故硬度增加，塑性、韧性下降。强度先增后降，在共析成分附近达到峰值。)15.A(蠕变是恒定应力下的应变随时间增加的现象；B是应力松弛；C是滞弹性；D是疲劳。)二、填空题1.无机非金属材料；高分子材料2.形核；长大3.体心立方（BCC）；Fe₃C4.正火；淬火5.上贝氏体（或贝氏体）（注：550℃左右通常对应上贝氏体转变区，下贝氏体在更低温度。）6.0.40；铬7.铸造；变形8.支链型；体型（或网状）9.成型；干燥10.交变（或循环）三、判断题1.√(金属是晶体，有固定熔点。)2.×(珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。)3.√(淬透性是材料本身属性，取决于C曲线位置，与外部条件无关。淬硬层深度才与工件尺寸、介质有关。)4.×(可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火得到，其石墨呈团絮状，塑性、韧性优于灰铸铁，但仍不能进行锻造。)5.√(普通黄铜是Cu-Zn合金。)6.×(高分子材料是不同分子量同系物的混合物，其分子量是统计平均值。)7.√(陶瓷内部存在大量微裂纹、气孔等缺陷，对拉应力敏感，抗压强度通常是抗拉强度的5-10倍。)8.√(弹性模量主要取决于原子间结合力，对显微组织不敏感。)9.×(轴承合金要求摩擦系数小、磨合性好、抗咬合性好，常用软基体上分布硬质点的巴氏合金，如锡基、铅基合金。)10.√(复合材料的核心设计思想就是通过复合效应获得原组分材料不具备的性能。)四、名词解释1.同素异构转变：某些金属在固态下，其晶体结构随温度或压力发生改变的现象。例如，纯铁在912℃以下为体心立方结构的α-Fe，在912-1394℃之间为面心立方结构的γ-Fe。2.淬透性：指钢在淬火时获得马氏体组织深度的能力。它反映了钢在淬火时奥氏体转变为马氏体的难易程度，是钢的固有属性，主要取决于合金元素含量。3.调质处理：指淬火后加高温回火（通常500-650℃）的复合热处理工艺。其目的是使工件获得回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能，即较高的强度、塑性和韧性。4.形状记忆效应：指某些材料在发生塑性变形后，通过加热到某一温度以上，能够恢复其原始形状的现象。其本质是马氏体相变及其逆转变。5.复合材料：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，经人工复合而成的一种多相固体材料。各组分材料保持其相对独立性，但复合材料的性能优于各组分材料，并可能产生新的特性。五、简答题1.区别：本质：固溶强化是溶质原子溶入溶剂晶格，造成晶格畸变，阻碍位错运动；弥散强化是细小、硬质的第二相颗粒弥散分布在基体中，位错绕过或切过颗粒而受阻。相状态：固溶强化是单相固溶体；弥散强化是复相组织（基体+第二相）。温度稳定性：固溶强化的强化效果随温度升高下降较快；弥散强化的颗粒在高温下较稳定，高温强化效果好。对塑韧性影响：固溶强化通常降低塑性和韧性；弥散强化（尤其是不可变形颗粒）在提高强度的同时，对塑韧性削弱相对较小。2.回火：将淬火后的钢件加热到Ac₁以下某一温度，保温后冷却的热处理工艺。组织性能变化趋势：低温回火（150-250℃）：马氏体分解，析出ε-碳化物，得到回火马氏体。内应力部分消除，硬度略有下降，韧性有所提高。中温回火（350-500℃）：残余奥氏体分解，马氏体分解完成，形成回火托氏体（铁素体基体上分布细粒状渗碳体）。弹性极限高，具有一定的韧性。高温回火（500-650℃）：渗碳体聚集长大，形成回火索氏体（等轴铁素体+粒状渗碳体）。获得良好的综合力学性能。3.主要区别：成分：铸铁含碳量高（>2.11%），且含有较多的Si、Mn、S、P等元素；钢的含碳量较低（<2.11%），杂质元素控制严格。组织：铸铁组织中存在石墨（碳的一种存在形式）；钢中的碳主要以渗碳体或合金碳化物形式存在。性能：铸铁（尤其是灰铸铁）抗压强度高，减震性好，切削加工性好，铸造性能优良，但塑性、韧性差，不能锻造；钢的强度、塑性、韧性好，可通过热处理大幅改变性能，可锻可焊。4.举例：聚乙烯（PE）：特性：无毒、无味，化学稳定性好，电绝缘性好，柔软，耐低温。应用：食品包装袋、容器、电线电缆绝缘层。聚酰胺（PA，尼龙）：特性：高强度、高韧性、耐磨、自润滑、耐油。应用：齿轮、轴承、衬套、绳索。聚碳酸酯（PC）：特性：透明度高，冲击韧性极好（“不碎玻璃”），尺寸稳定，耐热。应用：防弹玻璃、灯罩、安全帽、医疗器械。5.主要优点：高硬度、高耐磨性；高弹性模量、高刚度；高熔点、优异的高温强度、抗蠕变能力强；化学稳定性好，耐腐蚀、抗氧化；密度一般低于金属。主要缺点：脆性大，抗拉强度低，断裂韧性低；塑性、韧性极差，难以进行塑性加工；对缺陷（裂纹、气孔）敏感；加工成型困难，成本较高。六、综合分析与计算题1.解析：(1)合金A：组织为P+Fe₃CⅡ（网状），说明为过共析钢。含碳量范围：0.77%<w(C)<2.11%。合金B：组织为P+F（块状），说明为亚共析钢。含碳量范围：0.0218%<w(C)<0.77%。(2)比较：硬度与强度：合金A中硬脆的二次渗碳体呈连续网状，对基体割裂严重，故其硬度高于合金B。但网状渗碳体使基体不连续，可能导致强度（尤其是抗拉强度）并不一定比合金B高，甚至可能更低。硬度与强度：合金A中硬脆的二次渗碳体呈连续网状，对基体割裂严重，故其硬度高于合金B。但网状渗碳体使基体不连续，可能导致强度（尤其是抗拉强度）并不一定比合金B高，甚至可能更低。塑性：合金A中网状渗碳体严重阻碍塑性变形，塑性远低于合金B。塑性：合金A中网状渗碳体严重阻碍塑性变形，塑性远低于合金B。(3)改善工艺：采用正火。原理：将合金A加热到Ac₃以上30-50℃，使网状渗碳体充分溶解于奥氏体中，然后在空气中冷却。较快的冷却速度可以抑制