工程材料2018b卷试题及答案

工程材料2018b卷试题及答案一、选择题（30分，每题1分）1.下列材料中，属于金属材料的是（）A.塑料B.钢C.橡胶D.陶瓷2.材料硬度的表示方法中，洛氏硬度常用符号（）表示A.HBB.HRC.HVD.HS3.铁碳合金中，含碳量0.77%的合金称为（）A.亚共析钢B.共析钢C.过共析钢D.白口铸铁4.下列热处理工艺中，能够提高材料硬度和耐磨性的是（）A.退火B.正火C.淬火D.回火5.高分子材料的链结构中，重复单元称为（）A.单体B.链节C.聚合度D.分子量6.陶瓷材料的主要结合键是（）A.金属键B.离子键C.共价键D.分子键7.材料在弹性变形阶段，应力与应变成（）关系A.线性B.非线性C.指数D.对数8.下列材料中，导电性最好的是（）A.铜B.铝C.铁D.铅9.材料疲劳极限是指材料在无限次应力循环下而不发生断裂的（）A.最大应力B.最小应力C.平均应力D.应力幅值10.复合材料中，起增强作用的相称为（）A.基体相B.分散相C.连续相D.增强相11.铁碳合金中，含碳量0.0218%的合金称为（）A.工业纯铁B.亚共析钢C.共析钢D.过共析钢12.下列热处理工艺中，能够降低材料硬度、提高塑性和韧性的是（）A.淬火B.回火C.退火D.正火13.高分子材料的玻璃化转变温度是指（）A.材料从玻璃态转变为高弹态的温度B.材料从高弹态转变为粘流态的温度C.材料从晶态转变为非晶态的温度D.材料从固态转变为液态的温度14.下列材料中，属于热塑性塑料的是（）A.酚醛树脂B.环氧树脂C.聚乙烯D.聚酯15.材料的屈服强度是指材料开始发生（）时的应力A.弹性变形B.塑性变形C.断裂D.颈缩16.下列材料中，耐腐蚀性最好的是（）A.碳钢B.不锈钢C.铸铁D.铝合金17.材料断裂前所能吸收的能量称为（）A.韧性B.硬度C.强度D.塑性18.下列材料中，密度最小的是（）A.钢B.铝C.钛D.镁19.材料的热膨胀系数是指温度每升高1℃时，（）的相对变化量A.体积B.长度C.面积D.质量20.下列材料中，属于生物医用材料的是（）A.不锈钢B.钛合金C.医用高分子材料D.以上都是21.材料的蠕变是指材料在（）作用下，随时间发生的缓慢变形A.恒定温度B.恒定载荷C.交变载荷D.以上都是22.下列材料中，属于功能材料的是（）A.结构材料B.半导体材料C.工程材料D.建筑材料23.材料的磁导率是指（）与真空磁导率的比值A.磁感应强度B.磁场强度C.磁化强度D.磁阻24.下列材料中，属于纳米材料的是（）A.微米级金属粉末B.纳米级陶瓷颗粒C.微米级高分子材料D.微米级复合材料25.材料的各向异性是指材料的性能随（）而变化的现象A.温度B.时间C.方向D.应力状态26.下列材料中，属于自修复材料的是（）A.形状记忆合金B.微胶囊自修复材料C.智能材料D.以上都是27.材料的断裂韧性是指材料抵抗（）的能力A.弹性变形B.塑性变形C.裂纹扩展D.腐蚀28.下列材料中，属于高温材料的是（）A.塑料B.橡胶C.陶瓷基复合材料D.木材29.材料的介电常数是指材料在电场中（）的能力A.导电B.储存电能C.阻碍电流D.产生磁场30.下列材料中，属于超导材料的是（）A.铜B.铝C.水银D.铌钛合金二、填空题（20分，每空1分）1.工程材料按化学成分可分为金属材料、________和复合材料三大类。2.材料的力学性能主要包括强度、________、硬度和韧性等。3.铁碳合金相图中的三个基本相是铁素体、________和渗碳体。4.金属材料热处理的基本工艺包括退火、正火、________和回火。5.高分子材料的合成方法主要有加聚反应和________两大类。6.陶瓷材料的制备工艺主要包括原料处理、成形和________三个阶段。7.材料的疲劳是指材料在________载荷作用下发生的破坏现象。8.复合材料按基体材料可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和________。9.金属材料的强化机制主要有固溶强化、________和细晶强化。10.材料的导电性通常用________表示，其单位是Ω·m。11.高分子材料的结构可分为一级结构、二级结构、三级结构和________。12.材料的硬度测试方法常用的有布氏硬度、________和维氏硬度等。13.金属材料的腐蚀可分为化学腐蚀和________两大类。14.材料的热处理工艺中，________能够获得细小的珠光体组织，提高材料的强度和韧性。15.高分子材料的加工方法主要有挤出、________、注塑和模压等。16.材料的断裂形式可分为脆性断裂和________两大类。17.金属材料的铸造工艺可分为砂型铸造、________和特种铸造等。18.材料的老化是指材料在________作用下性能逐渐变差的现象。19.金属材料的焊接方法可分为熔焊、________和钎焊三大类。20.材料的选择应考虑使用性能、工艺性能和________三方面因素。三、判断题（10分，每题1分）1.金属材料都是导电的。（）2.所有金属都具有良好的塑性。（）3.退火能够提高材料的硬度和强度。（）4.高分子材料都是绝缘体。（）5.陶瓷材料都是脆性的。（）6.材料的疲劳强度通常小于其静强度。（）7.复合材料的性能总是优于其组成材料。（）8.所有金属都有磁性。（）9.材料的硬度越高，其韧性一定越好。（）10.材料的选择只需要考虑其使用性能即可。（）四、名词解释（20分，每题4分）1.材料的屈服强度2.金属的淬透性3.高分子材料的玻璃化转变温度4.复合材料的界面5.材料的断裂韧性五、简答题（20分，每题5分）1.简述金属材料的主要强化机制。2.说明陶瓷材料的制备工艺及其特点。3.简述高分子材料的分类及其主要特点。4.解释材料疲劳破坏的特点及影响因素。六、论述题（20分，每题10分）1.论述工程材料选择的基本原则及方法。2.比较金属、陶瓷和高分子材料的主要性能特点及应用场合。七、计算题（20分，每题10分）1.有一直径为10mm的低碳钢试样，进行拉伸试验时，测得其屈服载荷为25kN，断裂载荷为40kN，断裂后标距长度为65mm，原始标距为50mm。求该材料的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。2.有一根长度为2m的铜导线，横截面积为2mm²，电阻率为1.7×10⁻⁸Ω·m。求该导线的电阻值。答案：一、选择题（30分，每题1分）1.B。解析：金属材料是以金属元素为基础的材料，如钢、铁、铝、铜等。塑料属于高分子材料，橡胶也属于高分子材料，陶瓷属于无机非金属材料。2.B。解析：材料硬度的表示方法有多种，其中洛氏硬度用HR表示，布氏硬度用HB表示，维氏硬度用HV表示，肖氏硬度用HS表示。3.B。解析：在铁碳合金相图中，含碳量0.77%的合金称为共析钢，其室温组织为珠光体。4.C。解析：退火、正火和回火是软化热处理工艺，能够降低材料硬度，提高塑性和韧性；而淬火是硬化热处理工艺，能够提高材料的硬度和耐磨性。5.B。解析：高分子材料是由许多小分子（单体）通过化学反应连接而成的大分子，其中重复的化学结构单元称为链节。6.B。解析：陶瓷材料是由金属元素和非金属元素通过离子键或共价键结合而成的无机非金属材料，其主要结合键是离子键和共价键。7.A。解析：根据胡克定律，在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，即线性关系。8.A。解析：铜、铝、铁、铅都是金属，但导电性最好的是铜，其次是铝，然后是铁，导电性最差的是铅。9.A。解析：材料的疲劳极限是指材料在无限次应力循环下而不发生断裂的最大应力，也称为疲劳强度。10.D。解析：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的新型材料，其中起增强作用的相称为增强相，起粘结作用的相称为基体相。11.A。解析：在铁碳合金相图中，含碳量0.0218%的合金称为工业纯铁，其室温组织为铁素体。12.C。解析：淬火和回火通常用于提高材料的硬度和强度；退火能够降低材料硬度，提高塑性和韧性；正火能够细化晶粒，提高材料的强度和韧性。13.A。解析：高分子材料的玻璃化转变温度是指材料从玻璃态转变为高弹态的温度，在此温度以下，高分子材料呈刚性玻璃态；在此温度以上，呈柔软的高弹态。14.C。解析：热塑性塑料是指加热后可以软化、流动，冷却后又能硬化，这个过程可以反复进行的塑料，如聚乙烯、聚丙烯等。热固性塑料是指加热后发生化学反应，形成交联结构，不能再软化的塑料，如酚醛树脂、环氧树脂等。15.B。解析：材料的屈服强度是指材料开始发生塑性变形时的应力，是金属材料重要的力学性能指标。16.B。解析：不锈钢中含有铬、镍等合金元素，能够在表面形成致密的氧化膜，提高材料的耐腐蚀性。碳钢和铸铁的耐腐蚀性较差，铝合金虽然有一定的耐腐蚀性，但不如不锈钢。17.A。解析：韧性是指材料断裂前所能吸收的能量，是衡量材料抗冲击能力的指标。硬度是指材料抵抗局部硬物压入其表面的能力，强度是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，塑性是指材料在断裂前发生永久变形的能力。18.D。解析：钢的密度约为7.85g/cm³，铝的密度约为2.7g/cm³，钛的密度约为4.5g/cm³，镁的密度约为1.74g/cm³，因此镁的密度最小。19.B。解析：材料的热膨胀系数是指温度每升高1℃时，长度的相对变化量，即ΔL/L₀，单位是1/℃或K⁻¹。20.D。解析：生物医用材料是指用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官功能的材料，包括不锈钢、钛合金、医用高分子材料等。21.B。解析：材料的蠕变是指材料在恒定温度和恒定载荷作用下，随时间发生的缓慢变形。高温下金属材料的蠕变现象尤为明显。22.B。解析：功能材料是指具有特殊物理、化学或生物功能的一类材料，如半导体材料、磁性材料、光电材料等。结构材料是指以力学性能为主要使用性能的材料，如建筑用钢材、机械零件用材料等。23.C。解析：材料的磁导率是指材料的磁化强度与磁场强度的比值，与真空磁导率的比值称为相对磁导率。24.B。解析：纳米材料是指结构单元的尺寸在1-100nm范围内的材料，纳米级陶瓷颗粒属于纳米材料。25.C。解析：材料的各向异性是指材料的性能随方向而变化的现象，如单晶材料的力学性能、导电性能等随晶体学方向不同而不同。26.B。解析：自修复材料是指能够在受到损伤后自动修复损伤的材料，微胶囊自修复材料是一种常见的自修复材料，其中含有修复剂的微胶囊分布在基体材料中，当材料受损时，微胶囊破裂，释放修复剂进行修复。27.C。解析：材料的断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力，是衡量材料抗脆性断裂能力的指标。28.C。解析：高温材料是指能够在高温下保持良好力学性能和物理化学性能的材料，陶瓷基复合材料具有优异的高温性能，能够在高温下保持强度和刚度。29.B。解析：材料的介电常数是指材料在电场中储存电能的能力，是介电材料的重要性能指标。30.D。解析：超导材料是指在一定温度下电阻完全为零的材料，如铌钛合金、钇钡铜氧等。铜和铝在常温下是良导体，但不具有超导性；水银在极低温度下（4.2K）具有超导性，但铌钛合金是常用的实用超导材料。二、填空题（20分，每空1分）1.非金属材料2.塑性3.奥氏体4.淬火5.缩聚反应6.烧结7.交变8.高分子基复合材料9.第二相强化10.电阻率11.四级结构12.洛氏硬度13.电化学腐蚀14.正火15.压延16.韧性断裂17.特种铸造18.环境19.压焊20.经济性三、判断题（10分，每题1分）1.×。解析：大多数金属材料都是导电的，但也有一些金属如汞在常温下是液体，导电性较差；还有一些金属合金如电阻合金具有特定的电阻率。2.×。解析：金属的塑性与其晶体结构、纯度、温度等因素有关，纯金属通常具有良好的塑性，但合金的塑性可能较差，如铸铁的塑性就很差。3.×。解析：退火是一种软化热处理工艺，能够降低材料的硬度，提高塑性和韧性，而不是提高硬度和强度。4.×。解析：大多数高分子材料是绝缘体，但也有一些高分子材料如导电高分子材料具有导电性。5.√。解析：陶瓷材料是由离子键或共价键结合而成的，这些键的方向性很强，导致陶瓷材料通常呈脆性，塑性较差。6.√。解析：材料的疲劳强度通常小于其静强度，因为交变载荷会在材料内部产生微裂纹，逐渐扩展导致断裂。7.√。解析：复合材料的性能可以通过选择合适的增强相和基体相，以及优化界面结构，获得优于其组成材料的性能，如高强度、高刚度、耐高温等。8.×。解析：金属的磁性与其电子结构有关，铁、钴、镍等金属具有铁磁性，而铜、铝、锌等金属则没有磁性或具有很弱的磁性。9.×。解析：材料的硬度和韧性通常是相互矛盾的，硬度高的材料通常韧性较差，如陶瓷材料硬度高但脆性大；而韧性好的材料通常硬度较低，如大多数金属材料。10.×。解析：材料的选择需要综合考虑使用性能、工艺性能和经济性三方面因素，不能只考虑使用性能。四、名词解释（20分，每题4分）1.材料的屈服强度：是指材料开始发生塑性变形时的应力，是金属材料重要的力学性能指标。通常用σs表示，单位为MPa。对于无明显屈服现象的材料，常用规定塑性延伸强度，如Rp0.2，表示产生0.2%残余变形时的应力。2.金属的淬透性：是指钢在淬火时获得马氏体组织的能力，是钢材固有的一种属性。淬透性好的钢在淬火时能够获得较深的淬硬层，适用于制造大截面零件。淬透性主要取决于钢的化学成分，特别是碳含量和合金元素含量。3.高分子材料的玻璃化转变温度：是指高分子材料从玻璃态转变为高弹态的温度，通常用Tg表示。在此温度以下，高分子链段被冻结，材料呈刚性玻璃态；在此温度以上，链段可以运动，材料呈柔软的高弹态。玻璃化转变温度是高分子材料的重要性能参数，影响其使用温度范围。4.复合材料的界面：是指复合材料中增强相与基体相之间的接触区域，是复合材料的重要组成部分。界面具有传递应力、阻止裂纹扩展、保护增强相等功能。界面的性质和结构直接影响复合材料的性能，如强度、韧性、耐腐蚀性等。5.材料的断裂韧性：是指材料抵抗裂纹扩展的能力，是衡量材料抗脆性断裂能力的指标。通常用KIC表示，单位为MPa·m^1/2。断裂韧性高的材料在含有裂纹或缺陷的情况下仍能保持较高的强度，适用于制造关键结构件。五、简答题（20分，每题5分）1.简述金属材料的主要强化机制。金属材料的强化机制主要有以下几种：(1)固溶强化：通过向纯金属中加入其他元素形成固溶体，阻碍位错运动，提高材料的强度和硬度。固溶强化的效果取决于溶质原子的种类、浓度和尺寸差异。(2)第二相强化：通过在基体中引入第二相粒子，阻碍位错运动，提高材料的强度和硬度。第二相可以是析出相、夹杂物等，其强化效果取决于第二相的尺寸、形状、分布和体积分数。(3)细晶强化：通过细化晶粒，增加晶界数量，阻碍位错运动，提高材料的强度和硬度。根据霍尔-佩奇关系，材料的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比。(4)形变强化：通过塑性变形增加位错密度，阻碍位错运动，提高材料的强度和硬度。形变强化是金属材料加工硬化的重要原因。(5)相变强化：通过热处理改变材料的组织结构，如马氏体相变、贝氏体相变等，提高材料的强度和硬度。2.说明陶瓷材料的制备工艺及其特点。陶瓷材料的制备工艺主要包括以下几个阶段：(1)原料处理：包括原料的粉碎、混合、造粒等，目的是获得均匀、细化的原料粉末。(2)成形：将原料粉末成形为所需形状，常用方法有干压成形、等静压成形、注浆成形、挤压成形等。成形过程中需要控制成形压力、温度等参数，以获得致密的生坯。(3)烧结：将成形后的生坯在高温下进行热处理，使颗粒间发生物质传递，形成致密的陶瓷体。烧结温度通常在材料的熔点以下，具体温度取决于材料的种类和性能要求。陶瓷材料制备工艺的特点：(1)高能耗：陶瓷材料的烧结通常需要高温，能耗较高。(2)脆性大：陶瓷材料是由离子键或共价键结合而成的，这些键的方向性很强，导致陶瓷材料通常呈脆性，塑性较差。(3)耐高温：陶瓷材料具有优异的高温性能，能够在高温下保持强度和刚度。(4)耐腐蚀：陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性，能够抵抗酸、碱、盐等介质的侵蚀。(5)绝缘性好：大多数陶瓷材料是绝缘体，具有良好的电绝缘性能。3.简述高分子材料的分类及其主要特点。高分子材料按来源可分为天然高分子材料和合成高分子材料；按受热行为可分为热塑性塑料和热固性塑料；按用途可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂等。主要特点：(1)质轻：高分子材料的密度通常较小，如聚乙烯的密度约为0.92g/cm³，比水还轻。(2)强度高：某些高分子材料如聚酰胺、聚酯等具有较高的强度和刚度，能够满足工程应用的要求。(3)耐腐蚀：高分子材料具有良好的耐腐蚀性，能够抵抗酸、碱、盐等介质的侵蚀。(4)绝缘性好：大多数高分子材料是绝缘体，具有良好的电绝缘性能。(5)易加工：高分子材料通常可以通过注塑、挤出、压延等方法加工成各种形状，加工工艺简单。(6)耐热性差：大多数高分子材料的耐热性较差，通常只能在100℃以下使用，少数特种高分子材料如聚醚醚酮(PEEK)能够在250℃以上使用。(7)易老化：高分子材料在光、热、氧等作用下容易发生老化，性能逐渐变差。4.解释材料疲劳破坏的特点及影响因素。材料疲劳破坏的特点：(1)低应力破坏：疲劳破坏通常在远低于材料静强度的应力下发生。(2)突发性：疲劳破坏没有明显的前兆，通常是突然发生的。(3)循环次数依赖性：疲劳破坏与应力循环次数有关，循环次数越多，疲劳寿命越短。(4)局部性：疲劳破坏通常从应力集中处开始，如缺口、裂纹等。(5)断口特征：疲劳断口通常可分为疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，疲劳裂纹扩展区呈光滑的贝壳状纹路，瞬时断裂区呈粗糙的韧窝或解理花样。影响因素：(1)应力幅值：应力幅值越大，疲劳寿命越短。(2)应力比：应力比对疲劳寿命有显著影响，对称循环应力(应力比为-1)下的疲劳寿命通常比非对称循环应力下的疲劳寿命短。(3)平均应力：平均应力对疲劳寿命有显著影响，拉应力会降低疲劳寿命，压应力会提高疲劳寿命。(4)应力集中：缺口、裂纹等应力集中会显著降低疲劳寿命。(5)表面状态：表面粗糙度、残余应力等表面状态对疲劳寿命有显著影响，表面粗糙度大、存在拉残余应力会降低疲劳寿命。(6)环境因素：温度、腐蚀介质等环境因素对疲劳寿命有显著影响，高温、腐蚀环境会降低疲劳寿命。(7)材料因素：材料的成分、组织、性能等对疲劳寿命有显著影响，纯度高、组织均匀、韧性好通常具有较高的疲劳寿命。六、论述题（20分，每题10分）1.论述工程材料选择的基本原则及方法。工程材料选择的基本原则：(1)使用性能原则：所选材料必须满足零件在使用过程中的性能要求，如力学性能、物理性能、化学性能等。例如，高温环境下工作的零件需要选择耐高温材料，腐蚀环境下工作的零件需要选择耐腐蚀材料。(2)工艺性能原则：所选材料必须满足零件制造过程中的工艺要求，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。例如，形状复杂的零件适合选择铸造性能好的材料，需要焊接的零件适合选择焊接性能好的材料。(3)经济性原则：在满足使用性能和工艺性能的前提下，选择成本最低的材料。需要考虑材料的价格、加工成本、使用寿命、维护成本等因素。(4)环保性原则：所选材料应尽可能减少对环境的影响，如选择可再生材料、可回收材料、低毒材料等。(5)可持续性原则：所选材料应考虑资源的可持续利用，如选择储量丰富的材料、替代稀缺材料的材料等。工程材料选择的方法：(1)明确设计要求：首先需要明确零件的工作条件、性能要求、尺寸精度、表面质量等设计要求。(2)初步筛选材料：根据设计要求，从工程材料手册、数据库等资料中初步筛选可能满足要求的材料。(3)详细评估材料：对初步筛选的材料进行详细评估，包括使用性能、工艺性能、经济性等方面，确定几种候选材料。(4)试验验证：对候选材料进行试验验证，如力学性能试验、耐腐蚀试验、疲劳试验等，确保材料满足设计要求。(5)最终选择：根据试验结果和综合评估，选择最适合的材料。(6)优化设计：根据所选材料的特性，优化零件的结构设计，如改进形状、减少应力集中等，提高零件的性能和可靠性。工程材料选择是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素，通常需要设计人员、材料工程师、制造工程师等多方面的合作。随着新材料、新工艺的发展，工程材料选择的方法也在不断更新和完善。2.比较金属、陶瓷和高分子材料的主要性能特点及应用场合。金属、陶瓷和高分子材料是三大类工程材料，它们具有不同的性能特点和应用场合。金属材料：性能特点：(1)高强度和高韧性：金属材料通常具有较高的强度和韧性，能够承受较大的载荷和冲击。(2)良好的导电性和导热性：金属材料具有良好的导电性和导热性，适合用于电气和热传导场合。(3)良好的加工性能：金属材料通常具有良好的铸造、锻造、焊接、切削加工等性能，能够加工成各种形状。(4)耐热性较好：大多数金属材料具有良好的耐热性，能够在较高温度下使用。(5)易腐蚀：大多数金属材料容易发生腐蚀，需要采取防腐措施。应用场合：(1)建筑结构：如钢筋、钢结构等。(2)机械零件：如轴、齿轮、轴承等。(3)电气设备：如导线、电机、变压器等。(4)交通工具：如汽车车身、飞机机身、船舶等。(5)工具材料：如刀具、模具等。陶瓷材料：性能特点：(1)高硬度：陶瓷材料通常具有很高的硬度，耐磨性好。(2)耐高温：陶瓷材料具有优异的高温性能，能够在高温下保持强度和刚度。(3)耐腐蚀：陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性，能够抵抗酸、碱、盐等介质的侵蚀。(4)绝缘性好：大多数陶瓷材料是绝缘体，具有良好的电绝缘性能。(5)脆性大：陶瓷材料是由离子键或共价键结合而成的，这些键的方向性很强，导致陶瓷材料通常呈脆性，塑性较差。应用场合：(1)高温结构材料：如发动机叶片、燃烧室等。(2)切削工具：如硬质合金刀具、陶瓷刀具等。(3)电子材料：如绝缘子、电容器、集成电路基板等。(4)生物医学材料：如人工关节、牙科材料等。(5)建筑材料：如瓷砖、卫生陶瓷等。高分子材料：性能特点：(1)质轻：高分子材料的密度通常较小，如聚乙烯的密度约为0.92g/cm³，比水还轻。(2)强度高：某些高分子材料如