第21练 新材料简介 江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练

编写说明：考虑到中职学生普遍基础知识相对薄弱的情况，我们依据支架式教学理念，精心编制了江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练。专辑里的每一份练习，都与课堂所授知识点紧密相关，题目围绕课堂所学知识点呈现。目的在于激发学生的学习兴趣，培养他们的学习自觉性，帮助学生扎实掌握课程的基本概念与基本方法，为他们后续的逐步提升奠定坚实基础。 本卷是江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练的第21练，内容涵盖3-7 新材料简介。 江苏省（职教高考）机械类 一课一练 《机械基础》（高教版·第3版） 第21练 模块3 工程材料 第7节 新材料简介 一、单项选择题 1．一种新材料既具有金属的导电导热性和塑性，又在特定条件下像玻璃一样在某个温度区间发生软化流动，被称为非晶态金属。这种材料与传统金属的本质区别在于（ ） A．成分完全不同，不含任何金属元素 B．具有更高的密度和熔点 C．原子排列为无序的非晶态结构而非晶态结构 D．可以在常温下像塑料一样注射成型 2．在制造航空发动机涡轮叶片时，要求材料在1000°C以上的高温下仍保持高强度和抗氧化性，且密度要尽可能小。最适合的材料是（ ） A．高强度合金钢 B．镍基高温合金 C．钛合金 D．钨合金 3．形状记忆合金具有独特的形状记忆效应——在低温下发生塑性变形后，加热到一定温度又能自动恢复原来的形状。这种效应的物理本质是（ ） A．材料在加热时发生再结晶消除了变形 B．材料在加热时发生弹性恢复 C．材料发生了普通的热胀冷缩 D．马氏体相与奥氏体相之间的可逆相变 4．纳米材料由于晶粒尺寸达到纳米级（1至100nm），晶界体积分数极高，表现出不同于传统粗晶材料的独特性能。纳米金属的强度和硬度通常比同成分的传统金属（ ） A．显著提高 B．显著降低 C．基本不变 D．先升高后降低 5．碳纤维复合材料在航空航天、赛车和体育器材中广泛应用。碳纤维增强复合材料的比强度（强度/密度）远超金属材料，其主要原因是（ ） A．碳纤维的强度极高而密度低于金属 B．碳纤维具有自润滑特性减少了摩擦损耗 C．碳纤维的塑性极好可吸收大量冲击能量 D．碳纤维与树脂基体发生化学反应生成强化相 6．在医学领域，一种金属材料被用于制造人工关节和骨固定板，因为它不仅具有高强度和良好的韧性，还能与人体骨骼形成牢固的化学结合而不被人体排斥。这种材料是（ ） A．不锈钢 B．钴铬合金 C．钛及钛合金 D．镁合金 二、填空题 7．常用的新型工程材料主要有：原子排列无序、强度和硬度优异的____金属；在高温下保持高强度的____合金；具有形状记忆效应的____合金；晶粒尺寸在纳米级的____材料；以及以碳纤维、陶瓷纤维等为增强相的先进____材料。 8．形状记忆合金在____温下发生塑性变形后，加热到一定温度以上时能自动恢复到____前的形状。这种形状记忆效应源于合金中____相与____相之间的可逆相变。最常用的形状记忆合金是____合金。 三、问答题 9．非晶态金属、纳米材料和碳纤维复合材料是三类具有代表性的新型材料。请分别说明这三类材料在结构或组织上的特殊之处，以及由此带来的突出性能优点，并各举一个工程应用实例。 10．高温合金和钛合金都是重要的航空航天材料，但二者的适用温度范围和应用场景不同。请回答：（1）分别说明高温合金和钛合金的主要合金元素、最高使用温度和典型应用。（2）在航空发动机中，为什么压气机叶片用钛合金而涡轮叶片用高温合金？从工作温度和材料性能角度分析原因。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 编写说明：考虑到中职学生普遍基础知识相对薄弱的情况，我们依据支架式教学理念，精心编制了江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练。专辑里的每一份练习，都与课堂所授知识点紧密相关，题目围绕课堂所学知识点呈现。目的在于激发学生的学习兴趣，培养他们的学习自觉性，帮助学生扎实掌握课程的基本概念与基本方法，为他们后续的逐步提升奠定坚实基础。 本卷是江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练的第21练，内容涵盖3-7 新材料简介。 江苏省（职教高考）机械类 一课一练 《机械基础》（高教版·第3版） 第21练 模块3 工程材料 第7节 新材料简介 一、单项选择题 1．一种新材料既具有金属的导电导热性和塑性，又在特定条件下像玻璃一样在某个温度区间发生软化流动，被称为非晶态金属。这种材料与传统金属的本质区别在于（ ） A．成分完全不同，不含任何金属元素 B．具有更高的密度和熔点 C．原子排列为无序的非晶态结构而非晶态结构 D．可以在常温下像塑料一样注射成型 【答案】C 【解析】非晶态金属通过极快冷却使金属液体的无序原子排列被冻结，形成非晶态结构，无晶界和位错等晶体缺陷，因而具有优异的强度、硬度和耐腐蚀性。 2．在制造航空发动机涡轮叶片时，要求材料在1000°C以上的高温下仍保持高强度和抗氧化性，且密度要尽可能小。最适合的材料是（ ） A．高强度合金钢 B．镍基高温合金 C．钛合金 D．钨合金 【答案】B 【解析】镍基高温合金在1000°C以上仍能保持高强度、抗蠕变和抗氧化，是航空发动机涡轮叶片和燃烧室的首选材料。钛合金使用温度一般不超过600度；钨合金密度太大不适合航空。 3．形状记忆合金具有独特的形状记忆效应——在低温下发生塑性变形后，加热到一定温度又能自动恢复原来的形状。这种效应的物理本质是（ ） A．材料在加热时发生再结晶消除了变形 B．材料在加热时发生弹性恢复 C．材料发生了普通的热胀冷缩 D．马氏体相与奥氏体相之间的可逆相变 【答案】D 【解析】形状记忆效应源于马氏体（低温相）与奥氏体（高温相）之间的热弹性马氏体可逆相变。低温变形改变了马氏体变体的取向，加热时马氏体逆转变为奥氏体，宏观上恢复原形状。典型材料为NiTi合金（镍钛诺）。 4．纳米材料由于晶粒尺寸达到纳米级（1至100nm），晶界体积分数极高，表现出不同于传统粗晶材料的独特性能。纳米金属的强度和硬度通常比同成分的传统金属（ ） A．显著提高 B．显著降低 C．基本不变 D．先升高后降低 【答案】A 【解析】根据Hall-Petch关系，晶粒越细强度越高。纳米材料晶粒尺寸极小、晶界体积分数高，位错运动受到晶界的强烈阻碍，因此强度和硬度显著高于传统粗晶材料。但纳米材料的塑性通常较低。 5．碳纤维复合材料在航空航天、赛车和体育器材中广泛应用。碳纤维增强复合材料的比强度（强度/密度）远超金属材料，其主要原因是（ ） A．碳纤维的强度极高而密度低于金属 B．碳纤维具有自润滑特性减少了摩擦损耗 C．碳纤维的塑性极好可吸收大量冲击能量 D．碳纤维与树脂基体发生化学反应生成强化相 【答案】A 【解析】碳纤维强度极高（3000至7000MPa）而密度仅约1.8g/cm³（约为钢的1/4），因此比强度远超金属。碳纤维本身脆性大、塑性差，与树脂基体是物理结合而非化学反应，自润滑是附带特性而非比强度高的主因。 6．在医学领域，一种金属材料被用于制造人工关节和骨固定板，因为它不仅具有高强度和良好的韧性，还能与人体骨骼形成牢固的化学结合而不被人体排斥。这种材料是（ ） A．不锈钢 B．钴铬合金 C．钛及钛合金 D．镁合金 【答案】C 【解析】钛及钛合金具有优异的生物相容性——表面形成的氧化膜使钛在人体环境中极其稳定不被腐蚀，且能与骨组织形成骨整合（骨细胞直接长入钛表面微孔）。钛合金强度和韧性满足承载要求，弹性模量更接近骨骼（避免应力屏蔽效应）。不锈钢和钴铬合金虽也可用于植入物但生物相容性不如钛。 二、填空题 7．常用的新型工程材料主要有：原子排列无序、强度和硬度优异的____金属；在高温下保持高强度的____合金；具有形状记忆效应的____合金；晶粒尺寸在纳米级的____材料；以及以碳纤维、陶瓷纤维等为增强相的先进____材料。 【答案】非晶态；高温；形状记忆；纳米；复合 【解析】五大类新材料各有特征：非晶态——无序结构高强度；高温合金——高温度保持强度；形状记忆合金——可逆相变恢复形状；纳米材料——极细晶粒高强高硬；先进复合材料——高性能纤维增强。 8．形状记忆合金在____温下发生塑性变形后，加热到一定温度以上时能自动恢复到____前的形状。这种形状记忆效应源于合金中____相与____相之间的可逆相变。最常用的形状记忆合金是____合金。 【答案】低；变形；马氏体；奥氏体；NiTi 【解析】形状记忆合金的应用：血管支架（低温压缩后送入血管，体温下膨胀支撑血管）、眼镜架（变形后用热水浸泡恢复形状）、卫星天线（折叠发射后在太空展开）。其核心原理是热弹性马氏体相变的可逆性。 三、问答题 9．非晶态金属、纳米材料和碳纤维复合材料是三类具有代表性的新型材料。请分别说明这三类材料在结构或组织上的特殊之处，以及由此带来的突出性能优点，并各举一个工程应用实例。 【答案】（1）非晶态金属：原子排列为长程无序的非晶态结构（类似玻璃），无晶界、位错等晶体缺陷。突出性能：高强度（接近理论强度）、高硬度、优异的耐腐蚀性和软磁性。应用：变压器铁芯。（2）纳米材料：晶粒尺寸在1至100nm范围，晶界体积分数极高。突出性能：高强度高硬度（Hall-Petch效应）、高催化活性（比表面积大）、特殊光电磁性能。应用：纳米陶瓷刀具（晶粒细化使陶瓷韧性显著提高，克服了传统陶瓷脆性大的缺点）。（3）碳纤维复合材料：由高强度碳纤维（增强相）和树脂基体组成，沿纤维方向的强度和模量极高。突出性能：比强度和比模量远超金属、疲劳性能好、可设计性强。应用：F1赛车车身和单体壳——极为苛刻的减重需求下保证极高的碰撞安全性。 【解析】新材料的共同特点是突破了传统材料的性能瓶颈——非晶态打破晶体缺陷限制、纳米打破晶粒尺寸限制、复合材料打破单一材料性能限制。新材料的发展方向是追求更轻、更强和更智能。 10．高温合金和钛合金都是重要的航空航天材料，但二者的适用温度范围和应用场景不同。请回答：（1）分别说明高温合金和钛合金的主要合金元素、最高使用温度和典型应用。（2）在航空发动机中，为什么压气机叶片用钛合金而涡轮叶片用高温合金？从工作温度和材料性能角度分析原因。 【答案】（1）高温合金：以镍（Ni）或钴（Co）为基体，添加Cr、Al、Ti、W、Mo等十多种元素进行强化。镍基高温合金最高使用温度可达1000至1100°C，接近其熔点的85%。应用：航空发动机涡轮叶片、燃烧室、导向叶片。钛合金：以钛为基体添加Al、V、Mo等元素。常用Ti-6Al-4V的最高使用温度约600度。纯钛约300至400度。应用：航空发动机压气机叶片和盘、飞机机身隔框和蒙皮。（2）压气机叶片用钛合金的原因：压气机位于发动机前部，工作温度较低（200至600度间），在钛合金的使用温度范围内。钛合金密度小（4.5）可大幅减轻转子重量降低离心力，比强度高。涡轮叶片用高温合金的原因：涡轮位于燃烧室后方，进口燃气温度高达1400度以上，虽有气膜冷却，叶片自身温度仍达900至1100度，远超钛合金的许用温度。镍基高温合金在如此高温下仍保持高强度和抗蠕变性能，且抗氧化性满足要求。 【解析】航空发动机选材的关键是温度分布——进气端（冷）用钛合金减重，出气端（热）用高温合金耐热。这种根据温度梯度分区选材的思路也适用于其他热力机械。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $