大学《材科基础》第十章：原子扩散题库及答案

1、第十章 原子扩散1、 简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。答： 影响扩散的因素主要有温度，温度越高，扩散越快；晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散；不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样，低致密度的晶体中溶质原子扩散快，各向异性也影响溶质原子扩散；在间隙固溶体中溶质原子扩散容易；扩散原子性质与基体金属性质差别越大，扩散越容易；一般溶质原子浓度越高，扩散越快；加入其它组元与溶质原子形成化合物阻碍其扩散。2、Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层，1400时Ni通过MgO向Ta中扩散，此时Ni在MgO中的扩散系数为D=91012cm2/s，Ni的点阵常数为3.6108cm。问每秒钟

2、通过MgO阻挡层在22cm2的面积上扩散的Ni数目，并求出要扩散走1mm厚的Ni层需要的时间。答：Ni为fcc结构，一个晶胞中的原子个数为4，依题意有：在Ni/MgO界面镍板一侧的Ni的浓度CNi为100%，每cm3中Ni原子个数为：NNi/MgO=(4原子/晶胞)/(3.6108cm3)=8.571022原子/cm3，在Ta/MgO界面Ta板一侧的Ni的浓度0%，这种扩散属于稳态扩散，可以利用菲克第一定律求解。故浓度梯度为dc/dx（08.571022原子/cm3）/（0.05cm）1.711024原子/（cm3.cm），则Ni原子通过MgO层的扩散通量：JD（dc/dx）=91012cm2

3、/s(1.711024原子/（cm3.cm）)=1.541013Ni原子/（cm2.s)每秒钟在22cm2的面积上通过MgO层扩散的Ni原子总数N为NJ面积1.541013Ni原子/（cm2.s)4cm2=6.161013Ni原子/s。每秒钟从界面扩散走的Ni原子体积，故V（6.161013Ni原子/s）/（8.571022原子/cm3）0.72109cm3/s，用厚度d表示在该面积中每秒扩散的Ni原子为dV/面积（0.72109cm3/s）/（22cm2）1.81010cm/s，也就是说要将1mm厚的Ni层扩散掉，所需时间t为：t（1mm）/（1.81010cm/s）556000秒154小时

4、。3、对含碳0.1齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2，在齿轮表层下0.2cm处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC结构，C在Fe中的D00.23，激活能Q32900cal/mol，误差函数如表101。1）试设计最佳渗碳工艺；2）在渗碳温度不变，在1000时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。表101 与erf()的对应值erf()erf()erf()0.00.00000.70.67781.40.95230.10.11250.80.74211.50.96610.20.22270.90.79691.60.97630.30.

5、32861.00.82471.70.98380.40.42841.10.88021.80.98910.50.52051.20.91031.90.99280.60.60391.30.93402.00.9953答：1）渗碳情况符合菲克第二定律的特殊解的应用条件，可以利用菲克第二定律进行解决。菲克第二定律特殊解公式：其中依题意有Cs1.2，C0=0.1，Cx=0.45，x=0.2。带入上式，则有，即：从表101可以得出误差函数值，有，Dt(0.1/0.71)2=0.0198cm2。任何满足Dt0.0198cm2关系的工艺均可，由于扩散与温度、时间有关，D=D0exp(-Q/RT)，带入C在Fe中的D

6、00.23，激活能Q32900cal/mol，D=0.23exp(-32900cal/mol/1.987（cal/mol.K）T)=0.23exp(-16558/T)，因此由Dt(0.1/0.71)2=0.0198cm2，渗碳时间与渗碳温度的关系为：故可以列出一些典型的渗碳温度与时间如下：T900=1173K，则t=116174s=32.3h；T1000=1273K，则t=36360s=10.7h；T1100=1373K，则t=14880s=4.13h；T1200=1473K，则t=6560s=1.82h。可以根据上述温度与时间的关系，考虑合金相变和加热炉、生产效率进行合理选择，一般以1000

7、左右较为合适。2）在渗碳温度和其它条件不变的情况下，要求渗碳深度增加一倍，由1）可知有关系存在，可以解得t42.7h；4 一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。答：由于反应扩散的原因，试样中不能出现两相区，故试样从表面到心部的组织最外层为相，靠里层为相，心部不受脱碳影响为相和相。5 一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析：1) 渗碳为什么在g-Fe中进行而不在a-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727e ，为什么？渗碳温度高于1100e 会出现什么问题？答：1）渗碳在g-Fe中进行而不在a-F

8、e中进行，渗碳温度要高于727e ，是因为a-Fe中最大碳溶解度（质量分数）为0.0218，对于碳含量大于0.0218的钢铁，渗碳时零件中碳浓度梯度为0，渗碳无法进行；而且由于温度低，扩散系数小，渗碳缓慢。在g-Fe中进行则可获得较高的表层碳浓度梯度，温度也高，可使渗碳顺利进行。2）渗碳温度高于1100e 会使钢板的晶粒长大，降低其机械性能。6 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。答：1）在有限的时间内不可能使枝晶偏析完全消失，2）冷加工可以促进均匀化过程；经过冷加工后枝晶被破碎，缩短了枝晶间距。7 原子扩散在材料中的应用答： 原子扩散在材料中的影响包括晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶反应非平衡凝固时保留高温组织的特点，固态相变时的形核，晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变，氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层等各方面。8 何谓上坡扩散，举两个实